生化工程2 氧的供需
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 比耗氧速率（呼吸强度）：单位质量的细胞（干
重）在单位时间内消耗氧的量。 Qo2 mol O2 • kg干细胞-1• s-1 氧浓度和比耗氧速率的关系:
；
mmol O2· g菌-1· h-1
Qo2=
(Qo2)mCL Ko + CL
氧为唯一的限制性基质 (QO2)m：最大比耗氧速率 K0： 氧的米氏常数，最大比耗氧速率为半值时的氧浓度
影响需氧的因素
r = QO2 .X
菌体浓度
QO2
• 碳源种类对细胞的需氧量有很大影响。 平衡方程式！ C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O CH3OH + 3/2 O 2 CO2 + 2H2O CnH2n+2 + (3n+1)/2O2 nCO2 +(n+1) H2O 结论？
• 当以油脂或烃类为碳源时微生物需要的氧 更多，例如用甲醇、石蜡或碳水化合物培 养微生物时，每消耗碳源中一个碳原子所 需要的氧分别为1.34、1.0和0.4分子。 • 产黄青霉在含葡萄糖、蔗糖和乳糖的培养 基中，最大摄氧率分别为3.72×10-3，1.9 ×10-3和1.4 ×10-3mol/(m3.s)。 •
氨基酸生物合成中每消耗1摩尔葡萄糖所生成的 NAD(P)H2和ATP摩尔数
氨基酸 谷氨酸 乙醛酸循环
NAD(P)H2(FADH2) ATP
CO2固定
NAD(P)H2(FADH2) ATP
Biblioteka Baidu
16/3
2
3
1
谷氨酰胺
脯氨酸 精氨酸
6
16/3 14/3
4/3
4/3 -2/3
3
2 2
0
0 -3
赖氨酸
苏氨酸 异亮氨酸 缬氨酸 亮氨酸
8/3
4 2 0 2
2/3
0 2/3 2 2
-2
-4 -3
-1
-4 -1
苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸
0 6/5 11/8
-7/5 -7/5 -7/5
总 结
细胞对氧的需求：
• 表示方法： 比耗氧速率：表示微生物的相对需氧量 摄氧率：表示培养液的相对需氧量 临界氧浓度：表示细胞正常生长的最低氧 浓度 • 溶解氧对细胞生长的影响 • 溶解氧对发酵代谢产物生成的影响
第二章 氧的供需
• 液体发酵类型： 嫌气发酵：乙醇、乳酸、丙酮、丁醇 C6H12O6+2ADP+2Pi 2C3H6O3+2ATP (同型乳酸发酵) 好氧发酵： C6H12O6+ADP+Pi +3NAD(P)++3H+ C5H9O4N+3ATP+3NAD(P)H(谷氨酸发酵)
通气的重要性
• 氧在纯水中的溶解度： 0.25mol/m3(25℃,0.1MPa) 8ppm • 每立方米培养液单位时间内的需氧量 （假设菌体浓度1015/m3）： 菌体浓度×单位菌体单位时间内的需氧量 （生物量×呼吸强度） ==[1015个菌体/m3 ×(10-16m3/个菌体) ×(1000kg/m3) ×(1-80%) kg干菌体/kg菌体] ×(2.6 ×10-3molO2/kg干菌体.s) ==0.052molO2/(m3.s) • 培养液中的氧维持菌体正常生存的时间不超过： 0.25/0.052=4.81s
启 示 ？
4、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响
产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样
生长期 产物合成期
头孢菌素 卷须霉素 5% (相对于饱和氧浓度） 13% >13% >8%
• 溶解氧浓度对黄色短杆菌生产氨基酸的影响: • 溶解氧浓度低于临界氧浓度时，谷氨酸和天 门冬氨酸类氨基酸的产量下降； • 但苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸生产的最佳氧 浓度分别为临界氧浓度的0.55、0.60和0.85倍。
举例: Bacillus thuringiensis发酵过程临界氧 浓度问题 不同培养时间的临界氧浓度
时间 （hr） 临界氧 时间 浓度（%） （hr） 临界氧 浓度（%）
4 8
34.3 30.9
20 22
7.2 9.3
10
12 14 18
29.7
13.4 8.3 6.6
24
30 32
14.9
17.1 22.1
一些微生物的K0值
微生物 好气气杆菌 巨大芽孢杆菌 弱氧化醋酸菌 啤酒酵母 德巴利酵母 副流感嗜血菌 KO(MOL/M3) 3.10 X 10-5 5.97 X 10-4 1.57 X 10-3 10-3 10-3 2 X 10-3
菌体对氧的亲和力
一些微生物的最大比耗氧速率
微生物 黑曲霉 灰色链霉菌 产黄青霉菌 产气克雷伯氏菌 啤酒酵母 大肠杆菌 (QO2)MMOL O2/(KG 干细胞·S) 8.3 X 10-4 8.3 X 10-4 1.1 X 10-3 1.1 X 10-3 2.2 X 10-3 3.0 X 10-3
• 培养条件（如pH、温度等） • 有害代谢产物 HAc
3、溶解氧浓度对菌体生长的影响 • 临界氧浓度：培养过程中，当不存在其它限制性
基质时，比耗氧速率随着溶氧浓度的增加而上升， 当溶氧浓度高于临界值时，细胞的比耗氧速率不再 上升并保持恒定，则此溶氧临界值为临界氧浓度。 即不影响细胞呼吸所允许的最低溶氧浓度。
耗氧能力
影响QO2的因素
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
2、摄氧率
• 摄氧率：单位体积培养液在单位时间内消耗
氧的量。 r mol O2 • m-3 •s-1；mmol O2· L-1· h-1 r = Qo2 • X 细胞浓度直接影响培养液的摄氧率，在分批培养 过程中，摄氧率发生很大变化。 对生生长前期，比耗氧速率 摄氧率 对生生长后期，比耗氧速率 摄氧率
临界氧浓度CCr的测定
一些微生物的呼吸临界氧浓度CCr
微生物 维涅兰德固氮菌 大肠杆菌 粘质沙雷氏菌 脱氮假单胞菌 酵母 产黄青霉菌 米曲霉 Ccr(mol/m3) 1.8~4.9X10-2 8.2X10-3 3.1X10-3 -1.5X10-2 -9X10-3 4.6X10-3 3.7X10-3 -2.2 X10-2 -9 X10-3 -2.0X10-3 温度(0C) 30 37.8 15 31 30 34.8 20 24 30 30
一、细胞对氧的需求 二、培养过程中的氧传递 三、影响供氧的因素 四、溶解氧、摄氧率和kLa的测定方法
关系：耗氧——供氧 检测
第一节 细胞对氧的需求
1、比耗氧速率（呼吸强度） 2、摄氧率 3、临界氧浓度CCr
4、溶解氧对细胞生长的影响
5、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响 个体——体系 菌体——产物
1、比耗氧速率
重）在单位时间内消耗氧的量。 Qo2 mol O2 • kg干细胞-1• s-1 氧浓度和比耗氧速率的关系:
；
mmol O2· g菌-1· h-1
Qo2=
(Qo2)mCL Ko + CL
氧为唯一的限制性基质 (QO2)m：最大比耗氧速率 K0： 氧的米氏常数，最大比耗氧速率为半值时的氧浓度
影响需氧的因素
r = QO2 .X
菌体浓度
QO2
• 碳源种类对细胞的需氧量有很大影响。 平衡方程式！ C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O CH3OH + 3/2 O 2 CO2 + 2H2O CnH2n+2 + (3n+1)/2O2 nCO2 +(n+1) H2O 结论？
• 当以油脂或烃类为碳源时微生物需要的氧 更多，例如用甲醇、石蜡或碳水化合物培 养微生物时，每消耗碳源中一个碳原子所 需要的氧分别为1.34、1.0和0.4分子。 • 产黄青霉在含葡萄糖、蔗糖和乳糖的培养 基中，最大摄氧率分别为3.72×10-3，1.9 ×10-3和1.4 ×10-3mol/(m3.s)。 •
氨基酸生物合成中每消耗1摩尔葡萄糖所生成的 NAD(P)H2和ATP摩尔数
氨基酸 谷氨酸 乙醛酸循环
NAD(P)H2(FADH2) ATP
CO2固定
NAD(P)H2(FADH2) ATP
Biblioteka Baidu
16/3
2
3
1
谷氨酰胺
脯氨酸 精氨酸
6
16/3 14/3
4/3
4/3 -2/3
3
2 2
0
0 -3
赖氨酸
苏氨酸 异亮氨酸 缬氨酸 亮氨酸
8/3
4 2 0 2
2/3
0 2/3 2 2
-2
-4 -3
-1
-4 -1
苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸
0 6/5 11/8
-7/5 -7/5 -7/5
总 结
细胞对氧的需求：
• 表示方法： 比耗氧速率：表示微生物的相对需氧量 摄氧率：表示培养液的相对需氧量 临界氧浓度：表示细胞正常生长的最低氧 浓度 • 溶解氧对细胞生长的影响 • 溶解氧对发酵代谢产物生成的影响
第二章 氧的供需
• 液体发酵类型： 嫌气发酵：乙醇、乳酸、丙酮、丁醇 C6H12O6+2ADP+2Pi 2C3H6O3+2ATP (同型乳酸发酵) 好氧发酵： C6H12O6+ADP+Pi +3NAD(P)++3H+ C5H9O4N+3ATP+3NAD(P)H(谷氨酸发酵)
通气的重要性
• 氧在纯水中的溶解度： 0.25mol/m3(25℃,0.1MPa) 8ppm • 每立方米培养液单位时间内的需氧量 （假设菌体浓度1015/m3）： 菌体浓度×单位菌体单位时间内的需氧量 （生物量×呼吸强度） ==[1015个菌体/m3 ×(10-16m3/个菌体) ×(1000kg/m3) ×(1-80%) kg干菌体/kg菌体] ×(2.6 ×10-3molO2/kg干菌体.s) ==0.052molO2/(m3.s) • 培养液中的氧维持菌体正常生存的时间不超过： 0.25/0.052=4.81s
启 示 ？
4、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响
产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样
生长期 产物合成期
头孢菌素 卷须霉素 5% (相对于饱和氧浓度） 13% >13% >8%
• 溶解氧浓度对黄色短杆菌生产氨基酸的影响: • 溶解氧浓度低于临界氧浓度时，谷氨酸和天 门冬氨酸类氨基酸的产量下降； • 但苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸生产的最佳氧 浓度分别为临界氧浓度的0.55、0.60和0.85倍。
举例: Bacillus thuringiensis发酵过程临界氧 浓度问题 不同培养时间的临界氧浓度
时间 （hr） 临界氧 时间 浓度（%） （hr） 临界氧 浓度（%）
4 8
34.3 30.9
20 22
7.2 9.3
10
12 14 18
29.7
13.4 8.3 6.6
24
30 32
14.9
17.1 22.1
一些微生物的K0值
微生物 好气气杆菌 巨大芽孢杆菌 弱氧化醋酸菌 啤酒酵母 德巴利酵母 副流感嗜血菌 KO(MOL/M3) 3.10 X 10-5 5.97 X 10-4 1.57 X 10-3 10-3 10-3 2 X 10-3
菌体对氧的亲和力
一些微生物的最大比耗氧速率
微生物 黑曲霉 灰色链霉菌 产黄青霉菌 产气克雷伯氏菌 啤酒酵母 大肠杆菌 (QO2)MMOL O2/(KG 干细胞·S) 8.3 X 10-4 8.3 X 10-4 1.1 X 10-3 1.1 X 10-3 2.2 X 10-3 3.0 X 10-3
• 培养条件（如pH、温度等） • 有害代谢产物 HAc
3、溶解氧浓度对菌体生长的影响 • 临界氧浓度：培养过程中，当不存在其它限制性
基质时，比耗氧速率随着溶氧浓度的增加而上升， 当溶氧浓度高于临界值时，细胞的比耗氧速率不再 上升并保持恒定，则此溶氧临界值为临界氧浓度。 即不影响细胞呼吸所允许的最低溶氧浓度。
耗氧能力
影响QO2的因素
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
2、摄氧率
• 摄氧率：单位体积培养液在单位时间内消耗
氧的量。 r mol O2 • m-3 •s-1；mmol O2· L-1· h-1 r = Qo2 • X 细胞浓度直接影响培养液的摄氧率，在分批培养 过程中，摄氧率发生很大变化。 对生生长前期，比耗氧速率 摄氧率 对生生长后期，比耗氧速率 摄氧率
临界氧浓度CCr的测定
一些微生物的呼吸临界氧浓度CCr
微生物 维涅兰德固氮菌 大肠杆菌 粘质沙雷氏菌 脱氮假单胞菌 酵母 产黄青霉菌 米曲霉 Ccr(mol/m3) 1.8~4.9X10-2 8.2X10-3 3.1X10-3 -1.5X10-2 -9X10-3 4.6X10-3 3.7X10-3 -2.2 X10-2 -9 X10-3 -2.0X10-3 温度(0C) 30 37.8 15 31 30 34.8 20 24 30 30
一、细胞对氧的需求 二、培养过程中的氧传递 三、影响供氧的因素 四、溶解氧、摄氧率和kLa的测定方法
关系：耗氧——供氧 检测
第一节 细胞对氧的需求
1、比耗氧速率（呼吸强度） 2、摄氧率 3、临界氧浓度CCr
4、溶解氧对细胞生长的影响
5、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响 个体——体系 菌体——产物
1、比耗氧速率