发酵工程 第七章 发酵动力学.ppt

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1、第七章发酵动力学生物反应分类一、通过细胞培养，利用细胞产生的酶系统，把培养基中的物质转化成新的细胞及其代谢产物。底物新的细胞+代谢产物二、在酶的作用下，底物反应生成产物。淀粉糊精+低聚糖细胞淀粉酶发酵的目的获得产物，提高发酵生产率，即提高微生物的催化与转化能力。降解有害底物，保护环境。降解废弃底物，形成生物能源产品。降解长链烃底物形成发酵产物，促进采油。发酵研究的关键问题提高生物催化与转化能力。分子水平酶催化反应活性酶基因表达调控细胞水平一系列酶促反应的交互细胞水平的综合细胞生长、底物消耗、产物合成反应器水平一系列细胞酶促反应的集成规模放大对细

2、胞及分子水平的影响及控制优化发酵过程达到高产目标的方法提高转化率和效率的三个方面。发酵动力学研究对现有微生物本征动力学认识，弄清不同水平的主要影响因素和控制措施。菌种选育改造、修饰和构建工程措施反应器结构及操作性能优化，提高混合、传热、传质以及细胞间的信号传递，调控细胞群体的发酵能力。发酵动力学研究方法基于细胞水平展开，包括活细胞、休眠细胞（休止细胞或静止期细胞）和死亡细胞形成产物过程的定量研究。什么是发酵动力学？发酵动力学：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：

3、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。一、认识发酵过程的规律；二、合理设计的发酵过程，确定最优发酵过程参数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧，等等，确定最佳发酵工艺条件；三、提高发酵产量、效率和转化率等。研究发酵动力学的目的生化反应：aA+bBcC+dD反应动态平衡改变条件破坏平衡如何能最快最多的获得目的产物温度酸碱度浓度催化剂如何确定高产高效的最佳条件？？采用反应动力学方法进行定量研究动力学主要探讨反应速率问题：课程重点：主要针对微生物发酵的表观动力学

4、，通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率，主要包括：细胞生长动力学底物消耗动力学产物合成动力重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达到认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。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什么是分批发酵？分批发

5、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。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。典型的分批发酵工艺流程图分批发酵过程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特征。因此，菌龄是指一个群体的表观状态。关于菌龄

6、的描述分批发酵动力学细胞生长动力学基质消耗动力学产物形成动力学微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细胞数量在单位时间内的增加量来表示（μ、μn）：或或X—细胞浓度（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lag:x不变,即exp:(假定无抑制作用存在)分批发酵动力学-细胞生长动力学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-

7、细胞生长动力学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↓分批发酵动力学-细胞生长动力学比生长素率μ限制性底物残留浓度St残留的限制性底物浓度对微生物比生长率的影响表征μ与培养基中残留的生长限制性底物St的关系Monod方程：Ks—底物亲和常数，等于处于1/2μm时的底物浓度，表征微生物对底物的亲和力，两者成反比。酶促反

8、应动力学－米氏方程：受单一底物酶促反应限制的微生物生长动力学方程－Monod方程：Monod方程应用：测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值）实验确