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氧的傳遞途徑與傳質阻力

發布時間:2014-03-18 15:23:47

在大規模發酵生産中,通常采用深層培養方式,氧的提供是給培養中的微生物通入無菌空氣来進行。微生物細胞分散在培養液中,隻能利用溶解氧。氧從空氣的氣泡傳遞到微生物細胞内要克服一系列傳遞阻力。氧的傳遞途徑是氣相中的氧溶解在發酵液中,再傳遞到細胞内的呼吸酶位置上而被利用。这一系列傳遞過程分为供氧和耗氧兩方面。 供氧:指空氣中氧氣從空氣泡里通過氣膜、氣液界面和液膜擴散到液體主流中。
  耗氧:指氧分子自液體主流通過液膜、菌絲叢、細胞膜擴散到細胞内。
  这種傳氧對那些細胞濃度很高、細胞的生長受到液體中氧限制的體系尤为重要。
氧傳遞過程中要克服的阻力有:
  ①從氣相主體到氣液界面的氣膜傳遞阻力1/kc,與空氣情況有關;
  ②氣液界面的傳遞阻力1/k1,與空氣情況有關,隻有具備高能量的氧分子才能透到液相中去,其餘的返回氣相;
  ③從氣液界面通過液膜的傳遞阻力1/kL,與發酵液的成分和濃度有關;
  ④液相主體的傳遞阻力1/kIB,與發酵液的成分和濃度有關,通常不作为重要阻力,因在液體主流中氧的濃度是假定不變的,但隻有在适當攪拌的情況下才这樣;
  ⑤細胞或細胞團表面的傳遞阻力1/kIc,與微生物的種類、生理特性狀态有關,但細菌和酵母的細胞不存在这種阻力,對于菌絲这種阻力是最为突出的;
  ⑥固熱界面的傳遞阻力1/ks,與微生物的生理特性有關;
  ⑦細胞團内的傳遞阻力1/kA;
  ⑧細胞壁的阻力1/kw;
  ⑨反應阻力1/kR,是指氧分子與細胞内呼吸酶系反應時的阻力,與微生物的種類、生理特性有關。
由于氧是難溶氣體,所以在供氧方面液膜是一個控制過程,即1/kL是較为顯著的,使氣泡和液體充分混合而産生湍流可以減少这方面的阻力。在耗氧方面阻力主要是1/kA與1/kW,即菌絲叢内與細胞壁阻力所引起的,但攪拌可以減少逆向擴散的梯度,因此也可以降低这方面的阻力。 細胞内反應阻力1/kR可随下列因素中任一種而産生:
  ①培養基成分與其相應的酶的作用失活。
  ②—些生理條件如溫度、pH等不适于酶的反應。
  ③一些代謝物的積累或其不能及時從反應處移去。
这些阻力的相對大小取決于流體力学特性、溫度、細胞的活性和濃度、液體的組成、界面特性以及其他因素。这些阻力有供氧方面的氧傳遞阻力,還有耗氧方面的阻力。而氧從空氣泡到細胞的總傳遞阻力是以上各項的總和。这些阻力不是等量齊觀的,而是有主次之分。當細胞以遊離狀态存在于液體中時,有的阻力消失,而當細胞吸附在氣液界面上時,則有的阻力消失。 本文參考《發酵工程原理與技術》一書。
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