《发酵工建》第6章 发酵动力学.ppt

第六章 发酵动力学 第一节 微生物生长代谢中的质量平衡 一.发酵动力学中的得率因数 1.维持因数 2.生长得率 3.产物得率 （2）理论得率 二.微生物生长代谢过程中的碳平衡 1.基础培养基与完全培养基 2.微生物生长代谢过程中基质与产物间的碳元素平衡 3.微生物生长过程中主要基质——碳源平衡 4.细胞物质生产过程中碳源的化学平衡 5.微生物生长代谢过程中碳平衡的意义 三.微生物代谢过程中的ATP循环与氧平衡 2.生物氧化 3.微生物生长代谢过程中的氧平衡 4.ATP消耗对菌体得率YATP与ATP平衡 5.通风培养时耗氧量与ATP生成量间的关系 第二节 微生物发酵的动力学 一.分批培养 1.细菌的生长曲线 迟滞期 对数期 稳定期 2.微生物生长速度的动力学方程 3.营养物的利用和产物的形式 4.分批培养过程的生产率 二.补料分批培养 1.补料分批培养的类型 ２.补料分批培养的动力学 重复补料分批培养 3.补料分批培养的优点和应用 【分解代谢物阻遏】 补料分批培养的优点和应用 ★目前，运用补料分批发酵技术进行牛产和研究的范围十分广泛，包括单细胞蛋白、氨基酸、生长激素、抗生素、维生素、酶制剂、有机溶剂、有机酸、核苷酸、高聚物等，几乎遍及整个发酵行业。它不仅被广泛用于液体发酵中，在固体发酵及混合培养中也有应用。 三.连续培养 ◆连续发酵使用的反应器可以是搅拌罐式反应器，也可以是管式反应器（如活塞流式反应器）。 ◆在罐式反应器中，即使加人的物料中不含有菌体，只要反应器内含有一定量的菌体，在一定进 料流量范围内，就可实现稳态操作。 ◆罐式连续发酵的设备与分批发酵设备无根本差别，一般可采用原有发酵罐改装。 ◆根据所用罐数，罐式连续发酵系统又可分单罐连续发酵和多罐连续发酵 1.连续培养的设备类型 ◆恒浊器（turbidostat）：即利用浊度来检测细胞的浓度，通过自控仪表调节输入料液的流量，以控制培养液中的菌体浓度达到恒定值； ◆恒化器（chemostat）：与前者的相似之处是维持一定的体积，不同之处是菌体浓度不是直接控制的，而是通过恒定流速输入的养料中某一种生长限制基质的浓度（如碳、氮源；生长因子；无机盐等）来控制菌体浓度的生长速度。 1、恒浊培养 原理：维持菌浓度不变。菌液浓度大小通过光电系统调节稀释率来维持菌数恒定 特点：基质过量，菌以最高速率生长；但工艺复杂，烦琐。 2、恒化培养 原理：恒化器中动态平衡的稳定性，是以某种生长限制因子（如碳、氮源；生长因子；无机盐等）的浓度来控制菌的生长速度。 特点：维持营养成分的低浓度，控制微生物生长速率。 ◆ 在管式反应器中，培养液通过一个返混程度较低的管状反应器向前流动（返混——反应器内停留时间不同的料液之间的混合），其理想型式为活塞流反应器 （ＰＦＲ，没有返混）。在反应器内沿流动方向的不同部位，营养物浓度、细胞浓度、氧和生产率等都不相同。在反应器的入口，微生物细胞必须和营养液一起加 到反应器内。通常在反应器的出口，装一支路使细胞返回，或者来自另一个连续培养罐。 ★这种微生物反应器的运转存在许多困难，故目前主要用于理论研究，基本上还未进行实际应用。 2.单级恒化器连续培养的动力学 （1）细胞的物料平衡 （2）限制性营养物的物料平衡 （3）细胞浓度与稀释率的关系 3.连续培养和分批培养生产率的比较 4.带有细胞再循环的单级恒化器 5.多级连续培养 6.连续培养的优点、缺点 第三节 微生物生长代谢过程数学模型的建立 一.连续培养时微生物生长的数学模型 二.分批培养时微生物生长的数学模型 ◆由于上述情况，连续发酵目前主要用于研究工作中，如发酵动力学参数的测定，过程条件的优化试验等等，在工业生产中的应用还不多。 ◆工业上生产单细胞蛋白(SCP)通常采用连续发酵的方法，其底物通常为农产品、林产品及工业副产物。连续发酵在工业上用于大量生产微生物代谢产物的实例较少。 ◆可用于面包酵母和饲料酵母的生产，以及有机废水的活性污泥处理。新近发展的一种培养方法则是把固定化细胞技术和连续培养方法结合起来，用于生产丙酮、丁醇、正丁醇、异丙醇等重要工业溶剂。 微生物反应是很多种物质参与的复杂代谢过程的综合结果，因此，微生物反应的动力学方程只能通过数学模拟得到。而建立动力学模型的难点在于菌株的变异和天然培养基组成的不确定性。 一.连续培养时微生物生长的数学模型 二.分批培养时微生物生长的数学模型 在温度和pH值恒定时, μ随着培养基成分浓度的变化而变化。若某一培养基成分的浓度为S，并且其它成分的浓度不变，则： μ=f(S) 1942年，Monod根据微生物细胞生长比速与限制性基质浓度有关的事实提出了微生物生长与限制性基质