【精品课件】氧的供需与传递

一、发酵过程中氧的需求
几个重要基本参数
➢临界氧浓度 在溶氧浓度低时，呼吸强度 随溶解氧浓度的增加而增加， 当溶氧浓度达到某一值后， 呼吸强度不再随溶解氧浓度 的增加而变化时的溶解氧浓 度 。用C临界表示
C临界
临界溶氧浓度CCr: 指不影响呼吸所允许的最低溶 氧浓度。
满足微生物呼吸的最低溶氧浓度,对产物而言, 不影响产物合成所允许的最低氧浓度。
在临界氧浓度以下，微生物的呼吸速率随 溶解氧浓度降低而显著下降。
好氧微生物临界氧浓度大约是饱和浓度的 1-25％。
二、微生物对氧的需求
一般对于微生物： CCr: ＝1～15%饱和浓度 例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8%
产黄青霉 2.2*10-2 mmol·L-1, 8.8% 定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度
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。
菌龄
幼龄 呼吸强度大 但菌体浓度低，总的 耗氧量也低
晚龄 呼吸强度弱，但菌体浓度高，总的 耗氧量也高
三、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。
(QO2 )m ， x<xm
D. 对数生长期末：S↓, OTR↓, QO2 ↓ 而γ∝(QO2 , x , OTR), 虽然x=xm,但 QO2、
OTR 占主导地位，所以 γ↓
E. 培养后期：S→0，QO2 ↓↓, γ↓↓
二、微生物对氧的需求
影响微生物需氧量的因素很多 r=Qo2·X
菌体浓度X
对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1.
问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发 酵过程中氧很容易满足?
例：以微生物的耗氧速率0.052 mmol O2·L-1·S-1 计，
0.25/0.052=4.8秒( 0.25 为溶解氧浓度)
培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须 连续通气。
氧在液体中的溶解特性
影响氧饱和浓度的主要因素
➢（3）氧分压
气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度亦随之增加 25℃ 1×105Pa 空气中氧溶解度0.25 mmol/L
纯氧溶解度1.26 mmol/L
发酵过程溶氧的变化
正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧浓度变化 都有自己的规律。
氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶 等）的种类和数量不同，在不同环境条件下，各种 需氧微生物的吸氧量或呼吸程度是不同的。
一、发酵过程中氧的需求
几个重要基本参数
➢呼吸强度（比耗氧速率） 单位质量的菌体(以干重计)在单位时间内消耗 氧的量mmolO2/（g干细胞·h ）。 用Qo2 表示。
ห้องสมุดไป่ตู้
四、氧在液体中的溶解特性
饱和溶氧浓度：
在一定温度和压力下，空气中的氧在水中的 溶解度。(mmol/L) 例：25℃ 1×105Pa 0.25 mmol/L
四、氧在液体中的溶解特性
影响氧饱和浓度的主要因素
➢（1）温度
随温度的升高气体分子的运动加快，使溶液中的 氧饱和浓度下降
氧的浓度是其它营养物质浓度的10-3以下
第六章 氧的供需与传递
微生物细胞对氧的需求 氧在液体中的溶解特性 影响氧的传递速率的主要因素 控制溶氧的工艺手段
第一节 微生物细胞对氧的需求
好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧 气。在发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使 菌体生长繁殖，积累所需要的代谢产物。
微生物只能利用溶解于液体中的氧。 由于各种好气微生物所含的氧化酶体系（如过氧化
★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。
一、发酵过程中氧的需求
几个重要基本参数
➢耗氧速率
指单位体积培养液在单位时间内的消耗氧 的量，以 r 表示，单位为[mmolO2/L·h] 。
一、发酵过程中氧的需求
几个重要基本参数
➢ r=Qo2·X 式中： r ---耗氧速率mmolO2/L·h；
Qo2---菌体呼吸强度 mmolO2/（g干细胞·h ） X ---发酵液中菌体浓度，（g/L）
注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常 常不一样：
头孢菌素
卷须霉素
生长 5% (相对于饱和浓度） 13%
产物 >13%
>8%
细胞培养中耗氧规律
A. 培养初期： QO2逐渐增高，x较小。 B. 在对数生长初期：达到(QO2 )m，但此时x较
低，γ并不高。 C. 在对数生长后期：达到γm, 此时 QO2<
0.045 g/L
氧在液体中的溶解特性
影响氧饱和浓度的主要因素
➢（2）溶液的性质
一种气体在不同溶液中的溶解程度是不同的 同一种溶液由于其中溶质含量不同，氧的溶 解度也不同。一般来说，溶质含量愈高，氧的 溶解度就越小
纯氧在不同溶液中的溶解度
25℃及1个大气压下纯氧在不同溶液中的溶解度 (mmol O2/L)
第六章 氧的供需与传递
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在 发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往 是最易成为控制因素。
在28℃氧在发酵液中的100％饱和浓度只 有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000 倍。
在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到 100％空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液 中溶氧可在几秒(分)钟之内便耗竭，使溶氧成为 限制因素。
Qo2
遗传因素 菌龄
营养的成分与浓度
有害物质的积累
培养条件
培养条件
培养基组成、溶氧浓度和发酵工艺条件等
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