第三章 微生物发酵动力学.ppt

第三章 微生物发酵动力学 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 发酵动力学研究的几个层次（尺度） 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 细胞层次（代谢网络与细胞工厂） 基于细胞信号传导、代谢网络、细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现 采用一系列细胞水平的方法，包括细胞群体行为分析 反应器层次（过程工程） 基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应 采用一系列优化反应器发酵条件的方法 课程重点：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 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。 但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达到认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。 发酵动力学研究的基本过程 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。 本章主要内容 分批发酵动力学 连续发酵动力学 补料分批发酵动力学 第一节 分批发酵动力学 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。 1.1 细胞生长动力学 在细胞生长的过程中，包含两个相互作用的系统： 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）： 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 ↓ Monod方程应用： 测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值）； 实验确定适于微生物生长的最佳底物； 比较不同底物发酵最终残留的大小； 比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培养的稀释率 分批发酵动力学 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) 其它模型1 在无抑制作用情况下（但有底物限制存在） 例 题 解：依据方程s/μ=Ks/μm+1/μm·S(莫诺方程变形)，分别采用图解和回归法求解。 计算与表中S相对应的S/μ分别为：110、108、137.5、129、148.8、192.5、203.3、231.8、246.4、311.3、287.7。对S/μ—S作图。 由图中可得出斜率K为0.95，截距C为90， 又，μm=1/K，Ks/μm=C 得μm=1.05h-1 Ks=95mg/L=0.095g/L 由方程 td=ln2/μm=0.693/μm，得td=0.66h 得率系数 指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量。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）生长得率系数 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。 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。 定义：表观得率 专一性