发酵与酿造工程学基础及主要设备

《发酵与酿造工程学基础及主要设备》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第二节微生物发酵动力学一、发酵动力学概论1.发酵动力学研究的内容发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。研究内容：包括了解发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产物生成速率的相互关系，环境因素对三者的影响，以及影响其反应速度的条件。具体包括细胞生长和死亡动力学基质消耗动力学氧消耗动力学CO2生成动力学产物合成和降解动力学代谢热生成场动力学以上各方面不是孤立的，而是既相互依赖又相互制约，构成错综复杂、丰富多彩的发酵动力学体系2.研究发酵动力学的目的（1）以发酵动力学模型作为依据，合理设计的发酵过程，

2、确定最佳发酵工艺条件（2）利用电子计算机，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺参数，确立发酵过程中菌体浓度、基质浓度、温度、pH、溶氧等工艺参数的控制方案，从而使生产控制达到最优化，（3）在此研究基础上进行优选，为试验工厂数据的放大、为分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。3.相关术语（1）得率(或产率，转化率，Y)：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重(g)。产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或m

3、ol数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质量。转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。(2)比速率基质比消耗率（mol/g·h）系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的比率。表示细胞对营养物质利用的速率或效率。菌体比生长率（mol/g·h）系指每克菌体在一小时内增加菌体的比率。表示细胞的繁殖速率。产物比消耗率（mol/g·h）系指每克菌体在一小时内合成产物的比率，它表示细胞的生产能力或合成产物的速度，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。(3)发酵周期实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间

4、。工业生产周期，计算劳动生产率时则应把发酵罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间计算在内，以反映发酵设备的利用效率。即从第一罐接种经发酵结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵周期。二、微生物发酵动力学1.微生物生长曲线微生物生长包括细胞体积增大和细胞数量增加典型单细胞微生物的生长曲线如下图(1)延滞期把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的最初一段时间里，尽管微生物细胞的重量有所增加，但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞期。(2)对数生长期对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间内其细胞数目将成倍增加。而对于丝状微生物而言，单位时间

5、内其生物量将加倍。此时，如以细胞数目或生物量的对数对时间作一半对数图，将得一直线，因而这一时期称作指数生长期。(3)稳定期在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在不断积累。受此影响，微生物的生长速率和比生长速率就会逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳定期。处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变；但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的组成物质还在不断变化。(4)衰亡期在衰亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开始死亡。这时，以生存细胞的数目的对数对时间作

6、半对数图，可得一直线，这说明微生物细胞的死亡呈指数比率增加。在发酵工业生产中．在进入衰亡期之前应及时将发酵液放罐处理。2.微生物生长动力学（1）Monod方程式Monod方程式是应用最普遍的微生物生长方程式，其曲线、方程如下μμ——比生产率，1/hμm——最大比生产率，1/hKs——饱和常数，g/LμmS——生长限制基质浓度，g/Lμm/2Kss由图可知，饱和常数Ks是比生长率μ达最大比生长率μm值一半时的生长限制基质浓度。s→∞，理论上μ→μmMonod方程式适用于条件适用于单一基质限制及不存在抑制性物质的情况，其他营养是过量的，且没

7、有抑制物的生成。Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或：这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，和Ks?解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221μmax，＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/L（2）细胞死亡动力学微生物在

8、培养过程中，由于基质的限制，部分细胞会发生死亡和自溶，其死亡曲线、方程如下μdμd——细胞比死亡率，1/hμdmμdm——最大细胞比死亡率，1/hKd——细胞死亡常数，g/Lμdm/2Kds三、发酵过程动力