高中生物课件第一章生物反应器111
133页1、第六章 典型发酵过程动力学 及模型l第一节 概述l第二节 细胞生长及代谢过程动力学l第三节 生物反应器的基本类型第一节 概述l l微生物发酵的实质是生化反应,研微生物发酵的实质是生化反应,研 究发酵动力学就是研究微生物的生究发酵动力学就是研究微生物的生 化反应动力学。化反应动力学。l l主要研究方法:主要研究方法:l l利用数学模型定量描述发酵过程中利用数学模型定量描述发酵过程中 影响细胞生长、基质利用和产物生影响细胞生长、基质利用和产物生 成的各种因素。成的各种因素。l l可分为:分批发酵、补料分批发酵可分为:分批发酵、补料分批发酵 和连续发酵。和连续发酵。l l此外发酵动力学又是化学工程的一此外发酵动力学又是化学工程的一 个分支,其中除了化学反应工程要个分支,其中除了化学反应工程要 在下面较详细的介绍以外在下面较详细的介绍以外( (结合生物结合生物 化学反应工程化学反应工程) ),化学工程还包括下,化学工程还包括下 面几个重要的内容:面几个重要的内容:(1) 流体的输送及混合。其核心问题是流体之间动量的传递、机械能 的转化。(2) 热量的传递。对于生物反应器要考虑发酵热的传出以及发
2、 酵蹈温度的控制。所用的手段多采用间壁的传热 。其传热量大小决定于冷热两流体的温度差及其 接触面积的大小。(3) 物质的传递。在生物反应器内进行着各种物质传 递过程,如细胞内外物质的交换、营养 物到细胞的传递、氧从气泡到细胞的传 递、二氧化碳从细胞到气泡的传出。这 些传递过程的强度主要由浓度差以及扩 散(传递)的面积决定。第二节第二节 细胞生长及代谢过程动力学细胞生长及代谢过程动力学一、细胞生长的特点、描一、细胞生长的特点、描 述方法的分类述方法的分类 二、均衡生长模型二、均衡生长模型 三、其它模型三、其它模型一、细胞生长的特点、描述方法的分类一、细胞生长的特点、描述方法的分类l 动力学研究的目的是要定量地描述 过程的速率以及影响过程速率的诸 因素。生物过程动力学研究的主要 问题是生物反应的速率,特别是细 胞生长的速率、各种基质组分消耗 的速率、代谢产物的生成速率。 (1) 反应速率 l单位时间物质浓度的变化量。如细 胞的生长速率可表示为dxdc,其 中x为细胞浓度(g/L),t为时间(h) ;l代谢产物的生成速率为dpdt,基 质的消耗速率为-ds/dt,其中p及s 分别为产物和基质
3、(碳源、氮源等) 的浓度。(2) (2) 得率系数得率系数l两种物质得失之间的计量比。如菌体生 成量(生物量)对基质消耗量的得率系数Yx/s-dxds,l而产物生成量对基质消耗量的得率系数Yp/s-dpds 。特别值得一提的有两点:特别值得一提的有两点:l一是上面定义式给的是微分量的关系, 即得率系数可能随着生物培养进程有变 化,其原因主要是代谢途径有所变化。 对于较简单的过程有时得率系数随时间 变化不大,也可以把得率系数表示为变 化总量之间的关系,如Yx/s-x s ;l第二点是在分析代谢过程时常用一个特 殊的得率系数呼吸商,它是释放出 二氧化碳的摩尔数与消耗氧的摩尔数之 比。(3) (3) 比速率比速率l是单位质量的菌体单位时间引起某物质浓度 的变化量。l如菌体的比生长速率 l基质的比消耗速率qs l产物的比生成速率qp 。在作动力学分析时比速率的概念是很重 要的,它表示菌体活力的大小,能力的大小 。(4) (4) 理想流动与非理想流动理想流动与非理想流动 l前已说过动力学讨论的是生物反应 速率与各环境因素之间的关系,在 研究中我们希望确切知道在生物反 应器内各点环境因素的值。但实
4、际 生物反应器尤其是较大的生物反应 器由于混合、传热等需要时间,其 内部往往不是均一的,给研究造成 困难。在研究小型反应器时根据其流动待点分为 两种理想流动模式;一是全混式,即反应器内各点浓度及其它条件均一;二是活塞流式,即反应器内物质沿一定方向流动,完全 没有反向混合。讨论反应动力学时常常假定生物反应 是在全混的状态下进行的。而实际反应装置因其流动 特点常常介于上述两种理想流动之间,讨论及计算比 较复杂。生物反应过程的核心问题是细胞的生长l 细胞的生长(繁殖)、代谢是一个复杂 的生物化学过程,既包括有各种细胞内 的生化反应、胞内与胞外的物质交换, 也包含有胞外的物质传递及生化反应。 与一般化学工程不同,这个反应体系的 特点是多相、多组分、非线性的体系。 多相指的是体系内常含有气相、液相以 及菌体(固)相,而各相状态及物理性质 不同,相内的反应及传递各有特点,相 间还有复杂的相互作用。l多组分反映的是在培养液内有各种 营养成份,也有代谢排出的各种产 物,在胞内更有具有不同生理功能 的大、中、小分子化合物。非线性 指的是细胞的代谢过程通常不能用 线性方程或方程组来描述,即使简 化模型中的
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