发酵技术 教学课件 作者 谢梅英别智鑫 主编 第五章.ppt

尚辅网 尚辅网 第五章 发酵工程动力学 第一节 概述 一、发酵工程动力学过程的主要特征 二、发酵工程动力学的描述方法 一、发酵工程动力学过程的主要特征 发酵工程动力学是描述微生物的生长和产物形成的规律。它主要研究发酵过程中基质消耗、菌体生长和产物生成三者之间的规律，以及环境因素对三者的影响。使用物料平衡的手段来建立基质消耗速率、菌体生长速率和产物生成速率的动态平衡及其内在规律。 发酵过程包括细胞内的生化反应，胞内与胞外的物质交换，胞外物质传递等过程。从单细胞来看，微生物如同一个微小的容器，原料中的反应物透过细胞壁和细胞膜进入细胞内，转变为产物和能量；接着有些产物又被释放出细胞，进入介质中。这些过程是由内部基因调节和外部因素的共同影响下完成的；此外，细胞还能够表现出某些特定代谢途径以及优先利用某一底物的特性。由此可知，发酵由微生物反应过程和物质传递过程组成。发酵工程动力学根据是否考虑传递过程而划分为微观动力学和宏观动力学。前者不考虑传递因素，只考察微生物反应固有的速率，认为该速率除反应本身的特性外，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关；后者考虑传递因素等的影响，描述反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。发酵工程动力学除了本章主要学习的基质消耗动力学、细胞生长动力学、产物合成动力学之外，还有氧消耗动力学，二氧化碳生成动力学，代谢热生成动力学等；各分动力学不是孤立的，而是既相互依赖又相互制约，共同构成了发酵工程动力学体系。 二、发酵工程动力学的描述方法 （一）常用的几个术语 （二）发酵过程简化的原则和描述步骤 （三）主要的动力学模型 （一）常用的几个术语 1.生长速率（以体积为基准） 2.比生长速率（以质量为基准） 3.倍增时间/世代时间/发酵周期 4.得率系数 1.生长速率（以体积为基准） 包括细胞生长速率、代谢产物生成速率和底物消耗速率。它表示单位体积单位时间内发酵液中细胞或产物生成的数量，或底物消耗的数量。菌体量的生产概念是生长速率的核心，它一般指其干重。在液体培养基中的菌体生长速率通常以单位体积中的菌体量来表示生长速率，此时为体积生长速率，它表示单位体积发酵液每小时合成产物的能力，体积生长速率在发酵工业生产上更为直观和方便，因为它不是以细胞浓度而以发酵液体积为基础进行比较的。 2.比生长速率（以质量为基准） 包括细胞比生长速率、产物比生成速率和基质比消耗速率，如细胞比生长速率是菌体浓度除以菌体的生长速率。比生长速率常数是研究微生物生长的一个极为重要的参数，用它可以判断微生物的生长情况和估算生长过程某一时刻的细胞数目或浓度。最大比生长速率不仅与微生物本身的特性有关，也与所消耗的底物以及培养的方式有关。为保证工业发酵的正常周期，要尽可能地使微生物的比生长速率接近其最大值。基质比消耗速率系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率。产物比生产速率是指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速度和能力，可以作为判断微生物合成代谢产物效率的一个指标。一般说来，由微生物反应生成的代谢产物种类很多，并且微生物细胞内的生物合成途径与代谢调节机制各有特点，因此很难用统一的代谢产物生成速率方程式来表示。代谢产物有分泌于培养液中的，也有保留在细胞内的；因此，讨论产物比生产速率时有必要区分这两种情况。 3.倍增时间/世代时间/发酵周期 倍增时间和世代时间是两个不同的时间概念。倍增时间是指菌体数量增加到一倍时所需要的时间；世代时间是指个体细胞经历一个完整的生活周期所需要的时间。发酵周期指从接种开始到发酵结束放罐这一段时间。但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌、冷却等辅助时间也计算在内。即从第一罐接种经发酵结束至第二罐接种为止的这一段时间为一个发酵周期。 4.得率系数 以比生长速率导出，可对用于合成生物量和代谢产物的基质进行量化。如菌体比生长速率对基质比消耗速率便是得率系数Yx/s；类似的，表示代谢产物的产量对基质的得率系数产物的比生长速率对基质比消耗速率。得率系数总是以双下标给出，表明转化的方向。如基质转化为生物量就以下标sx表示；得率系数Ys/x指每形成—单位生物量时的基质消耗量。 （二）发酵过程简化的原则和描述步骤 1.发酵过程简化的原则 2.描述发酵过程的步骤 3. 几种主要模型的介绍 1.发酵过程简化的原则 （1）过程简化 （2）定量化 （3）分离 （4）数学建模 （1）过程简化 微生物反应过程的简化是指把工艺过程的复杂结构简化为少数系统，便可以使用少数的关键变量来表示复杂的过程。由于微生物反应过程含有生物学和物理学两方面的属性，因此，进行简化的前提是不损失