发酵工程江正兵6发酵过程动力学的基本概念简版.pptx

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1、第五章第五章 发酵过程动力学的基本概念发酵过程动力学的基本概念（简版）（简版） 发酵过程的反应描述及速度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、基质消耗动力菌体生长、产物形成、基质消耗动力学的基本概念学的基本概念 反应动力学的应用反应动力学的应用连续培养的操作特性连续培养的操作特性第一节第一节 发酵过程的反应描述及速度概念发酵过程的反应描述及速度概念 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）发酵研究的内容：发酵研究的内容：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过程的工艺控制发酵过程的工

2、艺控制最大限度发挥菌种的潜力最大限度发挥菌种的潜力v发酵过程的反应描述及速度概念发酵过程的反应描述及速度概念基质的消耗速度：基质的消耗速度：dsrdt dsdt X X发酵过程反应速度的描述基质的消耗基质的消耗比速比速：(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）的量称单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为为比速比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）v发酵过程的反应描述及速度概念发酵过程的反应描述及速度概念dsdt X X基质的消耗比

3、速：基质的消耗比速：(h-1)菌体的生长比速：菌体的生长比速：dxdtX X产物的形成比速：产物的形成比速：dpdtX X(h-1)(h-1)发酵过程反应速度的描述发酵过程反应速度的描述 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）v发酵过程的反应描述及速度概念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v发酵反应动力学的研究内容发酵反应动力学的研究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

4、模型：根据反应机制建立根据反应机制建立几乎没有几乎没有q 现象模型（经验模型）：现象模型（经验模型）：目前大多数模型目前大多数模型 能定量地描述发酵过程能定量地描述发酵过程 能反映主要因素的影响能反映主要因素的影响v发酵反应动力学的研究内容发酵反应动力学的研究内容第三节第三节 微生物生长动力学的基本概念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：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迟期延迟期指数生长期指数生长期减速期减速期静止期静止期衰亡期衰亡期延迟期：延迟期：dxdt0 0指数生长期指数生长期: :mma ax x倍增时间倍增时间：td减速期减速期

5、: :ddt 0 0静止期：静止期： ; ;dxdt0 0maxmaxXXXX衰亡期:dxdt0 0v微生物生长动力学的基本概念微生物生长动力学的基本概念二、微生物的生长动力学、Monod方程q 微生物的生长速度：微生物的生长速度： f(s,p,T,pH,)q 在一定条件下在一定条件下( (基质限制基质限制) )： f(S)v微生物生长动力学的基本概念微生物生长动力学的基本概念MonodMonod研究了基质浓度与生长速度的关系研究了基质浓度与生长速度的关系MonodMonod方程方程(1949)(1949)00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2Km

6、maxsSKSmaxsSvvKS米氏方程:v微生物生长动力学的基本概念微生物生长动力学的基本概念00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmKsum/2ummaxsSKS ：菌体的生长比速：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数：半饱和常数max: 最大比生长速度最大比生长速度单一限制性基质：就是指单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制对微生物的生长起到限制作用的营养物。作用的营养物。v微生物生长动力学的基本概念微生物生长动力学的基本概念00 . 20 . 40 .

7、60 . 811 . 202 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0SVVmVm/2KmKsum/2umMonod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：111smmSKsmmSKS或： 这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比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生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两方程的两个参数。个参数。maxsKSSv微生物生长动力学的基本概念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) 6 33 64 153 221(h-1) 0.06 0.24

8、 0.43 0.66 0.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的求在该培养条件下，求大肠杆菌的maxmax，KsKs和和t td d? ?解：将数据整理：解：将数据整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221smmSKSv微生物生长动力学的基本概念微生物生长动力学的基本概念max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L01002000100200300400 /ssm10.9m108.4sktdln2/ max0.64 hsmmSKSv微生物生长动力学的基本概念微生物生长动力学的基本概念第四节第四节 产物形成动力学的基本概念产物形成

9、动力学的基本概念一、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，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。这一类化合物称为次级代谢产物。初级代谢产物：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。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，这些物质称为初级如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级 代谢产物。代谢产物。v产物形成动力学的基本概念产物形成动力学的基本概念二、二、Gaden

10、Gaden对发酵的三分类与对发酵的三分类与PirtPirt方程：方程：一类发酵一类发酵 产物的形成和菌体的生长相偶联产物的形成和菌体的生长相偶联xpv产物形成动力学的基本概念产物形成动力学的基本概念二类发酵二类发酵 产物的形成和菌体的生长部分偶联产物的形成和菌体的生长部分偶联xpv产物形成动力学的基本概念产物形成动力学的基本概念三类发酵三类发酵 产物的形成和菌体的生长非偶联产物的形成和菌体的生长非偶联xpv产物形成动力学的基本概念产物形成动力学的基本概念PirtPirt方程方程 a + bq a=0、b0： 可表示一类发酵可表示一类发酵q a0、b 0： 可表示二类发酵可表示二类发酵q a 0

11、、b=0：可表示三类发酵可表示三类发酵v产物形成动力学的基本概念产物形成动力学的基本概念第五节第五节 基质消耗动力学的基本概念基质消耗动力学的基本概念SS1 菌体菌体S2 产物产物S3 维持维持 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）+维持维持维持消耗维持消耗(m) ：指：指维持细胞最低活性所维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质维持消耗所需的基质的量是一个常数。的量是一个常数。v基质消耗动力学的基本概念基质消耗动力学的基本概念 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体

12、） P（产物）（产物）+维持维持m: 维持消耗系数维持消耗系数YP/s: 产物对基质的理论得率系数产物对基质的理论得率系数XPssmYYYX/s: 细胞对基质的理论得率系数细胞对基质的理论得率系数312dsdsdsdsdtdtdtdt物料衡算：v基质消耗动力学的基本概念基质消耗动力学的基本概念o第六节第六节 反应动力学的应用反应动力学的应用连续培养的操作特性连续培养的操作特性连续反应器：连续反应器：流入速度流入速度=流出速度流出速度=F反应器内反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等全混流溶质浓度处处相等v反应动力学的应用反应动力学的应用连续培养的操作特性连续培养的操作特性V: 反应器内发酵液体积

13、反应器内发酵液体积(L)X: 反应器内菌体浓度反应器内菌体浓度(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: 反应器内基质的浓度反应器内基质的浓度(g/L)F: 补料速度补料速度(L/h)v反应动力学的应用反应动力学的应用连续培养的操作特性连续培养的操作特性o物料衡算（连续培养的反应器特性）物料衡算（连续培养的反应器特性）对菌体对菌体: :稳态稳态0d xd td xVx VF xd txVFxFDV稀释率(D):补料速度与反应器体积的比值(h-1)v反应动力学的应用反应动力学的应用连续培养的操作特性连续培养的操作特性o物料衡算（连续培养的反应器特性）物料衡算（连

14、续培养的反应器特性）对基质对基质: :稳态稳态0d sd t0dsVFsxVFsdt0()Dssxv反应动力学的应用反应动力学的应用连续培养的操作特性连续培养的操作特性D0()sD sxXsYmaxsKSSDSx连续培养操作的模型分析连续培养操作的模型分析0maxmax0sSKS最大Dmax时会造成菌体的洗出v反应动力学的应用反应动力学的应用连续培养的操作特性连续培养的操作特性02468101200.20.40.60.811.2DS, X, DXXSDX连续培养的操作特性连续培养的操作特性v反应动力学的应用反应动力学的应用连续培养的操作特性连续培养的操作特性菌体生产率菌体生产率连续培养富集微生

15、物的原理连续培养富集微生物的原理连续培养中，最终在此培连续培养中，最终在此培养体系中生存下来的微生养体系中生存下来的微生物都是此时刻对该种底物物都是此时刻对该种底物表现出最大生长的微生物表现出最大生长的微生物（或一个微生物生态）。（或一个微生物生态）。s0当只有当只有B时建立稳态：时建立稳态：B=D,对应对应S0如果引入微生物如果引入微生物A：= A (S0)A Dx增加增加s下降下降A B下降下降BD被洗出被洗出v反应动力学的应用反应动力学的应用连续培养的操作特性连续培养的操作特性本章小节本章小节 了解了解发酵反应动力学研究的基本内容发酵反应动力学研究的基本内容及其中的基本概念及其中的基本概念 掌握掌握MONODMONOD方程，及其参数的求解方程，及其参数的求解 了解连续培养的特性了解连续培养的特性v小节小节maxdxdtxmax0lntxtxmaxln2dtGrowthRateDoublingtime h-1 hE. coli20.35Yeast0.32.3Hybridoma0.0513.9Insect Cells0.0611.6Organism典型微生物的生长速度典型微生物的生长速度