《发酵动力学》课件

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1、研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应器特性反应器的操作模型操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程。第五章发酵动力学研究对象：菌体生长、基质消耗、产物生成三者间的动态平衡及内在规律。研究目的：①进行最佳发酵工艺条件的优选和控制，如发酵过程中菌体浓度、基质浓度、温度、pH值、溶解氧等工艺参数；②根据发酵动力学模型来设计程序，模拟最合适的工艺流程和发酵工艺参数，使生产控制达到自动化和最佳化；③为试验工厂数据的放大和分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。第一节微生物生长代谢过程中的质量平衡一、微生物

2、反应(生长代谢)过程中的碳平衡微生物反应通式：碳源＋氮源＋O2→菌体＋产物＋CO2+H2O微生物代谢的化学分子反应可表示为：CHmOn+aNH3+bO2→Yc·CHxOyNz+Ycp·CHuOvNw+(1-Yc-Ycp)CO2+dH2OYc：是与碳相关的菌体得率，Ycp：是与碳相关的代调产物的得率。根据反应平衡原理有：a＝Yc·z+Ycp·wb＝(1-Yc-Ycp+m/4-n/2)+(Ycp/4)·(2v+3w-u)+(Yc/4)(2y+3z-x)d＝m/2+(Ycp/2)(3w-u)+(Yc/2)(3z-x)10-2式1、最低培

3、养基与完全培养基(1)二者的概念；最低培养基：培养基是由单一碳源葡萄糖与无机盐组成，葡萄糖在微生物生长过程即作为生长所需能源，又作为构成菌体的材料完全培养基：在培养基内不但含有碳源和无机盐，还含有构成菌体所需的材料，如酵母膏等(2)微生物对两种培养基的用途不同。2、代谢过程中基质和产物之间的C素平衡根据基质的变化情况可建立如下平衡关系：CS=CX+CP+CCO2如果用α1、α2、α3、α4表示基质、菌体、CO2、产物中碳的含量(g碳/mol)则，上述平衡也可表示为：（微生物的基质消耗比速）（微生物的生长比速）（微生物的CO2生成比

4、速）（微生物的产物生成比速）若定义：则，上式可简化为：由上式可以判断代谢途径：此值接近1，说明估计途径基本正确；小于0.6，则途径有误差。3、微生物生长过程中的主要基质——碳平衡在以糖为碳源的生长过程中，消耗的碳(△S)主要用来：(1)满足菌体生长(个体增加)的需要，(△S)G；(2)维持菌体生存(能量)的消耗，(△S)m；(3)转变为代谢产物所消耗，(△S)P；则可表示为：若用YG—表示用于微生物生长的部分碳源对菌体的得率常数；m—表示微生物的碳源维持常数；YP—表示用于微生物产物合成部分碳源对代谢产物的得率常数；则有所以：--

5、-----------式（10-7）在以细胞为目的产物的发酵生产中，如果忽略代谢产物的量，则有：mμ(h-1)YG－1用μ对ν作图，得直线，可求得维持常数m，用于微生物生长的碳源对菌体的得率常数YG的倒数。如下图所示：若定义YX/S为基质对菌体的得率，即：则：而：⇒即有：用μ-1对作图，也得直线。YG－1斜率＝mμ-14、细胞物质生产过程中碳源的化学平衡YG越接近YX/S，说明碳源转化为菌体的效率越高。注意理解YX/S与YG的区别5、微生物生长过程中进行碳衡算的意义(1)为提高生产水平提供依据。(2)为建立发酵动力学模型奠定基础。

6、(3)为探求X的代谢调控方式打下基础。二、生长代谢过程中的ATP循环与氧平衡1、ATP循环合成代谢分解代谢维持代谢ATPADP繁殖2、ATP的产生——生物氧化底物水平磷酸化(获得能量少)电子传递水平磷酸化(获得能量多)底物水平磷酸化H2OPi底物水平磷酸化NADH呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c-c1-aa3FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3Co

7、QH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸3、微生物生长代谢过程中的氧平衡根据单一碳源培养基内，可建立下列平衡：A(-△S)=B(△X)+C(△P)+(△O2)式中：A、B、C分别为对应物质完全氧化时的需氧量.△O2为微生物生长代谢的耗氧量由此可得到M培养时氧平衡式为（假设没有产物生成）：即：-------------式（10-10）△O2单位时间内维持生命活动的耗氧：m0X△t生长菌体的耗氧：△X/YGOYGO用于菌体生长的氧对菌体的得率则有：△O2＝m0X△t＋△X/YGO-----（10-11）根据定义并结合10-11式

8、，有：-------------式（10-12）Xm0μ(h-1)YGO－1当：由实验求得微生物的某一生长比速μ对其所对应的耗氧比速Qo2作图时，可得到一直线(如下图所示)，可确定相应的参数mo和1/YGO。-------------式（10-7）