生物工艺原理第二版课件 教学课件 作者 贺小贤 主编 课件工艺原理(第六章 .ppt

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1、生物反应一种是使底物在酶（游离酶或固定化酶）的作用下进行反应，如淀粉的液化、异构糖的生产、无侧链青霉素（6-APA）的制造等。另一种是通过细胞的培养，利用细胞中的酶系，把培养基中的物质通过复杂的生物反应转化成新的细胞及其代谢产物。重点第六章生物反应动力学生物反应动力学研究生物反应的规律制定合理地工艺控制策略目的优选最佳发酵工艺参数为分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据生物反应过程的效率生物催化剂的性能反应过程的工艺控制和操作条件反应器的性能生物反应动力学的研究内容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

2、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一节生物反应基本概念及动力学的描述S（基质）─→X（菌体）＋P（产物）生物反应过程：生物过程反应速度的描述：菌体生长速率/菌体比生长速率基质消耗速率/基质比消耗速率产物形成速率/产物比形成速率一、基本概念1.维持因子：单位质量的干菌体在单位时间内因维持代谢消耗的基质量。m2.得率系数:S-基质，P-产物X-菌体以消耗一定量的某种物质获得另一种物质量3.速率:描述变化的快慢如菌体生长速率、基质消耗速率、产物形成速率。4.生产率:单位时间产物浓度二、生产过程反应速度的描述（一）菌体生长速率微生物的生长速

3、率与微生物的浓度X成正比。式中：vx——菌体生长速率，g/(L·h)；——微生物的比生长速率比生长速率除受细胞自身遗传信息支配外，还受环境因素的影响。典型微生物的比生长速度与倍增时间µm随微生物的种类和培养条件的不同而不同。一般来说，细菌的µm大于真菌而就同一细菌而言，培养温度升高，µm增大；营养物质的改变，µm也要发生变化，通常容易被微生物利用的营养物质，其µm较大，随着营养物质的降低，µm则逐渐变小。微生物生长速度与底物之间有一定的关系。生产过程反应速度的描述（二）基质消耗速率以菌体得率系数为媒介，可确定基质的消耗速率与生长速率的关系。基质的消

4、耗速率可表示为：式中：YX/s—菌体得率系数[g/mol]。基质的消耗速率常以单位菌体来表示，称为基质的比消耗速率，以来表示：但当基质既是碳源又是能源时，就应考虑维持能量。生产过程反应速度的描述（三）代谢产物的生成速率分泌于培养液中代谢产物保留在细胞内当以单位重量为基准时，称为产物的比生成速率，记为Q，相关式为：式中：vp-为产物形成速率；X-菌体浓度。基质的消耗比速(h-1)菌体的生长比速产物的形成比速生产过程反应速度的描述三种比速关系YX/S--以基质的消耗为基准的菌体得率系数YP/S--以基质的消耗为基准的产品得率系数第二节生物反应模式与发酵方

5、法一、生物反应模式生长偶联型pxxp非偶联型混合型xp根据产物形成与基质消耗关系Ⅰ产物形成直接与基质(糖类)消耗有关酒精发酵、乳酸发酵、酵母培养等Ⅱ产物形成与基质(糖类)消耗间接有关柠檬酸、丙酮、丁醇等ⅡI产物形成与基质(糖类)消耗无关青霉素、链霉素、糖化酶、核黄素等的发酵1．偶联型：代谢产物的生产速率与生长直接有关，合成的产物通常是分解代谢的直接产物。如果是酶的生产，mRNA的稳定性如何？2.混合型：生长与产物生成部分相关。Q：考虑该产物的合成是否受分解代谢物的阻遏？3.非生长偶联型：细胞生长时，无产物，但细胞停止生长后，则有大量产物积累，产物的形

6、成速度只与细胞积累量有关。菌体生长阶段与产物合成阶段是分开的。可能是由于受分解代谢物阻遏作用的影响。二、发酵操作方法（一）分批发酵法（batchfermentation）指在发酵过程中，除了不断进行通气（好氧发酵）和为调节发酵液的pH而加入酸、碱溶液外，与外界没有其它物料交换的一种发酵方式。培养基的量一次性加入，产品一次性收获。特点：微生物所处的环境是不断变化的；发生杂菌污染能够很容易终止操作；当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易改变处理对策。图6–1锥底立式发酵罐1—洗涤CO2入口2—取样口3一压力表4—排气5—安全阀6—人孔7—洗涤器8—冰盐

7、水出口9—冰盐水入口10-啤酒出口11一麦芽汁入口(或啤酒出口)12-人孔门优点：①对温度的要求低，工艺操作简单；②比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题；③对营养物的利用效率较高，产物浓度也比连续发酵要高。缺点:①人力、物力、动力消耗较大；②生产周期较长，由于分批发酵时菌体有一定的生长规律，都要经历延滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期，而且每批发酵都要经菌种扩大发酵、设备冲洗、灭菌等阶段；③生产效率低，生产上常以体积生产率（以每小时每升发酵物中代谢产物的g数来表示）来计算效率，在分批发酵过程中，必须计算全过程的生产率，即时间不仅包括发酵时间，而且也包括

8、放料、洗罐、加料、灭菌等时间。（二）连续发酵法（continuousfermentation）当微生物培养到