发酵过程动力学的基本概念.ppt

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1、微生物反应动力学湖北工业大学生物工程学院1.微生物反应过程概论1.1.微生物反应过程的主要特征微生物是该反应过程的主体(2)微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系。典型的微生物反应模式湖北工业大学生物工程学院http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc湖北工业大学生物工程学院http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc(3)微生物反应是非常复杂的反应过程，这种复杂性主要表现在以下几方面。①反应体系中有细胞的生长，基质的消耗和产物的生成，三者的动力学规律既有联系，又有明显的差别。②微生物反应有多种代谢途径③微生物反应过程中，细胞

2、的形态、组成、活性都处在一动态变化过程。例如，在反应过程中，细胞要经历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同的菌龄，有不同的活性。从细胞组成分析，它包含有蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸等，这些成分含量大小也随着环境条件的变化而发生变化。上述这些因素，造成了描述、控制和开发微生物反应过程的复杂性。湖北工业大学生物工程学院http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc微生物反应可定性地表示为营养物→→→→→细胞+代谢产物（C源、N源、O2、无机盐等）（目的产物、中间产物、CO2等）化学元素的平衡方程式式中：CaHbOcNd是碳源的元素组成，CaHOrNd为无灰

3、干菌体的元素组成，Ca′Hβ′Or′Nβ′为代谢产物的元素组成。vs、vo、vN、vx、vp、vc、vw、vHv分别代表了碳源、氧、氨、菌体、代谢产物、二氧化碳、水和反应热的的计量系数。Hv为反应热。通过上述讨论可以看出，用元素平衡的方法来寻求其计量关系，将是十分复杂的。湖北工业大学生物工程学院http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc1.2模型的简化。主要简化的内容有下述几点。第一生物反应动力学是对细胞群体的动力学行为的描述，而不是对单一细胞进行描述。第二不考虑细胞之间的差别，而是取其性质上的平均值，在此基础上建立的模型称确定论模型；如果考虑每个细胞之

4、间的差别，则建立的模型为概率论模型。第三考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，则称为结构模型。如果把菌体视为单组分，则环境的变化对菌体组成的影响可被忽略，在此基础上建立的模型称为非结构模型。第四，如果将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模型称为分离化模型，如果把细胞和培养液视为一相——液相，则在此基础上所建立的模型为均一化模型。湖北工业大学生物工程学院http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc最理想情况：不考虑细胞内部结构；各种细胞均一；细胞群体做为一种溶质A细胞之间无差异，是均一的，细胞内有多个组分存在。B不考虑细胞内部结构；各种细胞不均一。C实际

5、情况：细胞内多组分；细胞之间不均一。D均衡生长均衡生长概率论模型确定论模型结构模型非结构模型平均细胞的近似平均细胞的近似图中D为细胞群体的实际情况，但由于在求解及分析中是最繁杂的，应用很困难。图中A为确定论的非结构模型，是最为简化的情况，通常也称为均衡生长模型。由于此模型既不考虑细胞内各组分，又不考虑细胞之间的差异，因此可以把细胞看成一种“溶质“，从而简化了细胞内外的传递过程的分析，也简化了过程的数学模型。这对于很多微生物反应过程的分析、特别是对过程的控制，均衡生长模型是可以满足要求的。图中B为确定论结构模型，C为概率论非结构模型，实际应用较少。湖北工业大学生物工程学院http://b

6、iotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc第五章发酵过程动力学的基本概念发酵过程的反应描述及速度概念发酵过程动力学研究的基本内容菌体生长、产物形成、基质消耗动力学的基本概念反应动力学的应用—连续培养的操作特性发酵过程动力学的基本概念第湖北工业大学生物工程学院http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc第一节发酵过程的反应描述及速度概念XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）发酵研究的内容：发酵过程反应的描述菌种的来源——找到一个好的菌种发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力发酵过程动力学的基本概念发酵过程的反应描述及速度概念湖北

7、工业大学生物工程学院http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc基质的消耗速度：发酵过程反应速度的描述基质的消耗比速：(g.L-1.s-1)(h-1、s-1)单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）发酵过程动力学的基本概念发酵过程的反应描述及速度概念湖北工业大学生物工程学院http://biotech.ecust.edu.