发酵工程第6章发酵动力学.ppt

第一节 概述 第二节 分批培养动力学 第三节 连续培养动力学 第四节 补料分批动力学 发酵动力学：研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。 1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及其转化率、效率等； 2、影响发酵动力学参数的各种理化因子； 3、发酵动力学的数学模型。 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。 分子层次（酶催化与生物转化） 基于关键生化反应（限速步）及其关键酶的动力学特征及其影响因素 采用一系列分子水平的方法 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，主要包括：细胞生长动力学、底物消耗动力学、产物合成动力学 发酵动力学研究的方法 （1）几个研究模型相关概念 动力学是对细胞群体的动力学行为的描述 如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为均衡生长。 （2） 宏观处理法 与微观方法相对，不研究细胞内部基因结构、表型、调控机制和代谢途径；而把细胞看成一种均匀分布的物质，研究宏观变量整体之间的关系的方法，建立非结构动力学模型。 （3）质量平衡法（质量守恒定律） (1). 为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。 (2). 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。 (3). 建立各种数学模型以描述各参数随时间变化的关系。 (4). 通过计算机的在线控制，反复验证各种模型的可行性与适用范围。 发酵动力学与过程优化控制 发酵动力学通过对微生物生长率、基质和氧消耗率、产物合成率的动态研究，实现发酵条件参数的在线检测，确定发酵动力学模型，实现动态过程优化控制，取得发酵产物最大， （2）得率系数(或产率，转化率，Y)： 是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。 生长得率系数：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重(g)，即Yx/s=ΔX／一ΔS。 2. 发酵过程中的化学计量式 （1） 维持代谢（以好氧发酵为例） 碳水化合物： C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2814kJ 碳氢化合物： CH4+2O2→CO2+2H2O+938kJ 醇 类： CH4O+1.5O2→CO2+2H2O+704kJ 油 脂 类： C51H98O6+72.5O2→51CO2+49H2O+34003kJ 有机酸类： C3H6O3+3O2→3CO2+3H2O+1407kJ 同碳原子数有机物的能量大小 碳氢化合物﹥醇类﹥油脂类﹥有机酸类≧碳水化合物 （2） 微生物生长 （3） 产物合成（以合成青霉素G为例） 青霉素G是由葡萄糖和NH3转化成α-氨基己二酸、缬氨酸和半胱氨酸三种前体，再经三肽合成、环化与苯乙酸转酰基而成 2.14C6H12O6+2NH3 + +SO42+ + C3H3O2 +3.34O2 → （葡萄糖） （苯乙酸） C16H18O4N2 + 4.84CO2+11.84H2O 不考虑副产物和中间体的生成，青霉素理论产物得率为Ygs ＝0.47mol（青霉素）/mol（葡萄糖） 计算：假设通过实验测定，反应底物十六烷烃和葡萄糖中有2/3的碳转化为细胞中的碳，1）计算下述反应的计量系数 十六烷烃：C16H34+aO2+ bNH3 c(C4.4H7.3N0.86O1.2)+dH2O+eCO2 葡萄糖 C6H12O6+ aO2+bNH3 c(C4.4H7.3N0.86O1.2)+dH2O+eCO2 计算：在酿酒酵母的生长实验中，消耗0.2kg糖，得出0.0746kg，释放出0.121 kgCO2，并消耗了0.067kgO2，求（1）酵母细胞得率Yx/s;(2)呼吸商RQ(消耗单位质量的氧气产生的CO2的量） （一）连续发酵类型及装置 （二）连续发酵动力学模型 1.单级恒化器连续发酵 2.多级恒化器连续发酵 3.进行细胞回流的单级恒化器连续发酵 （三）连续发酵动力学理论的应用 细胞生产率 当 即