发酵工程ppt韦革宏杨祥第3章6节PPT.ppt

分批培养细胞生长（绝对）速度与细胞浓度关系式 * 第三章 发酵机制及发酵动力学 第六节 微生物发酵的动力学 一、发酵动力学的研究内容 发酵动力学是一门以化学反应动力学原理和生物化学原理为基础，运用适当的数学工具，研究发酵过程中菌种生物量、基质、产物等变量之间定量数学关系的学科。 化学动力学 生物化学 生化反应动力学 发酵动力学 发酵动力学的学科基础 发酵动力学研究的核心问题是发酵过程各个变量速度和浓度的关系以及影响因素。 发酵动力学的表述方式是各种动力学模型。 发酵动力学研究的核心问题和表述方式 二、发酵过程的反应描述及速度概念 X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） 发酵过程反应的描述 基质的消耗速度： 发酵过程反应速度的描述 基质的消耗比速： (g.L-1.s-1) (h-1、s-1) 单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念 X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） 基质的消耗比速： (h-1) 菌体的生长比速： 产物的形成比速： (h-1) (h-1) 发酵过程反应速度的描述 X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） 得率系数的概念 得率系数指的是发酵过程中某两个变量之间的比例关系，一般用Ya/b表示， a、b分别表示这两个变量。 得率系数有两种：瞬时得率系数和平均得率系数。在一般的动力学研究中，如无特殊表明，均指平均得率系数。 同理， 发酵动力学基本关系 只有部分发酵过程的瞬时得率系数是常数，而另一些发酵过程它则是不断变化的。 三、微生物生长动力学的基本概念 (一) 微生物在一个密闭系统中的生长情况： 时间 菌体浓度 延迟期 指数生长期 减速期 静止期 衰亡期 延迟期： 指数生长期: 倍增时间：td 减速期: 静止期： 衰亡期: μ逐渐减小 (二) 微生物的生长动力学、Monod方程 微生物的生长速度： μ＝f(s,p,T,pH,……,) 在一定条件下(基质限制)： μ＝f(S) μ：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数 μmax: 最大比生长速度 μ Ks μm Monod方程 Logistic 方程 Moser 方程 Contois 方程 其他动力学模型 米氏方程: Monod方程: Monod方程与米氏方程的比较 m Ks μm μ (三)Monod方程的参数求解(双倒数法)： 将Monod方程取倒数可得： 或： 这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。 例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据： S(mg/l) 6 33 64 153 221 μ(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70 求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和对数期的td? 解：将数据整理： S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221 μmax，＝1.11 (h-1); Ks＝97.6 mg/L td＝ln2/ μmax＝0.64 h Gaden对发酵的三分类与Piret方程： 〖一类发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联 x p 四、产物形成动力学的基本概念 〖二类发酵〗 产物的形成和菌体的生长部分偶联 x p 〖三类发酵〗 产物的形成和菌体的生长非偶联 x p 〖Piret方程〗 π＝a + bμ a=0、b≠0： 可表示一类发酵 a≠0、b=0： 可表示三类发酵 a≠0、b≠0：可表示二类发酵 b即得率系数 五、基质消耗动力学的基本概念 S S1 菌体 S2 产物 S3 维持 X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持 维持消耗 指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。 X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持 m: 维持消耗系数 Y`P/s: 产