生物化工基础-氧传递

《生物化工基础》第八次作业

细胞生物反应器及氧传递

化23 张猛

2012011916

一． 查阅资料，各举出搅拌式反应器、气升式反应器和鼓泡式反应器的一个应用例子，要求列出具体的培养体系，发酵培养基配方，达到的细胞密度以及生产的具体产品。

答：

1）搅拌式生物反应器[1]

背景介绍：搅拌式生物反应器悬浮培养水母雪莲细胞的研究

本实验所采用的搅拌式生物反应器的结构示意图如下：

图1. 搅拌式生物反应器示意图

【具体培养体系】

水母雪莲（Saussurea m edusa M axim）愈伤组织红色系，为实验室筛选所得。 【悬浮培养基配方】

悬浮培养基采用Murashige和Skoog设计的MS培养基*，附加0.5mg/L的6-­‐苄基腺嘌呤(6-­‐BA)、2mg/L的萘乙酸(NAA)、30g/ L的蔗糖、10g/L的葡萄糖。 *由于MS培养基成分复杂，考虑篇幅因素，将其配方列于最后的附录中，供参考。

【达到的细胞密度】

本实验中，发酵液中达到的细胞密度用细胞干重来表示。该实验对比相同营养条件下，水母雪莲细胞在摇瓶和搅拌式生物反应器中的生长情况，结果如下图所示：

图2. 摇瓶及反应器中的细胞生长情况

从图中可以看到，无论在摇瓶中还是在反应器中，细胞的生长都经过的相同的阶段：经过4d左右的延迟期后，进入对数生长期（4d~9d），12d时细胞生长达到高峰，随后进入稳定期。

对于摇瓶而言，所能达到的最大细胞干重约为23g/L,而在搅拌式生物反应器中，达到的最大细胞干重约为14g/L.

【生产的具体产品】

水母雪莲(Saussurea m edusa M axim)为我国传统的中草药，含生物碱、黄酮等多种有效成分。

本文关注于反应器的搅拌特性对该细胞发酵过程的带来的影响，初步探讨了搅拌式反应器中黄酮产量下降的原因，因此可为工业上利用水母雪莲细胞发酵生产黄酮提供参考依据。

2）气升式反应器[2]

背景介绍：利用稻谷壳水解液在气升式生物反应器中发酵生产单细胞蛋白 本实验所采用的气升式生物反应器为外循环结构，总容积为11. 5L，上升管与下降管的直径比(D/d)为6.6，罐体高径比(H/D )为2. 9，罐内可加装筛板，形成带筛板的外循环气升式生物反应器，其结构如下图所示：

图3. 气升式生物反应器结构示意图

【具体培养体系】

以稻谷壳为原料，采用酵母菌发酵的方法，生产单细胞蛋白。所用菌种为树状假丝母AS1. 257（Candida a rborea A S1. 257）。

【发酵培养基配方】

稻谷壳水解液（总糖浓度为4. 35%），尿素0. 6%，发酵培养基经121℃灭菌20min后冷却，用氨水调至 pH4. 5～5. 0。

【达到的细胞密度】

本实验考虑了通风量对菌体干重及干基粗蛋白产量的影响，达到的细胞密度可用该时刻的菌体干重表示，具体结果如下表所示：

表1. 不同通风模式对发酵结果的影响

从表1的结果看，经过48h培养后，在不同的通风模式下，生物量基本接近，约为21mg/mL。但从干基粗蛋白含量上看，前期取相对较小的通风量，而后期增加通风量有利于蛋白质的积累。

因此，从生产成本上考虑发酵前期的通风量可取较小值，发酵后期取较大值。

【生产的具体产品】

所谓的单细胞蛋白，实际上是微生物蛋白，针对本体系而言，是用稻谷壳水解液所培养的酵母菌细胞。发酵结束后，经固液分离得到树状假丝酵母菌体，然后进行干燥处理，即可制得富含蛋白质的酵母粉，即为所谓的“单细胞蛋白”。

3）鼓泡式反应器[3]

背景介绍：鼓泡式光生物制氢反应器中光合细菌的生长及产氢特性分析

本实验将鼓泡反应器与光生物反应器结合，采用590 n m单色光为光源，研究间歇性鼓入Ar气泡对光合细菌生长代谢、产氢特性的影响。实验装置如下图所示：

图4. 鼓泡式光生物产氢实验系统

【具体培养体系】

本实验采用菌株为前期纯化，并经鉴定得到的具有高效产氢性能的沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas p alustris C QK-­‐01）。

【发酵培养基配方】

本实验所采用的发酵培养基配方如下表所示：

组分 使用浓度（g/L） 葡萄糖（有机碳源） 10.0

酵母膏（氮源） 1.0

CO(NH2)2（氮源） 1.677

生长因子 1 (mL/L)

K2HPO4·3H2O 1.006

KH2PO4 0.544

MgSO4·7H2O 0.2

FeSO4·7H2O 0.0417

(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.001

ZnSO4·7H2O 0.001

NaC1 0.2

CaC12 0.01

谷氨酸钠 0.5

表2. 鼓泡式反应器发酵培养基配方

【达到的细胞密度】

本实验采用菌液吸光度（OD600nm）的变化来反映液相中细菌生物量的变化情况，研究了不同间隔鼓泡操作条件（间隔3,6,12 h）对反应器内菌液吸光度的影响，结果如下图所示：

图5. 反应器内菌悬液OD

600nm

值的变化

从上图可以看出，不鼓泡、间隔3, 6和12 h鼓泡条件下的菌液吸光度最大值分别为1.069, 1.161, 1.127, 1.174，在菌体浓度达到最大值后的菌液吸光度平均值分别为0.958, 1.105, 1.031, 1.032. 由此可知，鼓泡条件下的光合细菌生长情况较好，其平均菌液吸光度明显高于不鼓泡条件。

*分析：这主要是由于鼓泡不仅可以起到搅拌菌液、满足底物和菌体混合均匀的要求，而且能有效提高气体代谢产物由液相到气相的传质速率，降低气体代谢产物在液相的浓度，削弱代谢

产物的抑制，促进光合细菌菌体生长。

【生产的具体产品】

对本实验而言，所谓的“产品”是氢气。由于氢能具有清洁、可再生、能量密度高的特点，因此实验的结果可为提高光生物制氢反应器的产氢性能提供依据，为工业放大提供设计参考。

二．在一个密闭发酵罐中测定停气情况下溶解氧的变化，假设发酵罐总体积是5L，装液量60%，上层空气中氧气含量对停气法测定溶氧变化可能会有影响，请估算发酵液中氧含量（以水计算），并与上面空气中氧含量进行比较，简要说明上层空气中氧的存在对停气法（动态法）测定K L a可能产生那些影响？

解：

从老师课件上的内容可知，氧是难容气体，在25℃和1个大气压时，空气中的氧气在纯水中的平衡浓度C*仅为8.5g/m3（见课件8.3细胞对氧的需求）。因此，为方便计算，不妨假设该体系的温度为25℃，罐内为1个大气压。

先计算液面上方空气中的氧气含量。由于压力为1个大气压，故气体满足理想状态方程：

PV=NRT

则上方氧气的浓度为：

C!=N

V

=

P

RT

=

101325×0.21

8.314×(273.15+25)

=8.58 mol/m!=274.7 g/m!

由于C!=274.7 g/m!≫C*=8.5 g/m!，因此，我们可以合理地假设发酵液中的氧气已达到溶解平衡。所以，在25℃，1个大气压的条件下，估算发酵液中的氧含量（以水计）约为：C*=8.5 g/m!，远小于上层空气中的氧含量，这