发酵工程第六章发酵动力学

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1、第六章发酵动力学什么是发酵动力学？发酵动力学：是对微生物生长和产物形成过程的定量描述，研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系，定量描述微生物生长和产物形成过程。主要研究：1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及其转化率、效率等；2、影响发酵动力学参数的各种理化因子；3、发酵动力学的数学模型。认识发酵过程的规律优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧，等等提高发酵产量、效率和转化率等研究发酵动力学的目的发酵动力学研究的基本过程首先研究微生物生长和产物合成限制因子；建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；确定模型参数；实验验

2、证模型的可行性与适用范围；根据模型实施最优控制。本章主要内容分批发酵动力学连续发酵动力学补料分批发酵动力学6.1分批发酵动力学分批发酵动力学主要研究微生物在分批发酵过程中生长动力学、基质消耗动力学和代谢产物生产动力学。什么是分批发酵？分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。典型的分批发酵工艺流程图分批发酵过程分批发酵动力学细胞生长动力学底物消耗动力学产物形成动力学微生物细胞倍增时间与群体生长动力学细菌：典型倍增时间1hr酵母：典型倍增时间2hr放线菌和丝状真菌：典型倍增时间4－8hr微生物细胞群体生长动力学是反映整个群体的生长特征，而不是单个微生物生长倍增的

3、特征。因此，菌龄是指一个群体的表观状态。关于菌龄的描述所谓细胞生长动力学是以研究菌体浓度、限制性基质（培养基中含量最少的基质，其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、温度和pH等对菌体生长速率的影响为内容的。在分批发酵中，菌体浓度X,产物浓度P和限制性基质浓度S均随时间t变化三、微生物生长速率与底物浓度的关系分批发酵过程中，微生物生长通常要经历：延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止期）和衰亡期五个时期。t1t2t3t4t5分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线菌体浓度X时间t分批发酵动力学-细胞生长动力学ABOUTLAGPHASE（延迟期）在发酵工业生产中，为了提高生产效率，希望延迟期缩短，

4、要达到该目的，应一般遵循下列规则：(1).接种的微生物应尽可能是高活力的。要用处于对数期的微生物作种子.(2)种子培养基和条件应尽可能接近生产上使用的发酵液组成和培养条件。(3)建议采用大接种量。因细胞内部的某些维生素和辅酶等生长素，向周围培养液扩散，从而降低细胞的活性，延长延迟期。AboutExponentialPhase：对数生长期的微生物生长速率正比于原有的微生物数，微生物生长特性通常以细胞浓度或细胞数量倍增所需的时间来表示，因此可以直接得出微生物的基本生长动力学方程：μx=，μ=。指数生长期微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细胞数量倍增所需要的时间来表示（μ、μn）：或或X—细胞浓度

5、（g/L）；N—细胞个数；t—生长时间；X0、Xt—初始微生物浓度和t时细胞浓度；N0、Nt—初始细胞个数和t时细胞个数；—以细胞浓度表示的比生长速率；—以细胞数量表示的比生长速率。分批发酵动力学-细胞生长动力学经过一段时间的培养后，由于营养的限制，微生物生长速率逐渐衰减，即进入生长衰减期，最终出现微生物净生长速率为零，微生物进入静止期。稳定期细胞生长和死亡处于动态平衡，净生长速率为0.衰亡期，比死亡速率大于比生长速率。μ在对数期是常数，取得最大值，在其它生长期不是常数。分析各生长不同时期的μ数值。LagPhase：x无净生长，μ＝0；加速生长期：x增加，μ2＞μ1；ExponentialP

6、hase：x对数增加，μ＝常数；减速生长期：x增加缓慢，μ4＜μ3；StationaryPhase：x无净生长，μ＝0；DeathPhase：x减少，μ＜0。在分批发酵体系中，可以通过探究在一定底物浓度范围内的微生物生长情况，来了解微生物生长受底物浓度限值的特性。分批发酵中初始底物浓度对稳定期菌体浓度的影响A～B区：菌体浓度与初始底物浓度成正比，有：X为菌体浓度，为针对底物的细胞得率，初始X0为零；S0为底物初始浓度；St为底物残留浓度。B～C区：随S0增加，菌体浓度达最高水平，再增加S0，菌体不再增加。C区：菌体活性受初始高浓度底物及高渗作用抑制，菌体浓度与初始底物浓度成反比。高浓度底物抑

7、制的情形Decline（开始出现一种底物不足的限制）:(1)若不存在抑制物时Monod模型:分批发酵动力学-细胞生长动力学式中:S—限制性基质浓度，mol/m3Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生物对底物的亲和力,mol/m3；Ks越大，亲和力越小，µ越小。①当S较高时，(对数期满足S>>10Ks)，此时，µ=µm②当S较低时，(减速期，S<<10Ks)，此时S↓，µ↓∴减速期，µ↓分批发酵动力