发酵工程江正兵6.第六章发酵过程动力学的基本概念ppt课件.ppt

第五章第五章 发酵过程动力学的根本概念〔简版发酵过程动力学的根本概念〔简版〕〕 发酵过程的反响描画及速度概念发酵过程的反响描画及速度概念 发酵过程动力学研讨的根本内容发酵过程动力学研讨的根本内容 菌体生长、产物构成、基质耗费动力菌体生长、产物构成、基质耗费动力学的根本概念学的根本概念 反响反响动动力学的运用力学的运用——延延续续培育的操作特性培育的操作特性第一节第一节 发酵过程的反响描画及速度概念发酵过程的反响描画及速度概念 XS〔底物〕 ─→ X〔菌体〕 ＋ P〔产物〕发酵研酵研讨的内容：的内容：菌种的来源菌种的来源——找到一个好的菌种找到一个好的菌种发酵酵过程的工程的工艺控制控制——最大限制最大限制发扬菌种的潜力菌种的潜力发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v发酵过程的反响描画及速度概念发酵过程的反响描画及速度概念基基质的耗的耗费速度：速度：发酵过程反响速度的描画基基质的耗的耗费比速：比速：(g.L-1.s-1)(h-1、s-1)单位位时间内内单位菌体耗位菌体耗费基基质或构成或构成产物〔菌体〕的量称物〔菌体〕的量称为比速，是生物反响中用于描画反响速度的常用概念比速，是生物反响中用于描画反响速度的常用概念 XS〔底物〕 ─→ X〔菌体〕 ＋ P〔产物〕发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v发酵过程的反响描画及速度概念发酵过程的反响描画及速度概念基质的耗费比速：基质的耗费比速：(h-1)菌体的生长比速：菌体的生长比速：产物的构成比速：产物的构成比速：(h-1)(h-1)发酵过程反响速度的描画发酵过程反响速度的描画 XS〔底物〕 ─→ X〔菌体〕 ＋ P〔产物〕发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v发酵过程的反响描画及速度概念发酵过程的反响描画及速度概念第二节 发酵反响动力学的研讨内容研讨反响速度及其影响要素并建立反响速度与影响要素的关联反响动力学模型反响器特性反响器特性+反响器的操作模型操作条件与反响结果的关系，定量地控制反响过程发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v发酵反响动力学的研讨内容发酵反响动力学的研讨内容已建立动力学模型的类型已建立动力学模型的类型q 机制模型：机制模型：根据反响机制建立根据反响机制建立几乎没有几乎没有q 景象模型景象模型〔 〔阅历阅历模型模型〕 〕：：目前大多数模型目前大多数模型 能定量地描画能定量地描画发发酵酵过过程程 能反映主要要素的影响能反映主要要素的影响发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v发酵反响动力学的研讨内容发酵反响动力学的研讨内容第三节第三节 微生物生长动力学的根本概念微生物生长动力学的根本概念一、微生物在一个密闭系统中的生长情况：一、微生物在一个密闭系统中的生长情况：时间菌体浓度菌体浓度延延迟期期指数生指数生长期期减速期减速期静止期静止期衰亡期衰亡期延延迟期：期：指数生指数生长期期: :倍增倍增时间：：td减速期减速期: :静止期：静止期： ; ;衰亡期:发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v微生物生长动力学的根本概念微生物生长动力学的根本概念二、微生物的生长动力学、Monod方程q 微生物的生微生物的生长长速度：速度：q q μ＝＝f(s,p,T,pH,……,)q 在一定条件下在一定条件下( (基基质质限制限制) )：：q μ μ＝＝f(S)f(S)发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v微生物生长动力学的根本概念微生物生长动力学的根本概念MonodMonod研研讨讨了基了基质浓质浓度与生度与生长长速度的关系速度的关系———Monod———Monod方程方程(1949)(1949)米氏方程:发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v微生物生长动力学的根本概念微生物生长动力学的根本概念Ksum/2um μ：菌体的生：菌体的生长长比速比速 S：限制性基：限制性基质浓质浓度度 Ks：半：半饱饱和常数和常数μmax: 最大比生最大比生长长速度速度单一限制性基质：就是指单一限制性基质：就是指在培育微生物的营养物中，在培育微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制对微生物的生长起到限制造用的营养物。

造用的营养物发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v微生物生长动力学的根本概念微生物生长动力学的根本概念Ksum/2umMonod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或： 这样经过测这样经过测定不同限制性基定不同限制性基质浓质浓度下，微生物的比生度下，微生物的比生长长速度，就可以速度，就可以经过经过回回归归分析分析计计算出算出Monod方程的两个方程的两个参数发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v微生物生长动力学的根本概念微生物生长动力学的根本概念例：在一定条件下培育大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l) 6 33 64 153 221μ(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在求在该培育条件下，求大培育条件下，求大肠杆菌的杆菌的μmaxμmax，，KsKs和和td?td?解：将数据整理：解：将数据整理：S/μ 100 .5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v微生物生长动力学的根本概念微生物生长动力学的根本概念μmax，＝，＝1.11 (h-1); Ks＝＝97.6 mg/Ltd＝ln2/ μmax＝0.64 h发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v微生物生长动力学的根本概念微生物生长动力学的根本概念第四节第四节 产物构成动力学的根本概念产物构成动力学的根本概念一、初级代谢产物和次级代谢产物一、初级代谢产物和次级代谢产物次次级代代谢产物：物：还有一有一类产物，物，对细胞的代胞的代谢功能没有明功能没有明显 的影响，普通是在的影响，普通是在稳定期构成，如抗生素等，定期构成，如抗生素等， 这一一类化合物称化合物称为次次级代代谢产物。

物初初级代代谢产物：微生物合成的主要供物：微生物合成的主要供应细胞生胞生长的一的一类物物质 如氨基酸、核苷酸等等，如氨基酸、核苷酸等等，这些物些物质称称为初初级 代代谢产物发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v产物构成动力学的根本概念产物构成动力学的根本概念二、二、GadenGaden对发酵的三分类与对发酵的三分类与PirtPirt方程：方程：〖 〖一一类发类发酵酵〗 〗 产产物的构成和菌体的生物的构成和菌体的生长长相偶相偶联联xp发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v产物构成动力学的根本概念产物构成动力学的根本概念〖 〖二二类发类发酵酵〗 〗 产产物的构成和菌体的生物的构成和菌体的生长长部分偶部分偶联联xp发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v产物构成动力学的根本概念产物构成动力学的根本概念〖 〖三三类发类发酵酵〗 〗 产产物的构成和菌体的生物的构成和菌体的生长长非偶非偶联联xp发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v产物构成动力学的根本概念产物构成动力学的根本概念〖〖PirtPirt方程〗方程〗 π＝＝a + bμq a=0、、b≠0：： 可表示一可表示一类发类发酵酵q a≠0、、b ≠ 0：： 可表示二可表示二类发类发酵酵q a≠ 0、、b=0：可表示三：可表示三类发类发酵酵发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v产物构成动力学的根本概念产物构成动力学的根本概念第五节第五节 基质耗费动力学的根本概念基质耗费动力学的根本概念SS1 菌菌体体S2 产产物物S3 维维持持 XS〔底物〕 ─→ X〔菌体〕 ＋ P〔产物〕+维持维持耗持耗费(m) ：指：指维持持细胞最低活性所需胞最低活性所需耗耗费的能量，普通来的能量，普通来讲，，单位分量的位分量的细胞胞在在单位位时间内用于内用于维持耗持耗费所需的基所需的基质的的量是一个常数。

量是一个常数发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v基质耗费动力学的根本概念基质耗费动力学的根本概念 XS〔底物〕 ─→ X〔菌体〕 ＋ P〔产物〕+维持m: 维维持耗持耗费费系数系数YP/s: 产产物物对对基基质质的的实际实际得率系数得率系数YX/s: 细细胞胞对对基基质质的的实际实际得率系得率系数数物料衡算：发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v基质耗费动力学的根本概念基质耗费动力学的根本概念o第六第六节 反响反响动力学的运用力学的运用——延延续培育的操作特性培育的操作特性延续反响器：延续反响器：流入速度流入速度=流出速度流出速度=F反响器内反响器内(V)全混流溶质浓度处处相等全混流溶质浓度处处相等发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v反响反响动力学的运用力学的运用————延延续培育的操作特性培育的操作特性V: 反响器内发酵液体积反响器内发酵液体积(L)X: 反响器内菌体浓度反响器内菌体浓度(g/L)So: 流加发酵液中基质的浓度流加发酵液中基质的浓度(g/L)S: 反响器内基质的浓度反响器内基质的浓度(g/L)F: 补料速度补料速度(L/h)发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v反响反响动力学的运用力学的运用————延延续培育的操作特性培育的操作特性o物料衡算〔延续培育的反响器特性〕物料衡算〔延续培育的反响器特性〕对菌体对菌体: :稳态稀释率(D):补料速度与反响器体积的比值(h-1)发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v反响反响动力学的运用力学的运用————延延续培育的操作特性培育的操作特性o物料衡算〔延续培育的反响器特性〕物料衡算〔延续培育的反响器特性〕对基质对基质: :稳态发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v反响反响动力学的运用力学的运用————延延续培育的操作特性培育的操作特性DμSσx延续培育操作的模型分析延续培育操作的模型分析↑↑↑↑↓最大D>μmax时会呵斥菌体的洗出发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v反响反响动力学的运用力学的运用————延延续培育的操作特性培育的操作特性延续培育的操作特性延续培育的操作特性发酵酵过程程动力学的根本概念力学的根本概念v反响反响动力学的运用力学的运用————延延续培育的操作特性培育的操作特性菌体消费率菌体消费率延续培育富集微生物的原理延续培育富集微生物的原理延延续培培育育中中，，最最终在在此此培培育育体体系系中中生生存存下下来来的的微微生生物物都都是是此此时辰辰对该种种底底物物表表现出出最最大大生生长的的微微生生物物〔或一个微生物生〔或一个微生物生态〕。

〕s0μ当只需当只需B时建立建立稳态：：μB=D,对应对应S0假假设引入微生物引入微生物A：：μ= μA (S0)μA >Dx添加添加s下降下降μA μB下降下降μB