第五章-发酵过程动力学的基本概念.ppt

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1、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：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的反应描述及速度概念基质的消耗速度：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）

2、基质的消耗比速：(h-1)菌体的生长比速：产物的形成比速：(h-1)(h-1)发酵过程反应速度的描述XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）发酵过程的反应描述及速度概念第二节发酵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+反应器的操作模型操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程发酵反应动力学的研究内容已建立动力学模型的类型机制模型：根据反应机制建立----几乎没有现象模型（经验模型）：目前大多数模型能定量地描述发酵过程能反映主要因素的影响发酵反应动力学的研究内容第三节微生物生长动力学的基本概念一、微生物在一个密闭系统中的生长情况

3、：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:微生物生长动力学的基本概念典型微生物的生长速度二、微生物的生长动力学、Monod方程微生物的生长速度：μ＝f(s,p,T,pH,……,)在一定条件下(基质限制)：μ＝f(S)微生物生长动力学的基本概念smaxKsMonod研究了基质浓度与生长速度的关系———Monod方程(1949)米氏方程:微生物生长动力学的基本概念菌体的生长比速S限制性基质浓度Ks半饱和常数max最大比生长速度单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。微生物生长动力学的基本概念

4、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，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。微生物生长动力学的基本概念例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221微生物生长动力学的基本概念max＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h微生物

5、生长动力学的基本概念第四节产物形成动力学的基本概念一、初级代谢产物和次级代谢产物次级代谢产物：还有一类产物，对细胞的代谢功能没有明显的影响，一般是在稳定期形成，如抗生素等，这一类化合物称为次级代谢产物。初级代谢产物：微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级代谢产物。产物形成动力学的基本概念〖Pirt方程〗π＝a+bμa=0、b≠0：可表示一类发酵，产物的形成和菌体的生长相偶联a≠0、b≠0：可表示二类发酵，产物的形成和菌体的生长部分偶联a≠0、b=0：可表示三类发酵，产物的形成和菌体的生长非偶联产物形成动力学的基本概念二、Gaden对发酵的分类与P

6、irt方程：第五节基质消耗动力学的基本概念SS1菌体S2产物S3维持XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+维持维持消耗(m)：指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。基质消耗动力学的基本概念XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+维持m:维持消耗系数YP/S:产物对基质的理论得率系数YX/S:细胞对基质的理论得率系数物料衡算：基质消耗动力学的基本概念连续反应器：流入速度=流出速度=F反应器内(V)全混流,溶质浓度处处相等第六节反应动力学的应用——连续培养的操作特性V:反应器内发酵液体积(L)X:反应器内菌体浓度(g/

7、L)SF:流加发酵液中基质的浓度(g/L)S:反应器内基质的浓度(g/L)F:补料速度(L/h)物料衡算（连续培养的反应器特性）对菌体:稳态稀释率(D):补料速度与反应器体积的比值(h-1)反应动力学的应用——连续培养的操作特性物料衡算（连续培养的反应器特性）对基质:稳态稀释率(D):补料速度F与反应器体积V的比值(h-1)反应动力学的应用——连续培养的操作特性↓DμSσX连续培养操作的模型分析↑↑↑↑最大D>μmax时会造成菌体的洗出反应动力