第六章 发酵过程动力学基本概念

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1、2013-04-15教学要求掌握生化反应动力学的基本概念了解发酵过程动力学研究的内容及目的掌握发酵过程反应动力学掌握分批发酵动力学第六章发酵过程掌握连续发酵动力学动力学的基本概念掌握补料分批发酵动力学2013.03.29重点：发酵动力学的基本内容及其中的基本概念难点：Monod方程参数的求解动力学动力学是理论力学的一个分支学科，主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。对动力学的研究使人们掌握了物体的运动规律，能够为人类进行更好的服务。化学反应动力学研究各种物理、化学因素(如温度、压力、浓度、催化剂、流场和温场分布等)对反应速率的影响以及相

2、应的反应机理和数学表y达式等的学科。t12013-04-156.1生化反应动力学的基本概念6.1.1生化反应动力学细胞酶（游离或固定化）空气能量1、生化反应过程除菌副产品提取精制将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成生物催化剂生化反应器产品灭菌为可供工业生产的工艺过程，称为生化反应过程。预处理废物原料基质检测控制系统原料产物一般生化反应过程示意图2、生化反应动力学生物反应过程的效率取决于：生化反应动力学研究生化反应过程的速率及其影响因素，是生化反应工程学的生物催化剂的性能理论基础之一。反应过程的工艺控制和操作条件本征动力学（微观动力学）反

3、应器的性能宏观动力学（反应器动力学）主要研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的6.1.2发酵过程的主要特征1、微生物相互作用随时间而变化的规律。微生物是反应过程的主体：是生物催化剂，又用数学的模型定量地描述生物反应过程中影响细是一微小的反应器。胞生长、基质利用和产物生成的各种因素。微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系。反应体系中有细胞的生长，基质消耗和产物的生成，为生物反应过程的控制、小型试验数据的放大和有各自的最佳反应条件。微生物反应有多种代谢途径。提高反应过程的产物得率等提供理论依据。微生物反应过程中，细胞形态、组成要经历生长

4、、繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同菌龄有不同的活性。22013-04-152、发酵过程3、发酵过程的反应动力学多相：气相、液相和固相。是对细胞群体的动力学行为的描述。不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值，多组分：培养基中多种营养成分，多种代谢产物，在此基础上建立的模型称为确定论模型，反之称细胞内也具有不同生理功能的大、中、小分子化为概率论模型。合物。在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为复杂群体的生命活动。结构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做为过程变量。菌体视为单组分的模型为非非线性：细胞代谢过程是非线性过程。结

5、构模型，通过物料平衡建立关联模型。非结构模型结构模型最理想情况：均衡生细胞之间无差异，是均一不考虑细胞内部结构长的，细胞内有多个组分存在。确定论模型各种细胞均一细胞群体做为一种溶质BA实际情况：不考虑细胞内部结构均衡细胞内多组分；生长细胞之间不均一概率论模型各种细胞不均一DC对细胞群体的描述模型6.1.3发酵过程反应的描述例：1、常用术语得率－被消耗物质和所合成产物之间量的关系。每消耗1g葡萄糖得到0.51g菌体生长得率：消耗1g(mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重(g)，即Yx/s=－ΔX／ΔS。C6H12O62C2H5OH+2CO2产

6、物得率：消耗1g(mo1)基质所合成的产物g数(或mol数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量(S。－S)。32013-04-15注意基质比消耗速率(q，g(或mo1)／g菌体·h)：指每克s菌体在一小时内消耗营养物质的量。它表示细胞对速率营养物质利用的速率或效率。单位时间的变化产物比生产速率(qp，g(或mo1)／g菌体·h)：指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产比速率物的速度或能力，可以作为判断微生物合成代谢产单位时间单位菌体带来的变化物的效率。发酵周期：指接种开始至培养结束放罐这段时间。工业发酵的技术经济指

7、标分批容量产率发容量产率指的是单位时间内单位反应器容积酵的的产物量。容计算产率时，不仅应把合成产物所用时间考量虑进去，还应计入与生产相关的其他时间，即发产酵罐的维修、清洗、准备所用时间，灭菌时间，率以及接种后的延滞期时间，这样才能全面、客观地评估出工艺过程的成本效益。产物形成曲线的切线表示的是最大容量产率；连接原点和产物形成曲线终点的连线．其斜率表示的是总的平均容量产率。3、发酵过程反应速度的描述2、发酵过程反应的描述XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）ds基质的消耗速度：r(g.L-1.s-1)发酵研究

8、的内容：dtds菌种的来源——找到一个好的菌种基质的消耗比速：qsdt(h-1、s-1)X发酵过程的工