第五章 发酵过程动力学的基本概念 2

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1、第五章微生物发酵动力学第三节微生物生长动力学分批培养动力学1）分批式操作2）半分批式操作3）反复分批式操作4）反复半分批式操作连续培养动力学分批式操作底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出（图a）。反复分批式操作分批操作完成后取出部分反应系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作进行如图b。半分批式操作又称流加操作，是指先将一定量基质加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入反应器中，反应开始，反应过程中将特定的限制性基质按照一定要求加入到反应器内，以控制限制性基质保持一定，当反应终止时取出反应物料的操作方式(图c)。反复半分批式操作反复半分批式操作

2、是指流加操作完成后，不全部取出反应物料，剩余部分重新加入一定量的基质，再按照流加操作方式进行，反复进行。其培养过程中基质体积变化曲线如图d所示。连续式操作是指在分批式操作进行到一定阶段，一方面将基质连续不断地加入反应器内，另一方面又把反应物料连续不断的取出，使反应条件（如反应液体积等）不随时间变化的操作方式。活性污泥法处理废水、固定化微生物反应等多采用连续式操作。连续培养过程中基质体积变化曲线如图e所示。分批培养动力学一、微生物在一个密闭系统中的生长情况：时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期延迟期：指数生长期:减速期:静止期：;衰亡期:二、微生物的生长动力学、Monod方程

3、微生物的生长速度：μ＝f（S、P、T、pH、……）在一定条件下(基质限制)：μ＝f(S)Monod研究了基质浓度与生长速度的关系———Monod方程(1949)μ米氏方程:μ：菌体的生长比速率S：限制性基质浓度Ks：半饱和常数μmax:最大比生长速率μ限制性基质：就是指在培养微生物的过程中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。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，微生物的比生长速率，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(mgl-1)63364153221μ(h-

4、1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks?解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221μmax＝1.11(h-1);Ks＝97.6mgl-1流加操作（半分批式操作）流加操作的优点是能够任意控制反应液中基质浓度，这与分批操作明显不同。流加操作的要点是控制基质浓度，因此核心问题是流加什么和怎么流加。在工程上要特别注意后者。从流加方式上看，流加操作可分为无反馈控制流加操作与反馈控制流加操作。前者包括定流量流加、指数流加和最优流加量流加操作等。后者分为间接控制、直接控制、定值控制和程序控制等流加操

5、作。流加操作无论采用哪一种流加方式，一旦特定基质加入到反应器后，反应液体积就会发生变化，此时的状态方程：无反馈控制流加操作采用这种方式时，基质的流加按预先设置好的条件进行。因此，表达系统的数学模型是否正确成为反应成败的关键。最简单的微生物的生长反应速率为：作为流加基质的平衡式，有无反馈控制流加操作培养液体积变化的方程式为：如果流加的基质能够迅速并完全被菌体所消耗，并且维持代谢为零。由于基质流加量与基质消耗量相等，可认为无反馈控制流加操作因此，对于所给基质的浓度，菌体浓度近似一定，即dX/dt=0时，由上式，可以认为例题2、流加基质为葡萄糖，培养大肠杆菌。流加培养开始时的V0=1.0L

6、，Sin=80g/L，F=0.2L/h，反应方程可以用Monod方程来表示，其中µm=0.2h-1，KS=1.0g/L，YX/S=0.6g/g（以细胞/葡萄糖计）。流加培养2h后，求1)此时的培养液体积?2)拟稳状态下反应器中葡萄糖浓度?3)反应完成时反应器中的菌体浓度?连续培养根据达成稳定状态的方法不同，分为三类：恒化器法：指在连续培养过程中，基质流加速度恒定以调节微生物细胞的生长速率与恒定流量相适应的方法。恒浊器法：指预先规定细胞浓度，通过基质流量控制，以适应细胞既定浓度的方法。营养物恒定法：指通过流加一定成分，使培养基中的营养成分恒定的方法。连续培养从设备上分类：罐式和管式使用

7、的菌种：循环式和非循环式操作方式：单级或多级连续培养连续培养连续培养优点：1）可以提高设备利用率和单位时间产量，保持一定时期稳定状态。2）发酵中各参数趋于恒值，便于自动化控制。3）易于分期控制，可在不同罐中控制不同条件。连续培养—恒化器法连续操作单级连续培养培养系统中，流入液中仅一种成分为微生物生长的限制性因子，其他成分在不发生抑制的条件下充分存在。培养过程中，菌体、限制性基质及产物的物料衡算式为：变化量=流入量+生成量-流出量由于流入液中菌体和产物的浓度