生化生產(chǎn)工藝課程教案

1、,,生化生產(chǎn)工藝課程教案,2006年5月,胡斌杰,一、細(xì)胞對氧的需求,1、三個(gè)基本概念,好氣性微生物的生長發(fā)育和代謝活動(dòng)都需要消耗氧氣，因?yàn)楹脷庑晕⑸镏挥醒醴肿哟嬖谇闆r下才能完成生物氧化作用。因此，供氧對需氧微生物是必不可少的，在發(fā)酵過程中必須供給適量無菌空氣，才能使菌體生長繁殖積累所需要的代謝產(chǎn)物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)中，因此，微生物只能利用溶解于液體中的氧。發(fā)酵液中溶解氧的多少，一般以溶解氧系數(shù)表示。

2、由于各種好氣微生物所含的氧化酶體系（如過氧化氫酶、細(xì)胞色素氧化酶、黃素脫氫酶、多酚氧化酶等）的種類和數(shù)量不同，在不同環(huán)境條件下，各種需氧微生物的吸氧量或呼吸程度是不同的。,飽和溶氧濃度： 在一定溫度和壓力下，空氣中的氧在水中的溶解度。(mol/m3)例：P111（第二自然段）,比耗氧速率（呼吸強(qiáng)度）： 單位質(zhì)量的干細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)消耗氧的量molO2/（kg干細(xì)胞·s ）。

3、用Qo2 表示。,臨界溶氧濃度： 好氧性微生物生長繁殖所需要的最低溶解氧的濃度。(mol/m3),攝氧率： 指單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)的消耗氧的量，以 r 表示，單位為[molO2/m3·s] 。,2、攝氧率與呼吸強(qiáng)度之間的關(guān)系,r=Qo2·X式中： r --- 微生物耗氧速率[molO2/（m3·s）]； Qo2---菌

4、體呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率）， molO2/（kg干細(xì)胞·s ） ； X ---發(fā)酵液中菌體濃度，（kg/m3）；,3、注意點(diǎn)（P115）,1)判斷：在生產(chǎn)中，要保證最高產(chǎn)物產(chǎn)量，供氧時(shí)必須使溶氧濃度大于臨界溶　氧濃度（?。?。溶氧濃度大于臨界溶氧濃度可以得到最高的微生物濃度（?。?2)碳源種類對細(xì)胞的耗氧速度沒有影響（　?。?。,3)培養(yǎng)液中基質(zhì)濃度對細(xì)胞的耗氧速度有很大的影響（　?。?3)

5、細(xì)胞的攝氧率與培養(yǎng)時(shí)間及細(xì)胞濃度有關(guān),例如在鏈霉素的發(fā)酵過程中，初始的攝氧率為34molO2/m3·h，補(bǔ)料后（78h）升為40.9 molO2/m3·h，隨著營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，在94 h又降到15-20 molO2/m3·h。,,,,,,,,Qo2,干重,PH,疣孢漆斑霉在分批培養(yǎng)時(shí)比耗氧速率的變化,Qo2,干重,r=Qo2·X,,r,請問攝氧率和比耗氧速率在細(xì)胞培養(yǎng)的哪一階段達(dá)到最高值？,4)

6、培養(yǎng)條件（如PH、溫度等）對細(xì)胞 的需氧要求也有影響，一些有害代 謝產(chǎn)物的積累，也會(huì)抑制細(xì)胞的呼 吸 。,閱讀課本P116回答問題,何謂氧的滿足度？,問題1,舉例說說各種氨基酸的生產(chǎn)與最佳溶氧濃度的關(guān)系 ？為什么？,問題2,舉例說說微生物的次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)也與臨界溶氧濃度有關(guān) ？,問題3,1)判斷：在生產(chǎn)中，要保證最高產(chǎn)物產(chǎn)量，供氧時(shí)必須使溶氧濃度大于臨界溶　氧濃度（?。?。溶氧濃度大于臨界溶氧濃度可以得到最高的微

7、生物濃度（?。?。,,,,,,,,,,2,1,3,4,5,6,7,8,9,氣液界面,氣泡,液膜,液相主體,固液界面,細(xì)胞團(tuán),液膜,細(xì)胞膜,細(xì)胞,生物反應(yīng),,,,氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程示意圖 P117（劃線）,二、培養(yǎng)過程中氧的傳質(zhì)理論,1、氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程,對于大多數(shù)微生物細(xì)胞的培養(yǎng)過程，細(xì)胞分散在培養(yǎng)液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培養(yǎng)液中通往空氣來進(jìn)行。氧從空氣泡傳遞到細(xì)胞內(nèi)要克服一系列阻力，首先氧須從氣相溶解于培養(yǎng)基

8、中，然后傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上被利用。,氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程示意圖,氧從空氣泡傳遞到細(xì)胞的過程中需要克服哪幾種阻力？,問題1,氧的整個(gè)傳遞過程可分為供氧和耗氧兩個(gè)方面，請分別指出這兩個(gè)過程的傳氧路線？,問題2,2、氧的傳遞速率總方程式,OTR=K Lα（c*-cL）式中： OTR---單位體積培養(yǎng)液中的傳氧速率，[mol/m3·s]； KL---以濃度差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)（m/s

9、) α– 比表面積（m2/m3) KLα---以濃度差為推動(dòng)力的體積傳遞系數(shù)，（s-1）； cL---溶液中氧的實(shí)際濃度，（mol/m3）； c*---與氣相中氧分壓p平衡時(shí)溶液中氧濃度，（mol/m3）；,例題,三、溶解氧的測定方法,1、化學(xué)法,化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)是測定比較準(zhǔn)確，能直接得到氧的濃度，往往是其他測定方法

10、的基礎(chǔ)，也常用于衡量其他方法的準(zhǔn)確性。,2、極譜法,3、復(fù)膜氧電極法,4、壓力法,復(fù)膜氧電極測定的是氧的分壓,閱讀課本P123-126,KL---以濃度差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)（m/s) α– 比表面積（m2/m3) KLα---以濃度差為推動(dòng)力的體積傳遞系數(shù)，（s-1）；,復(fù)習(xí),OTR=K Lα（c*-cL）,氧的傳遞速率總方程式,OTR---單位體積培養(yǎng)液中的傳氧速率，[mol/m3·

11、;s]；,cL---溶液中氧的實(shí)際濃度，（mol/m3）；c*---與氣相中氧分壓p平衡時(shí)溶液中氧濃度，（mol/m3）；,測定氧濃度的方法有哪些,四、氧傳遞系數(shù)的測定P126,1、亞硫酸鹽氧化法,2、取樣極譜法,3、物料衡算法,4、動(dòng)態(tài)法,5、排氣法,6、復(fù)膜電極法P128,五、影響氧傳遞速率的主要因素,根據(jù)氣液傳遞速率方程： OTR=K Lα（c*-cL）凡是影響推動(dòng)力c*-cL、比表面積α和傳遞系數(shù)

12、 的因素都會(huì)影響氧傳遞速率。,1、溶液的性質(zhì)對氧的溶解度的影響,隨溫度的升高而降低 P129,與酸的種類及濃度有關(guān) P130表,電解質(zhì)溶液氧的溶解度降低P129 （為什么）,要提高氧在溶液中的溶解度的方法有多種，其中最簡單的方法是增加罐壓。但是要注意的是增加罐壓雖然提高了氧的分壓，從而增加了氧的溶解度，但其他氣體成分（如CO2）分壓也相應(yīng)增加，且由于CO2的溶解度比氧大得多，因此不利于液相中CO2的排出，而影響了

13、細(xì)胞的生長和產(chǎn)物的代謝，所以增加罐壓是有一定限度的。 另一種方法是增加空氣中氧的含量，進(jìn)行富氧通氣操作。即通過深冷分離法、吸附分離法及膜分離法制得富氧空氣，然后通入培養(yǎng)液。目前由于這三種分離方法的成本都較高，富氧通氣還處于研究階段。,2、氣液比表面積,比表面積：氣泡表面積與體積之比，比表面積越大，氧傳遞速率越大，主要體現(xiàn)以下三個(gè)方面：,A、氣液比表面積的大小取決于截留在培養(yǎng)液的氣體體積以及氣泡的大小。截留在液體中的氣

14、體越多，氣泡的直徑越小，那么氣泡比表面積就越小。,B、攪拌對比表面積的影響較大。因?yàn)閿嚢枰环矫婵墒箽馀菰谝后w中產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，延長停留時(shí)間，增大氣體的截留率，另一方面攪拌的剪切作用又使氣泡粉碎，減小氣泡的直徑。,提高氧在溶液中的溶解度的最直接方法方法有哪些？,問題,說說攪拌對比表面積的影響？,問題,C、增大通氣量可增加空氣的截留率，從而使比表面積增大。,3、攪拌,攪拌的作用： P133 把通入的氣體打碎，強(qiáng)化湍流程度

15、，使空氣與發(fā)酵液充分混合，氣、液、固三相更好地接觸，增加了溶氧速率，使微生物懸浮混合均勻，促進(jìn)代謝產(chǎn)物的傳質(zhì)速率。 攪拌器的型式、直徑大小、轉(zhuǎn)速、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內(nèi)的相對位置等對氧的傳遞速率都有影響。,##攪拌器##,1）攪拌能把大的空氣泡打碎成為微小氣泡，增加了氧與液體的接觸面積，而且小氣泡的上升速度要比大氣泡慢，相應(yīng)地氧與液體的接觸時(shí)間也就增長；2）攪拌使液體作渦運(yùn)動(dòng)，使氣泡不是直線上升而是作螺旋運(yùn)動(dòng)上升

16、，延長了氣泡的運(yùn)動(dòng)路線，增加了氣液的接觸時(shí)間；3）攪拌使發(fā)酵液呈湍流運(yùn)動(dòng)，從而減少氣泡周圍液膜的厚度，減少液膜阻力，因而增大了KL值；4）攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳遞中的接觸面積的增加，使推動(dòng)力均一，同時(shí)也減少了菌體表面液膜的厚度，有利于氧的傳遞。 攪拌器的型式、直徑大小、轉(zhuǎn)速、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內(nèi)的相對位置等對氧的傳遞速率都有影響。,采用機(jī)械攪拌是普通提高溶氧系數(shù)的行之有效的方法。它能從以下幾個(gè)

17、方面改善溶氧速率：,在發(fā)酵生產(chǎn)中，攪拌有何作用？,問題1,在發(fā)酵生產(chǎn)中，攪拌是如何改善溶氧速率的？,問題2,4、空氣的線速度,氧傳遞系數(shù)K Lα是隨空氣量的增加而增大的，當(dāng)增加通風(fēng)量時(shí)，空氣的線速度也就相應(yīng)地增大，從而增加了溶氧，氧傳遞系數(shù)K Lα相應(yīng)地也增大。 當(dāng)然過大的空氣線速度會(huì)使攪拌槳葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低。,5、空氣分布管,空氣分布管的型式、噴口直徑及管

18、口與罐底距離的相對位置對氧溶解速率有較大的影響。 當(dāng)通風(fēng)量較小時(shí)，噴口的直徑越小，氣泡的直徑也就越小，相應(yīng)地溶氧系數(shù)就越大。而當(dāng)通風(fēng)量超過一定值后，氣泡的直徑與通風(fēng)量有關(guān)，與噴口的直徑無關(guān)。,6、培養(yǎng)液的性質(zhì),在發(fā)酵過程中，由于微生物的生命活動(dòng)，分解并利用培養(yǎng)液中的基質(zhì)，大量繁殖菌體，積累代謝產(chǎn)物等等都引起培養(yǎng)液的性質(zhì)的改變，特別是粘度、表面張力、離子液度、密度、擴(kuò)散系數(shù)等，從而影響到氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性，進(jìn)而對氧

19、傳遞系數(shù)K Lα帶來很大的影響。 此外，發(fā)酵液粘度的改變還會(huì)影響到液體的湍流性以及界面或液膜阻力，從而影響到氧傳遞系數(shù)K Lα 。當(dāng)發(fā)酵液濃度增大時(shí)，粘度也增大，氧傳遞系數(shù)K Lα就降低。 發(fā)酵液中泡沫的大量形成會(huì)使菌體與泡沫形成穩(wěn)定的乳濁液，影響到氧傳遞系數(shù)。,7、表面活性劑,培養(yǎng)液中消泡用的油脂等具有親水端和疏水端的表面活性物質(zhì)分布在氣液界面，增大了傳遞的阻力，使氧傳遞系數(shù)K Lα等發(fā)生變化，,說說培

20、養(yǎng)液的哪些因素會(huì)影響氧傳遞系數(shù)？,問題,8、離子強(qiáng)度,一般在電解質(zhì)溶液中生成的氣泡比在水中小得多，因而有較大的比表面積。在同一氣液接觸的發(fā)酵罐中，在同樣的條件下，電解質(zhì)溶液的氧傳遞系數(shù)K Lα比水大，而且隨電解質(zhì)濃度的增加， K Lα也有較大的增加。,9、菌體濃度,培養(yǎng)液中的菌體濃度對K Lα也有很大的影響。如圖7-24是黑曲霉菌體濃度與K Lα的關(guān)系。,菌體濃度（%W/V）,,電解液濃度的增加，氧傳遞系數(shù)是增加還是減少？氧的溶解度呢？

21、,問題,六、控制溶氧的工藝手段,控制溶氧的工藝手段主要是從供氧和需氧兩方面來考慮，前已述及影響供氧效果的主要因素有：1）通氣流量（通風(fēng)量）；2）攪拌速度；3）氣體組分中的氧分壓；4）罐壓；5）溫度；6）培養(yǎng)基的物理性質(zhì)等。而影響需氧的則是菌體的生理特性，諸如不同菌齡的呼吸強(qiáng)度差別，基質(zhì)加入時(shí)菌體耗氧的增加等。工藝上主要的控制手段有以下幾種： P135,改變通氣速率（增大通風(fēng)量）,改變攪拌速度,主要是通過變化K Lα來改變供氧能力,改變