第8章發(fā)酵動力學ppt課件

1、發(fā)酵工程211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htm南陽師范學院南陽師范學院 生命科學與技術學院生命科學與技術學院新能源國家高技術產(chǎn)業(yè)新能源國家高技術產(chǎn)業(yè)基地企業(yè)基地企業(yè)-南陽南陽 天冠集團天冠集團 第一章第一章 發(fā)酵工程總論發(fā)酵工程總論第二章第二章 發(fā)酵設備發(fā)酵設備第三章第三章 發(fā)酵工業(yè)原料及其處理發(fā)酵工業(yè)原料及其處理第四章第四章 發(fā)酵工業(yè)滅菌發(fā)酵工業(yè)滅菌第五章第五章 發(fā)酵菌種的制備發(fā)酵菌種的制備第六章第六章 發(fā)酵工業(yè)放大發(fā)酵工業(yè)放大第七章第七章 微生物發(fā)酵機制微生物發(fā)酵機制第八章第八章 發(fā)酵動力學發(fā)酵動力學第九章第九章 發(fā)酵過程工藝控制發(fā)酵過程工藝控制第十章第十章 發(fā)酵

2、染菌及防治發(fā)酵染菌及防治第十一章第十一章 發(fā)酵工業(yè)廢物、廢水處理和資源化技術發(fā)酵工業(yè)廢物、廢水處理和資源化技術第十二章第十二章 展望展望發(fā)酵工程發(fā)酵工程 發(fā)酵工程發(fā)酵工程知識點復習知識點復習1.糖酵解糖酵解EMP途徑有何意義和特點？途徑有何意義和特點？2.糖酵解糖酵解EMP途徑三個關鍵酶途徑三個關鍵酶?3.簡述糖酵解簡述糖酵解EMP途徑的三個階段。途徑的三個階段。4.抗生素產(chǎn)生菌的主要代謝途徑有哪幾種方式？抗生素產(chǎn)生菌的主要代謝途徑有哪幾種方式？5.簡述抗生素產(chǎn)生菌的代謝調(diào)節(jié)機制。簡述抗生素產(chǎn)生菌的代謝調(diào)節(jié)機制。第八章第八章 發(fā)酵動力學發(fā)酵動力學1. 發(fā)酵過程動力學描述和分類發(fā)酵過程動力學描述

3、和分類2. 微生物反應過程中的質(zhì)量和能量平衡微生物反應過程中的質(zhì)量和能量平衡3. 微生物發(fā)酵動力學微生物發(fā)酵動力學 發(fā)酵工程發(fā)酵工程v生物反應分為兩類生物反應分為兩類發(fā)酵動力學發(fā)酵動力學 發(fā)酵工程發(fā)酵工程l1)1)是使底物在酶是使底物在酶( (包括游離酶和固定化酶包括游離酶和固定化酶) )的作用下的作用下進行反應，如淀粉的液化、異構糖的生產(chǎn)、無側(cè)鏈進行反應，如淀粉的液化、異構糖的生產(chǎn)、無側(cè)鏈青霉素青霉素(6APA)(6APA)的制造等。的制造等。l2)2)是通過細胞的培養(yǎng)，利用細胞產(chǎn)生的酶系統(tǒng)，把是通過細胞的培養(yǎng)，利用細胞產(chǎn)生的酶系統(tǒng)，把培養(yǎng)基中的物質(zhì)通過復雜的生物化學反應轉(zhuǎn)化成新培養(yǎng)基中的物

4、質(zhì)通過復雜的生物化學反應轉(zhuǎn)化成新的細胞及其代謝產(chǎn)物。的細胞及其代謝產(chǎn)物。發(fā)酵動力學發(fā)酵動力學研究內(nèi)容研究內(nèi)容 生物反應動力學研究生物反應的規(guī)律。生物反應動力學研究生物反應的規(guī)律。 重點研究細胞反應動力學，即重點研究細胞反應動力學，即 微生物發(fā)酵過程中菌體生長、基質(zhì)消耗、微生物發(fā)酵過程中菌體生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。 發(fā)酵工程發(fā)酵工程研究意義研究意義: : 發(fā)酵動力學發(fā)酵動力學 發(fā)酵工程發(fā)酵工程1. 最佳發(fā)酵生產(chǎn)工藝條件的控制。最佳發(fā)酵生產(chǎn)工藝條件的控制。2. 設計合理的發(fā)酵過程，也必須以發(fā)酵動力學模設計合理的發(fā)酵過程，也必須以發(fā)酵動力學模型

5、作為依據(jù)。型作為依據(jù)。3. 為工廠的試驗比擬放大，為分批發(fā)酵過渡到連為工廠的試驗比擬放大，為分批發(fā)酵過渡到連續(xù)發(fā)酵提供理論依據(jù)。續(xù)發(fā)酵提供理論依據(jù)。1 發(fā)酵過程的反應描述及速度概念 XS底物） X菌體） P產(chǎn)物）發(fā)酵研究的內(nèi)容：發(fā)酵研究的內(nèi)容：發(fā)酵過程反應的描述發(fā)酵過程反應的描述菌種的來源菌種的來源找到一個好的菌種找到一個好的菌種發(fā)酵過程的工藝控制發(fā)酵過程的工藝控制最大限度發(fā)揮菌種的潛力最大限度發(fā)揮菌種的潛力1.1 菌體生長速率菌體生長速率 P178 發(fā)酵過程動力學描述采用群體生物量的變化發(fā)酵過程動力學描述采用群體生物量的變化來表示。在液體培養(yǎng)基中的群體生長，其生長來表示。在液體培養(yǎng)基中的群體

6、生長，其生長速率即單位體積速率即單位體積(或面積或面積)、單位時間里微生物群、單位時間里微生物群體生長的菌體量。在表面上的群體生長，其生體生長的菌體量。在表面上的群體生長，其生長速率以單位表面積來表示。菌體量一般指其長速率以單位表面積來表示。菌體量一般指其干重。干重。 發(fā)酵工程發(fā)酵工程v比生長速率是菌體濃度除菌體的生長速率和菌體濃度除菌體比生長速率是菌體濃度除菌體的生長速率和菌體濃度除菌體的繁殖速率。在平衡條件下，比生長速率的繁殖速率。在平衡條件下，比生長速率的定義式為：的定義式為：v 1dc(X) 或或 dc(X) v 式中，式中，t時間，時間，h；Vx菌體生長速率，菌體生長速率，g(L h

7、)v菌體生長速率菌體生長速率Vx與微生物的濃度與微生物的濃度c(X)成正比。比生長速率成正比。比生長速率除受細胞自身遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素的影響。除受細胞自身遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素的影響。 c(X)dt=dtVX = c(X) 1.1 菌體生長速率菌體生長速率 發(fā)酵工程發(fā)酵工程典型微生物的生長速度典型微生物的生長速度OrganismGrowth rateU (h-1)Doubloing time(h)E.coli20.35Yeast0.32.3 發(fā)酵工程發(fā)酵工程1.2 基質(zhì)消耗速率基質(zhì)消耗速率 以菌體得率系數(shù)為媒介，可確定基質(zhì)消耗速率與菌體生長速率以菌體得率系數(shù)為媒介，可確定基質(zhì)消

8、耗速率與菌體生長速率的關系?；|(zhì)的消耗速率的關系?；|(zhì)的消耗速率Vs可表示為：可表示為：Vs Vx x/s 式中，式中，xs一菌體得率系數(shù)又稱細胞得率系數(shù)，一菌體得率系數(shù)又稱細胞得率系數(shù)，g/moL?；|(zhì)的消耗速率常以單位菌體表示，稱為基質(zhì)的比消耗速率，基質(zhì)的消耗速率常以單位菌體表示，稱為基質(zhì)的比消耗速率，以以表示。表示。 Vsc(X)單位時間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物菌體的量稱為單位時間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物菌體的量稱為比速，是生物反應中用于描述反應速度的常用概念。比速，是生物反應中用于描述反應速度的常用概念。1.3 代謝產(chǎn)物的生成速率代謝產(chǎn)物的生成速率 代謝產(chǎn)物有分泌于培養(yǎng)液中的，

9、也有保留在細胞內(nèi)的，因代謝產(chǎn)物有分泌于培養(yǎng)液中的，也有保留在細胞內(nèi)的，因此討論生成速率的數(shù)學模式有必要區(qū)分這兩種情況。此討論生成速率的數(shù)學模式有必要區(qū)分這兩種情況。與生長速率和基質(zhì)消耗速率相同，當以體積為基準時，稱與生長速率和基質(zhì)消耗速率相同，當以體積為基準時，稱為代謝產(chǎn)物的生成速率，記為為代謝產(chǎn)物的生成速率，記為 VP ；當以單位質(zhì)量為基準；當以單位質(zhì)量為基準時，稱為產(chǎn)物的比生成速率，記為時，稱為產(chǎn)物的比生成速率，記為 Q ，相關式為：，相關式為：Q Vp / c(X) c(X)c(P)c(S)ttt各比速率是分批發(fā)酵過程時間各比速率是分批發(fā)酵過程時間 t 的函數(shù)，與對數(shù)生長期相一致，即：的

10、函數(shù)，與對數(shù)生長期相一致，即：比生長速率、產(chǎn)物生成速率及基質(zhì)比消耗速率比生長速率、產(chǎn)物生成速率及基質(zhì)比消耗速率=1/cX） dcX）/dt = Dln cX）/dt圖圖1 菌體生長擬合曲線菌體生長擬合曲線圖圖2 產(chǎn)物形成擬合曲線產(chǎn)物形成擬合曲線圖圖3 底物消耗擬合曲線底物消耗擬合曲線dX/dt = 0. 147 (1 X/22. 6) XdP/dt = 0. 0888 X + 0. 0052d X/dt-dS/dt = 0. 0052 d X/dt + 17. 94 d P/dt返回返回請點請點我呀我呀宋文軍等宋文軍等. L2色氨酸產(chǎn)生菌分色氨酸產(chǎn)生菌分批發(fā)酵動力學模型批發(fā)酵動力學模型. 無錫

11、輕工無錫輕工大學學報大學學報, 2019, 21(4)2 發(fā)酵反應動力學的研究內(nèi)容研究反應速度及其影響因素并建研究反應速度及其影響因素并建立反應速度與影響因素的關聯(lián)立反應速度與影響因素的關聯(lián)反應動力學模型反應動力學模型反應器特性反應器特性+反應器的操作模型反應器的操作模型操作條件與反應結操作條件與反應結果的關系，定量地果的關系，定量地控制反應過程控制反應過程返回返回請點請點我呀我呀已建立動力學模型的類型已建立動力學模型的類型q 機制模型：機制模型：根據(jù)反應機制建立根據(jù)反應機制建立幾乎沒有幾乎沒有q 現(xiàn)象模型經(jīng)驗模型）：現(xiàn)象模型經(jīng)驗模型）：目前大多數(shù)模型目前大多數(shù)模型 能定量地描述發(fā)酵過程能定量

12、地描述發(fā)酵過程211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htm 能反映主要因素的影響能反映主要因素的影響3 微生物生長動力學的基本概念微生物生長動力學的基本概念3.1 微生物在一個密閉系統(tǒng)中的生長情況微生物在一個密閉系統(tǒng)中的生長情況時間時間菌體濃度菌體濃度延遲期延遲期指數(shù)生長期指數(shù)生長期減速期減速期靜止期靜止期衰亡期衰亡期延遲期：延遲期：dxdt0 0指數(shù)生長期:mma ax x倍增時間：倍增時間：td減速期:ddt 0 0靜止期： ;dxdt0 0mma ax xX XX X衰亡期:dxdt0 03.2、微生物的生長動力學、微生物的生長動力學、Monod方程方程q 微生物的生

13、長速度：微生物的生長速度：q q f ( s, p, T, pH, ,)211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htmq 在一定條件下在一定條件下( (基質(zhì)限制基質(zhì)限制) )：q f f ( S )( S ) 發(fā)酵工程發(fā)酵工程Monod Monod 研究了基質(zhì)濃度與生長速度的關系研究了基質(zhì)濃度與生長速度的關系 Monod Monod 方程方程(1949)(1949)00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2Km00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmmaxsSKSmaxsSvvKS米氏方

14、程:00 . 20 . 40 . 60 . 811 . 202 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0SVVmVm/2KmmaxsSKS ：菌體的生長比速：菌體的生長比速 S：限制性基質(zhì)濃度，：限制性基質(zhì)濃度，g/L Ks：飽和常數(shù)，：飽和常數(shù)，mg/Lmax: 微生物的最大比生長速度微生物的最大比生長速度單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物中，對微生物的微生物的營養(yǎng)物中，對微生物的生長起到限制作用的營養(yǎng)物。生長起到限制作用的營養(yǎng)物。莫諾德（莫諾德（ Monod ）方程：）方程：Ks的物理意義：的物理意義：當比生長速率為最大比生長速率的一半當比生長

15、速率為最大比生長速率的一半時，限制性營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，它的大小時，限制性營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，它的大小表示了微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收親和力表示了微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收親和力大小。大小。Monod 方程的參數(shù)求解方程的參數(shù)求解 ( 雙倒數(shù)法雙倒數(shù)法 ) ：將將 Monod 方程取倒數(shù)可得方程取倒數(shù)可得 ：111smmSKsmmSKS或：或： 這樣通過測定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比這樣通過測定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長速度，就可以通過回歸分析計算出生長速度，就可以通過回歸分析計算出 Monod 方程的方程的兩個參數(shù)。兩個參數(shù)。maxsKSS例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：例：在一定

16、條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l) 6 33 64 153 221(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的maxmax，KsKs和和td?td?解：將數(shù)據(jù)整理：解：將數(shù)據(jù)整理：S/ 100 .5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221smmSKSmax，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L01002000100200300400 /ssm10.9m108.4sktdln2/ max0.64 hsmmSKS返回請返回請點我呀點我呀4 4 產(chǎn)物形成動力學的基本概念產(chǎn)

17、物形成動力學的基本概念4.1 初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物次級代謝產(chǎn)物：對細胞的代謝功能沒有明顯的影響，一般是次級代謝產(chǎn)物：對細胞的代謝功能沒有明顯的影響，一般是 在穩(wěn)定期形成，如抗生素等，在穩(wěn)定期形成，如抗生素等， 這一類化合物稱這一類化合物稱 為次級代謝產(chǎn)物。為次級代謝產(chǎn)物。初級代謝產(chǎn)物：微生物合成的主要供給細胞生長的一類物質(zhì)。初級代謝產(chǎn)物：微生物合成的主要供給細胞生長的一類物質(zhì)。 如氨基酸、核苷酸等等，這些物質(zhì)稱為初級如氨基酸、核苷酸等等，這些物質(zhì)稱為初級 代謝產(chǎn)物。代謝產(chǎn)物。4.2 Gaden 對發(fā)酵的三分類與對發(fā)酵的三分類與 Pirt 方程方程一類發(fā)酵一類發(fā)酵

18、 產(chǎn)物的形成和菌體的生長相偶聯(lián)產(chǎn)物的形成和菌體的生長相偶聯(lián)xptdc(P)dt= Yp/S 發(fā)酵工程發(fā)酵工程二類發(fā)酵二類發(fā)酵 產(chǎn)物的形成和菌體的生長部分偶聯(lián)產(chǎn)物的形成和菌體的生長部分偶聯(lián)xpdc(P)dt= dc(X) /dt +c （X） 發(fā)酵工程發(fā)酵工程三類發(fā)酵三類發(fā)酵 產(chǎn)物的形成和菌體的生長非偶聯(lián)產(chǎn)物的形成和菌體的生長非偶聯(lián)xpdt= c （X）dc(P) 發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Pirt Pirt 方程方程 a + bq a=0、b0： 可表示一類發(fā)可表示一類發(fā)酵酵q a0、b=0： 可表示二類發(fā)可表示二類發(fā)酵酵q a0、b0：可表示三類發(fā)：可表示三類發(fā)酵酵 發(fā)酵工程發(fā)酵工程5 基質(zhì)消耗動力

19、學的基本概念基質(zhì)消耗動力學的基本概念SS1 菌菌體體S2 產(chǎn)物產(chǎn)物S3 維持維持 XS底物）底物） X菌體）菌體） P產(chǎn)物）產(chǎn)物）+維持維持維持消耗維持消耗(m) ： 指維持細胞最指維持細胞最低活性所需消耗的低活性所需消耗的能量，一般來講，能量，一般來講，單位重量的細胞在單位重量的細胞在單位時間內(nèi)用于維單位時間內(nèi)用于維持消耗所需的基質(zhì)持消耗所需的基質(zhì)的量是一個常數(shù)。的量是一個常數(shù)。 XS底物） X菌體） P產(chǎn)物）+維持m: 維持消耗系數(shù)維持消耗系數(shù)YP/s: 產(chǎn)物對基質(zhì)的理論得率系數(shù)產(chǎn)物對基質(zhì)的理論得率系數(shù)XPssmYYYX/s: 細胞對基質(zhì)的理論得率系細胞對基質(zhì)的理論得率系數(shù)數(shù)312dsds

20、dsdsdtdtdtdt物料衡算：物料衡算：o3.6 反應動力學的應用反應動力學的應用連續(xù)培養(yǎng)的操作特性連續(xù)培養(yǎng)的操作特性連續(xù)反應器：連續(xù)反應器：流入速度流入速度=流出速度流出速度=F反應器內(nèi)反應器內(nèi)(V)全混流溶質(zhì)濃度處處相等全混流溶質(zhì)濃度處處相等o物料衡算連續(xù)培養(yǎng)的反應器特性）物料衡算連續(xù)培養(yǎng)的反應器特性）對菌體對菌體: :穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)0dxdtdxVxVFxdtxVFxFDV稀釋率稀釋率(D):(D):補補料速度與反應料速度與反應器體積的比值器體積的比值(h-1)(h-1)o物料衡算連續(xù)培養(yǎng)的反應器特性）物料衡算連續(xù)培養(yǎng)的反應器特性）對基質(zhì)對基質(zhì): :穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)0dsdt0dsVFxxVFxd

21、t稀釋率稀釋率(D):(D):補料速度與補料速度與反應器體積反應器體積的比值的比值(h-1)(h-1)0()D ssxD0()sD sxXsYmaxsKSSDSx連續(xù)培養(yǎng)操作的模型分析連續(xù)培養(yǎng)操作的模型分析0maxmax0sSKS最大D max 時會造成菌體的洗出時會造成菌體的洗出02468101200.20.40.60.811.2DS, X, DXXSDX連續(xù)培養(yǎng)的操作特性連續(xù)培養(yǎng)的操作特性連續(xù)培養(yǎng)富集微生物的原理連續(xù)培養(yǎng)富集微生物的原理連續(xù)培養(yǎng)中，最終在此培養(yǎng)體系連續(xù)培養(yǎng)中，最終在此培養(yǎng)體系中生存下來的微生物都是此時刻中生存下來的微生物都是此時刻對該種底物表現(xiàn)出最大生長的微對該種底物表現(xiàn)出

22、最大生長的微生物或一個微生物生態(tài)）。生物或一個微生物生態(tài)）。s0當只有當只有B時建立穩(wěn)態(tài)：時建立穩(wěn)態(tài)：B=D, 對應對應S0如果引入微生物如果引入微生物A：= A (S0)A Dx增加增加s下降下降A B下降下降BD被洗出被洗出v微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶(MTG)分批發(fā)酵模型的建立山東農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)2019/04v微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶分批補料發(fā)酵及動力學模型的研究華東師范大學2019中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫v產(chǎn)細菌素的嗜酸乳桿菌WS發(fā)酵動力學模型的建立農(nóng)業(yè)工程學報2019/03vL-乳酸生產(chǎn)菌分批發(fā)酵動力學模型食品工業(yè)科技2019/05v產(chǎn)琥珀酸放線桿菌發(fā)酵生產(chǎn)琥珀酸的研究進展中

23、國生物工程雜志2019/12v鼠李糖脂分批式發(fā)酵動力學模型食品與生物技術學報2019/05v 211.84.153.6/kns50/download.aspx?filename=VbjNFOLpGb2k2UjtSQ1cVT1NlRN5ESMNzV2RkaulTYEJEcKFlbBRESGV0KzlGW2BFNqpkTExUZGdmQ=0TWLhVNIVDdIhURLljetdEOO9CaxNFUyFUTsVUUHBzMQlTUPZUZy9UWWB3R3x2L3NHMtRFUkJDatB&tablename=CJFD2006刺糖多孢菌分批發(fā)酵動力學研究華南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)2019/03 vRhizobiumsp.N613合成胞外多糖的發(fā)酵動力學研究化學與生物工程2019/10v重組畢赤酵母表達期菌體濃度的軟測量模型食品與生物技術學報2019/05v微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶(MTG)分批發(fā)酵模型的建立山東農(nóng)業(yè)大學學