第六章 发酵动力学与发酵.ppt

第六章 发酵动力学与发酵 过 程 控 制 发酵动力学是研究生物反应过程的速率及其影响因素，是生物反应工程学的理论基础之一 。 发酵过程动力学包括两个层次的动力学 1、本征动力学（又称微观动力学） 在没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。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，而与传递因素无关。 2、反应器动力学 （又称宏观动力学） 在一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。 第一节 发酵动力学 发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。 研究发酵动力学的目的在于按人们的需要控制发酵过程。 一、产物合成动力学 在连续培养的条件下，由生长、基质利用和产物形成的物料平衡方程，可以看出产物的形成与生长和细胞浓度的关系 1、细胞的生长 2、基质的利用  3、产物的形成 二、代谢产物形成的动力学模型 Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种类型： 类型Ⅰ称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模型； 类型Ⅱ称为部分相关模型，或称不完全伴随生长的产物形成模型； 类型Ⅲ称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成模型。 类型Ⅰ是指产物的生成与细胞的生长相关的过程(上图a)，此时产物通常是基质的分解代谢产物，代谢产物的生成与细胞的生长是同步的。 动力学方程为： 类型Ⅱ反应产物的生成与细胞生长仅有间接关系（上图b）。在细胞生长期内，基本无产物生成。 动力学方程为： 或 类型Ⅲ产物的生成与细胞的生长无直接联系(上图c)。它的特点是当细胞处于生长阶段时，并无产物积累，而当细胞停止生长后，产物却大量生成。 与μ之间的关系图 第二节 发酵过程的代谢变化规律 一、分 批 发 酵 1. 概念 分批发酵是指在一封闭培养系统内具 有初始限制量基质的一种发酵方式 2. 分批发酵过程的典型类型 简单反应 a、生长型：如产气杆菌（Aerobacter Cloacae）的生长 b、非生长型：如黑曲霉（Aspegillus niger）转化葡萄糖成为葡萄糖酸 并行反应：如粘红酵母（Rhodotoruba glutirus） 相继反应：如假单孢菌（Pseudomonoas Oualis） 分段反应 ：。如大肠杆菌（E.Coli）的二阶段式生长 3. 分批发酵过程的生产率 体积生产率是以每升发酵液每小时产生的产物克数（g/Lh）表示的，是对发酵过程总成果的一种衡量。 丝状微生物发酵的产物产率和基质的利用 霉菌和其它丝状微生物的发酵产物产率和基质利用的动力学是很复杂的，典型的例子是青霉素发酵 丝状微生物发酵过程获得高产的一般规律 (1)在一固定的分批发酵时间内，存在一种得到最佳产率的最适的基质起始浓度。如果基质浓度太高，菌丝体生长过度，消耗大量基质导致“短周期发酵”现象的出现，造成产物生成量减少；如果基质浓度太低，菌丝体生长差，到产物生产期便没有足够的菌丝体制造产物。 （2）为了提高产物形成速率，对菌丝分枝程度也须加以优化。如果菌丝体分枝过少，停滞期和发酵周期均延长。目前已知菌丝体的分枝程度与种子的生长状况有关，因此需寻找最适的种子培养条件。 （3）为了提高氧的传递速率，对深层发酵过程似乎宜采用剧烈的搅拌，但是对于青霉素等利用丝状微生物的发酵过程来说，中等程度的搅拌对高产有利。对此有几种解释，普遍的认为是剧烈的搅拌所施加的剪切力会影响霉菌的形态，促进菌丝过多分枝，而使产量下降。 二、连 续 发 酵 把新鲜的培养基连续地供给均匀混合的发酵系统，同时又以相同的速度把含有细胞和产物的发酵液从发酵系统中抽出便可使发酵过程连续化 在连续培养系统中，微生物细胞的浓度、比生长速率和环境条件（如营养物质浓度和产物浓度），均处于不随时间而变化的稳定状态之下 连续培养的原理 1、基于细胞量的物料平衡 简化后： 在连续培养技术中被称为稀释速率，用符号“D”表示 （等于培养液在罐中平均停留时间的倒数） 在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。 2、基于限制性营养成分的物料平衡 养分进入系统的速率－养分流出系统的速率－用于生长的养分消耗的速率－用于维持的养分消耗的速率－用于产物形成的养分消耗的速率＝养分在系统中积累的速率 在稳定状态下