第九章发酵动力学.ppt

第九章 发酵动力学 一、发酵动力学研究的内容 ①细胞生长和死亡动力学； ②基质消耗动力学； ③氧消耗动力学； ④CO2生成动力学； ⑤产物合成和降解动力学； ⑥代谢热生成动力学。 二、研究发酵动力学的方法 为可行性，我们对发酵过程进行了以下简化处理： ①反应器内的体系均匀； ②温度、pH等环境条件能够控制以保持稳定，从而使动力学参数也保持相应的稳定； ③细胞有固有的化学组成，不随发酵时间和某些发酵条件的变化而发生明显改变， ④各种描述发酵动态的变量对发酵条件变化的反应无明显滞后。 在以上假定的基础上，我们主要采用以下两种方法进行发酵动力学的研究； 1．宏观处理法 结构模型，非结构模型 2．质量平衡法 物质的质量守恒 三、发酵动力学与过程优化控制 发酵动力学：是关于微生物生长率、基质和氧消耗率, 产物合成率等动态变量之间关系以及它们与发酵条件之间关系的学问。 发酵动力学研究需要在线检测和计算机监控，发酵过程控制优化以动力学为基础。 第二节 质量与能量平衡 引言： 发酵中物质变化可做如下概括： ①碳、氮源及微量元素和各种生长因子转化为细胞物质 ②碳、氮源及前体合成胞外代谢产物； ③碳源转化成CO2和水，放能维持生命活动。 —．得率和维持因数 （一）维持因素 1. 维持：活细胞没有实质性的生长和没有胞外代谢产物合成情况下的生命活动，用于“维持“的物质代谢称为维持代谢，也叫做内源代谢(对好氧发酵来说就称为“呼吸”)，代谢释放的能叫做维持能。 ※维持代谢没有物质的净合成，是完全用于产生能量的分解代谢。 维持因数：单位质量干菌体在单位时间内因维持代谢消耗的基质量。特定条件下为常数。 (二)生长得率 菌体的生长量相对于基质消耗量的得率叫做生长得率： (三)产物得率 实际产物得率理论产物得率(最大产物得率)两种，它的定义式分别为： (四)实际得率与菌体生长率的关系 由前述可知，发酵中的基质消耗，不外乎用于维持、菌体生长和产物合成三个方面，于是有： 二、有机化合物中的化学能 (通过完全燃烧计算) (一)完全燃烧需氧量 例：假定某有机化台物的化学组成式巳知为CcHhOoNnPpSs则按上述燃烷规则 那么完全燃烧的需氧量： (二)燃烧热 在燃烧反应中，一摩尔氧的消耗伴随着—定量热量的生成。因此可以通过完全燃烧需氧量来计算有机化合物的燃烧热，即 若发酵过程中基质消耗量、产物生成量、菌体生成量都可测定，那么可以利用标准燃烧热数据算出理论发酵热： 三、发酵过程的化学计量式 （一）维持代谢的化学计量式 耗氧发酵中可用碳能源的完全燃烧反应来描述维持代谢能量。 如：G 碳源能量大小（1C当量计）： 碳氢化合物 醇类油脂类 有机酸类 (二)微生物生长的化学计量式 （干菌体元素分析，略去无机元素，和培养基质结合） (三)产物合成的化学计量式 产物合成的化学计量式，由生物合成途径的研究得出。如果生物合成途径尚未阐明则由实验所得产物得率数据推断。 （四）质量平衡 质量平衡包括元素平衡和物质平衡。 质量守恒定律是进行这些平衡的基础。 (一)碳平衡 在发酵过程中，含碳基质(碳水化合物、碳氢化合物、醇类、有机酸类物质等可发酵性碳的转移可由下式描述： 基质中的碳＝菌体中的碳+产物中的碳+C02中的碳 （二)氮平衡 基质中可同化的氮在发酵中的转移可以用下式描述 基质中的氮＝菌体中的氮＋产物中的氮 用微分平衡式表示为： （三）基质平衡 消耗的含碳总基质量＝维持代谢消耗量十菌体生长消耗量十产物合成消耗量。这里，对基质和产物都进行了当量归一化处理，即采用的是以某一基质当量表示的各项基质总和，以某一产物当量表示的各项产物总和。 (四)氧平衡 总耗氧量＝维持代耗氧量+菌体生长耗氧量+产物合成耗氧量 (五)CO2的平衡 在好氧发酵中，氧的消耗必然伴随CO2的生成，故同样可推导出如下平衡式 五．能量平衡 (一)化学能平衡 应用化合物的标准燃烧热数据可进行发酵过程的化学能平衡计算。 (二)需氧量平衡 (三) 呼吸与发酵热 六、质量平衡与能量平衡的统一 (二)各种形式的得率和维持因素之间的变换关系 第三节 微生物生长与产物合成动力学 一、微生物生长动力学 微生物生长，有胞内物质增加和细胞数增加，这里就是指干重的增加。 （一）Monod 方程式（应用最普遍的微生物生长动力学方程） (二)其他生长动力学方程 对实际发酵过程来说，Monod方程式能够完全适用的理想情况是极少的，为此介绍其他几种生长动力学方程式。 1．双基质限制生长动力学 培养基中两种基质浓度低时，限制生长。 2. 基质抑制