第七章 氧的供需与传递 教 学 内 容 1、细胞对氧的需求 2、培养过程中氧的传质理论 3、溶解氧的测定方法 4、氧传递系数的测定 5、影响氧传递速率的主要因素 6、控制溶氧的工艺手段
第七章 氧的供需与传递 教 学 内 容 1、细胞对氧的需求 2、培养过程中氧的传质理论 3、溶解氧的测定方法 4、氧传递系数的测定 5、影响氧传递速率的主要因素 6、控制溶氧的工艺手段
一、细胞对氧的需求 1、三个基本概念 好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因为好气性微生物只有氧分 子存在情况下才能完成生物氧化作用。因此，供氧对需氧微生物是必不可少的，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。而需氧微 生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧。 发酵液中溶解氧的多少，一般以溶解氧系数表示。由于各种好气微生物所含的氧化 酶体系（如过氧化氢酶、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。 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。(mol/m3 ) 例：P111（第二自然段）
一、细胞对氧的需求 1、三个基本概念 好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因为好气性微生物只有氧分 子存在情况下才能完成生物氧化作用。因此，供氧对需氧微生物是必不可少的，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。而需氧微 生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧。 发酵液中溶解氧的多少，一般以溶解氧系数表示。由于各种好气微生物所含的氧化 酶体系（如过氧化氢酶、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。 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。(mol/m3 ) 例：P111（第二自然段）
比耗氧速率（呼吸强度）： 单位质量的干细胞在单位时间内消耗氧的量molO2 /（kg干细胞·s ）。 用Qo2 表示。 临界溶氧浓度： 好氧性微生物生长繁殖所需要的最低溶解氧的浓度。(mol/m3 ) 摄氧率： 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[molO2 /m3·s]
比耗氧速率（呼吸强度）： 单位质量的干细胞在单位时间内消耗氧的量molO2 /（kg干细胞·s ）。 用Qo2 表示。 临界溶氧浓度： 好氧性微生物生长繁殖所需要的最低溶解氧的浓度。(mol/m3 ) 摄氧率： 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[molO2 /m3·s]
2、摄氧率与呼吸强度之间的关系 r=Qo2·X 式中： r - 微生物耗氧速率[molO2 /（m3·s）]； Qo2 -菌体呼吸强度（比耗氧速率），molO2 /（kg干细胞·s ） ； X -发酵液中菌体浓度，（kg/m3）； 3、注意点（P115） 1)判断：在生产中，要保证最高产物产量，供氧时必须使溶氧浓度大于临界溶 氧浓度（ ）。溶氧浓度大于临界溶氧浓度可以得到最高的微生物浓度（ ）。 2)碳源种类对细胞的耗氧速度没有影响（ ）
2、摄氧率与呼吸强度之间的关系 r=Qo2·X 式中： r - 微生物耗氧速率[molO2 /（m3·s）]； Qo2 -菌体呼吸强度（比耗氧速率），molO2 /（kg干细胞·s ） ； X -发酵液中菌体浓度，（kg/m3）； 3、注意点（P115） 1)判断：在生产中，要保证最高产物产量，供氧时必须使溶氧浓度大于临界溶 氧浓度（ ）。溶氧浓度大于临界溶氧浓度可以得到最高的微生物浓度（ ）。 2)碳源种类对细胞的耗氧速度没有影响（ ）
3)培养液中基质浓度对细胞的耗氧速度有很大的影响（ ）。 3)细胞的摄氧率与培养时间及细胞浓度有关 例如在链霉素的发酵过程中，初始的摄氧率为34molO2 /m3·h，补料后（78h） 升为40.9 molO2 /m3·h，随着营养物质的消耗，在94 h又降到15-20 molO2 /m3·h。 Qo2 干重 PH 疣孢漆斑霉在分批培养时比耗氧速率的变化 Qo2 干重 r=Qo2·X 请问摄氧率和比耗氧速率在 r 细胞培养的哪一阶段达到最高值？
3)培养液中基质浓度对细胞的耗氧速度有很大的影响（ ）。 3)细胞的摄氧率与培养时间及细胞浓度有关 例如在链霉素的发酵过程中，初始的摄氧率为34molO2 /m3·h，补料后（78h） 升为40.9 molO2 /m3·h，随着营养物质的消耗，在94 h又降到15-20 molO2 /m3·h。 Qo2 干重 PH 疣孢漆斑霉在分批培养时比耗氧速率的变化 Qo2 干重 r=Qo2·X 请问摄氧率和比耗氧速率在 r 细胞培养的哪一阶段达到最高值？
4)培养条件（如PH、温度等）对细胞 的需氧要求也有影响，一些有害代 谢产物的积累，也会抑制细胞的呼 吸 。 阅读课本P116 回答问题 问题1 何谓氧的满足度？ 问题2 举例说说各种氨基酸的生产与最佳溶氧浓度的关系 ？为什么？ 问题3 举例说说微生物的次级代谢产物的生产也与临界溶氧浓度有关 ？ 1)判断：在生产中，要保证最高产物产量，供氧时必须使溶氧浓度大于临界溶 氧浓度（ ）。溶氧浓度大于临界溶氧浓度可以得到最高的微生物浓度（ ）
4)培养条件（如PH、温度等）对细胞 的需氧要求也有影响，一些有害代 谢产物的积累，也会抑制细胞的呼 吸 。 阅读课本P116 回答问题 问题1 何谓氧的满足度？ 问题2 举例说说各种氨基酸的生产与最佳溶氧浓度的关系 ？为什么？ 问题3 举例说说微生物的次级代谢产物的生产也与临界溶氧浓度有关 ？ 1)判断：在生产中，要保证最高产物产量，供氧时必须使溶氧浓度大于临界溶 氧浓度（ ）。溶氧浓度大于临界溶氧浓度可以得到最高的微生物浓度（ ）
2 1 3 4 5 6 7 8 9 气液界面 气泡 液膜 液相主体 固液界面 液膜 细胞团 细胞膜 细胞 生物反应 氧从气泡到细胞的传递过程示意图 P117（划线） 二、培养过程中氧的传质理论 1、氧从气泡到细胞的传递过程 对于大多数微生物细胞的培养过程， 细胞分散在培养液中，只能利用溶解氧， 供氧都是在培养液中通往空气来进行。氧 从空气泡传递到细胞内要克服一系列阻力， 首先氧须从气相溶解于培养基中，然后传 递到细胞内的呼吸酶位置上被利用
2 1 3 4 5 6 7 8 9 气液界面 气泡 液膜 液相主体 固液界面 液膜 细胞团 细胞膜 细胞 生物反应 氧从气泡到细胞的传递过程示意图 P117（划线） 二、培养过程中氧的传质理论 1、氧从气泡到细胞的传递过程 对于大多数微生物细胞的培养过程， 细胞分散在培养液中，只能利用溶解氧， 供氧都是在培养液中通往空气来进行。氧 从空气泡传递到细胞内要克服一系列阻力， 首先氧须从气相溶解于培养基中，然后传 递到细胞内的呼吸酶位置上被利用
2 1 3 4 5 6 7 8 9 气液界面 气泡 液膜 液相主体 固液界面 液膜 细胞团 细胞膜 细胞 生物反应 氧从气泡到细胞的传递过程示意图 氧从空气泡传递到细胞的过 程中需要克服哪几种阻力？ 问题1 氧的整个传递过程可分为供氧 和耗氧两个方面，请分别指出这两 个过程的传氧路线？ 问题2
2 1 3 4 5 6 7 8 9 气液界面 气泡 液膜 液相主体 固液界面 液膜 细胞团 细胞膜 细胞 生物反应 氧从气泡到细胞的传递过程示意图 氧从空气泡传递到细胞的过 程中需要克服哪几种阻力？ 问题1 氧的整个传递过程可分为供氧 和耗氧两个方面，请分别指出这两 个过程的传氧路线？ 问题2
2、氧的传递速率总方程式 OTR=K Lα（c*-cL） 式中： OTR-单位体积培养液中的传氧速率，[mol/m3·s]； KL-以浓度差为推动力的总传质系数（m/s) α– 比表面积（m2 /m3 ) KLα-以浓度差为推动力的体积传递系数，（s -1）； cL -溶液中氧的实际浓度，（mol/m3）； c*-与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度，（mol/m3）； 例题
2、氧的传递速率总方程式 OTR=K Lα（c*-cL） 式中： OTR-单位体积培养液中的传氧速率，[mol/m3·s]； KL-以浓度差为推动力的总传质系数（m/s) α– 比表面积（m2 /m3 ) KLα-以浓度差为推动力的体积传递系数，（s -1）； cL -溶液中氧的实际浓度，（mol/m3）； c*-与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度，（mol/m3）； 例题
三、溶解氧的测定方法 1、化学法 化学法的优点是测定比较准确，能直接得到氧的浓度， 往往是其他测定方法的基础，也常用于衡量其他方法的准确 性。 2、极谱法 3、复膜氧电极法 4、压力法 复膜氧电极测定的是氧的分压 阅读课本P123-126
三、溶解氧的测定方法 1、化学法 化学法的优点是测定比较准确，能直接得到氧的浓度， 往往是其他测定方法的基础，也常用于衡量其他方法的准确 性。 2、极谱法 3、复膜氧电极法 4、压力法 复膜氧电极测定的是氧的分压 阅读课本P123-126