6 微生物工程 第六章 发酵动力学2详解.ppt

认识发酵过程的规律； 优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧等； 提高发酵产量、效率和转化率等。 一条主线： 发酵工艺过程 两个重点： 发酵过程的优化与放大 三个层次： 分子、细胞、反应器 四个目标： 高产、高效、高转化率、低成本 发酵过程放大的两个基本问题： 1. 发酵放大条件的优化 核心：发酵动力学研究，获得细胞生长及其产物合成放大过程特征及其对环境的响应特征； 重点：研究微生物与物理、化学环境的相互作用，揭示放大规律。 发酵过程放大的两个基本问题： 2. 反应器性能优化 研究：混合与传质问题，满足发酵最适条件需要； 侧重：反应器的设计与放大 主要针对：微生物发酵的表观动力学，通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率。 重点：定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。达到认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。 首先研究微生物生长和产物合成限制因子； 建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型； 确定模型参数； 实验验证模型的可行性与适用范围； 根据模型实施最优控制。 分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。 分批发酵过程中，微生物生长通常要经历五个时期。 延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止期）和衰亡期。 微生物生长动力学 底物消耗动力学 产物形成动力学 微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细 胞数量在单位时间内的增加量来表示（μ、μn）： 微生物细胞倍增时间与群体生长动力学 细菌：典型倍增时间1hr 酵母：典型倍增时间2hr 放线菌和丝状真菌：典型倍增时间4－8hr 倍增时间：细胞浓度增长一倍所需的时间。 式中: S—限制性基质浓度，mol/m3 Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生物对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力越小， μ越小。 ① 当S较高时，(对数期满足S10Ks)，此时，μ= μm ② 当S较低时，(减速期， S10Ks)，此时S↓，μ ↓ ∴ 减速期， μ ↓ 求μm和 Ks。 解：将Monod方程变形： 以1/S为横坐标，1/μ为纵坐标，得一条直线，由直线与x轴和y轴相交，分别求得： Ks=0.02(kg/m3) μm=0.18(h-1) 假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则微生物生长动力学可用阶段函数表示如下： 0 x0 （0tt1) μm x0e μm t (t1tt2) μ = x= x0e μm(t2-t1) e μt (t2tt3) 0 xm (t3tt4) -a xme -a t (t4tt5) 合成新的细胞物质 合成代谢产物 提供细胞生命活动的能量 底物消耗可通过细胞得率系数与细胞生长速率相关联： 产物的生成直接与能量的产生相联系 产物的生成与能量代谢仅有部分相关， 底物消耗速率取决于三个因素：细胞生长速率、产物生成速率和底物消耗于维持能耗的速率 消耗每克营养物（s）或每克分子氧(O2)生成的产物(P)、ATP或CO2的克数。 其大小取决于生物学参数（μ,x ）和化学参数（DO，C/N，磷含量等） ① Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克营养物、每克分子氧以及每千卡能量所生成的细胞克数； ② Yx/c、 Yx/N、 Yx/p、Yx/Ave- ：消耗每克C、每克N、每克P和每个有效电子所生成的细胞克数； ③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。 根据发酵时间过程分析，微生物生长与产物合成存在以下三种关系： 与生长相关→生长偶联型 与生长部分相关→生长部分偶联型 与生长不相关→无关联 Ⅰ型：生长偶联产物生成 ——菌体生长、碳源利用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形成直接与碳源利用有关。 Ⅱ型：生长与产物生成部分偶联——在生长开始后并无产物生成，在生长继续进行到某一阶段才有产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。 Ⅲ型：非生长偶联产物生成——在生长停止后才有产物生成。产物形成与碳源利用无准量关系。 生长部分相关→生长部分偶联型：柠檬酸、氨基酸发