天津商业大学：《生物工艺学》课程PPT教学课件（中，生物化学工程）第四章 氧的供需与传递 第五章 生物反应器

第四章：氧的供需与传递 好氧微生物在新陈代谢过程中（基质的氧化、菌体的生长、 产物的形成）需要氧气，而氧气本身是难溶性的气体， 在培养过程中不能向其它的可溶性营养物质一样，一次供 应就满足要求，而只能维持很短的时间（15-20 s）。因此， 在生产过程中必须不断地向培养基中提供足够的氧 实验室：摇瓶。 中间生产规模/生产规模：通风+搅拌。 提供微生物生长和代谢所需的氧，并提高营养物质 和代谢物质的传递速度

第四章：氧的供需与传递 好氧微生物在新陈代谢过程中（基质的氧化、菌体的生长、 产物的形成）需要氧气，而氧气本身是难溶性的气体， 在培养过程中不能向其它的可溶性营养物质一样，一次供 应就满足要求，而只能维持很短的时间（15-20 s）。因此， 在生产过程中必须不断地向培养基中提供足够的氧 实验室：摇瓶。 中间生产规模/生产规模：通风+搅拌。 提供微生物生长和代谢所需的氧，并提高营养物质 和代谢物质的传递速度

表-1n 梅和代撕产物在水的津解度[W拉dha业(18)] 质 物 湿度(0) 溶解度(/L)· 丙驾根 25 1物 L-天子联啦 25 24.6 葡断销 25 50 甘氨酸 .21.7 乳糖 25 170 L-充抓酸 25 22.9 崽精 25 909 酒右敌 5 769 尿素 15 60 DL~缣氨酸 25 6.8

0.045 g/L 氧的浓度是其它营养物质浓度的10-3以下

0.045 g/L 氧的浓度是其它营养物质浓度的10-3以下

4.1 微生物对氧的需求的量 受菌种的影响：呼吸强度不同、细胞的组成。 受碳源种类的影响 受产物的影响(当有细胞外产物如青霉素） Darlington,1964,酵母成分表示为 C3.92H6.5O1.94 从碳氢化合物和碳水化合物生成酵母的反应可用 下式表示： 7.4CH2+6.135O2 =C3.92H6.5O1.94+3.22CO2+3.98H2O 6.67CH2O+2.1O2=C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O 碳源的性质决定着发酵的需氧量

4.1 微生物对氧的需求的量 受菌种的影响：呼吸强度不同、细胞的组成。 受碳源种类的影响 受产物的影响(当有细胞外产物如青霉素） Darlington,1964,酵母成分表示为 C3.92H6.5O1.94 从碳氢化合物和碳水化合物生成酵母的反应可用 下式表示： 7.4CH2+6.135O2 =C3.92H6.5O1.94+3.22CO2+3.98H2O 6.67CH2O+2.1O2=C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O 碳源的性质决定着发酵的需氧量

Qo2为比耗氧速率/呼吸强度mol/（kg干细胞.s). (Qo2 )M 为最大比耗氧速率；X为菌体浓度(kg干细胞/m3 );YG: 单 位质量的底物生成细胞的得率.YP :单位质量的底物生成 产物的得率。耗氧速率 r = Qo2X(mol/m3 .s) 临界溶氧浓度：当培养基中不存在其它限制性基质时， 不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。一般 为饱和浓度的1-25%。 饱和溶氧浓度: 该温度下的氧的溶解度。 氧的饱满度：溶解氧的浓度与临界氧浓度之比

Qo2为比耗氧速率/呼吸强度mol/（kg干细胞.s). (Qo2 )M 为最大比耗氧速率；X为菌体浓度(kg干细胞/m3 );YG: 单 位质量的底物生成细胞的得率.YP :单位质量的底物生成 产物的得率。耗氧速率 r = Qo2X(mol/m3 .s) 临界溶氧浓度：当培养基中不存在其它限制性基质时， 不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。一般 为饱和浓度的1-25%。 饱和溶氧浓度: 该温度下的氧的溶解度。 氧的饱满度：溶解氧的浓度与临界氧浓度之比

临界浓度

临界浓度

培养的目的不同，选取不同的供氧条件 ★获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶氧浓度。 从而满足微生物的最大需氧而得到最高的微生物的细胞 产量。 ★以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物影响有 不同的情况 ①代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最佳需氧 量相同。 采用供养的浓度大于临界溶氧浓度。 ②代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最佳需氧 量高。尽可能的提高供氧浓度。脯氨酸、谷氨酸、赖氨 酸、苏氨酸等。 ③代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最佳需氧 量低。使氧的满足度小于1，如苯丙氨酸、缬氨酸、亮 氨酸、头孢霉素的生产

培养的目的不同，选取不同的供氧条件 ★获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶氧浓度。 从而满足微生物的最大需氧而得到最高的微生物的细胞 产量。 ★以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物影响有 不同的情况 ①代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最佳需氧 量相同。 采用供养的浓度大于临界溶氧浓度。 ②代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最佳需氧 量高。尽可能的提高供氧浓度。脯氨酸、谷氨酸、赖氨 酸、苏氨酸等。 ③代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最佳需氧 量低。使氧的满足度小于1，如苯丙氨酸、缬氨酸、亮 氨酸、头孢霉素的生产

4.2 培养过程中的传质理论 好氧微生物只能利用溶解态的氧，发酵过程中不断地通过 通风和搅拌，使气态中的氧经过一系列的传递步骤到液相。 4.2.1：气——液相间的氧传递

4.2 培养过程中的传质理论 好氧微生物只能利用溶解态的氧，发酵过程中不断地通过 通风和搅拌，使气态中的氧经过一系列的传递步骤到液相。 4.2.1：气——液相间的氧传递

①从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面； ②通过气液界面； ③从气液界面扩散通过气泡的液膜到液相主体； ④液相溶解氧的传递； ⑤从液相主体扩散通过包围细胞的液膜到大细 胞表面； ⑥氧通过细胞壁； ⑦微生物细胞内氧的传递； 通常③和⑤步传递阻力最大，是整个过程的控制 步骤

①从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面； ②通过气液界面； ③从气液界面扩散通过气泡的液膜到液相主体； ④液相溶解氧的传递； ⑤从液相主体扩散通过包围细胞的液膜到大细 胞表面； ⑥氧通过细胞壁； ⑦微生物细胞内氧的传递； 通常③和⑤步传递阻力最大，是整个过程的控制 步骤

描述氧传递的模型有三种：双膜理论、渗透扩散理论和 表面更新理论。其中以双膜理论应用最广泛

描述氧传递的模型有三种：双膜理论、渗透扩散理论和 表面更新理论。其中以双膜理论应用最广泛