張嗣同_發(fā)酵工程第五章_發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)的.ppt

1、第五章 發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)的基本概念, 發(fā)酵過(guò)程的反應(yīng)描述及速度概念, 發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究的基本內(nèi)容, 菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物形成、基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)的基本概念, 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用連續(xù)培養(yǎng)的 操作特性,第一節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的反應(yīng)描述及速度概念,X S（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）,發(fā)酵研究的內(nèi)容：,發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)的描述,菌種的來(lái)源找到一個(gè)好的菌種,發(fā)酵過(guò)程的工藝控制最大限度發(fā)揮菌種的潛力,基質(zhì)的消耗速度：,發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)速度的描述,基質(zhì)的消耗比速：,(g.L-1.s-1),(h-1、s-1),單位時(shí)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(yīng)中用于描述反應(yīng)速度的常用概念,X S（底物） X（菌體）

2、 P（產(chǎn)物）,基質(zhì)的消耗比速：,(h-1),菌體的生長(zhǎng)比速：,產(chǎn)物的形成比速：,(h-1),(h-1),發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)速度的描述,X S（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）,第二節(jié) 發(fā)酵反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容,研究反應(yīng)速度及其影響因素并建立反應(yīng)速度與影響因素的關(guān)聯(lián),反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,反應(yīng)器特性,+,反應(yīng)器的操作模型,操作條件與反應(yīng)結(jié)果的關(guān)系，定量地控制反應(yīng)過(guò)程,已建立動(dòng)力學(xué)模型的類型,機(jī)制模型：,根據(jù)反應(yīng)機(jī)制建立,幾乎沒(méi)有,現(xiàn)象模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?目前大多數(shù)模型,能定量地描述發(fā)酵過(guò)程,能反映主要因素的影響,第三節(jié) 微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的基本概念,一、微生物在一個(gè)密閉系統(tǒng)中的生長(zhǎng)情況：,時(shí)間,菌體濃度,延遲期

3、,指數(shù)生長(zhǎng)期,減速期,靜止期,衰亡期,延遲期：,指數(shù)生長(zhǎng)期:,倍增時(shí)間：td,減速期:,靜止期： ;,衰亡期:,二、微生物的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、Monod方程,微生物的生長(zhǎng)速度： f(s,p,T,pH,),在一定條件下(基質(zhì)限制)： f(S),Monod研究了基質(zhì)濃度與生長(zhǎng)速度的關(guān)系 Monod方程(1949),米氏方程:,：菌體的生長(zhǎng)比速 S：限制性基質(zhì)濃度 Ks：半飽和常數(shù) max: 最大比生長(zhǎng)速度,單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)物中，對(duì)微生物的生長(zhǎng)起到限制作用的營(yíng)養(yǎng)物。,Monod方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法)：,將Monod方程取倒數(shù)可得：,或：,這樣通過(guò)測(cè)定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物

4、的比生長(zhǎng)速度，就可以通過(guò)回歸分析計(jì)算出Monod方程的兩個(gè)參數(shù)。,例：在一定條件下培養(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max，Ks和td?,解：將數(shù)據(jù)整理：,S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221,max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L,tdln2/ max0.64 h,第四節(jié) 產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)的基本概念,一、初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物,次級(jí)代謝產(chǎn)物：還有一類產(chǎn)物，對(duì)細(xì)胞的代謝功能沒(méi)有明顯 的

5、影響，一般是在穩(wěn)定期形成，如抗生素等， 這一類化合物稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物。,初級(jí)代謝產(chǎn)物：微生物合成的主要供給細(xì)胞生長(zhǎng)的一類物質(zhì)。 如氨基酸、核苷酸等等，這些物質(zhì)稱為初級(jí) 代謝產(chǎn)物。,二、Gaden對(duì)發(fā)酵的三分類與Pirt方程：,一類發(fā)酵 產(chǎn)物的形成和菌體的生長(zhǎng)相偶聯(lián),x,p,二類發(fā)酵 產(chǎn)物的形成和菌體的生長(zhǎng)部分偶聯(lián),x,p,三類發(fā)酵 產(chǎn)物的形成和菌體的生長(zhǎng)非偶聯(lián)偶聯(lián),x,p,Pirt方程,a + b,a=0、b0： 可表示一類發(fā)酵,a0、b=0： 可表示二類發(fā)酵,a0、b0：可表示三類發(fā)酵,第五節(jié) 基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)的基本概念,S,S1 菌體,S2 產(chǎn)物,S3 維持,X S（底物） X（菌體） P（

6、產(chǎn)物）+維持,維持消耗(m) ：指維持細(xì)胞最低活性所需消耗的能量，一般來(lái)講，單位重量的細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)用于維持消耗所需的基質(zhì)的量是一個(gè)常數(shù)。,X S（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）+維持,m: 維持消耗系數(shù),YP/s: 產(chǎn)物對(duì)基質(zhì)的理論得率系數(shù),YX/s: 細(xì)胞對(duì)基質(zhì)的理論得率系數(shù),物料衡算：,o,第六節(jié) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用連續(xù)培養(yǎng)的操作特性,連續(xù)反應(yīng)器：,流入速度=流出速度=F,反應(yīng)器內(nèi)(V)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(yīng)器特性）,對(duì)菌體:,穩(wěn)態(tài),稀釋率(D):補(bǔ)料速度與反應(yīng)器體積的比值(h-1),o,物料衡算（連續(xù)培養(yǎng)的反應(yīng)器特性）,對(duì)基質(zhì):,穩(wěn)態(tài),稀釋率(D):補(bǔ)料速度與反應(yīng)器體積的比值(h-1),D,S,x,連續(xù)培養(yǎng)操作的模型分析,最大,Dmax時(shí)會(huì)造成菌體的洗出,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)中，最終在此培養(yǎng)體系中生存下來(lái)的微生物都是此時(shí)刻對(duì)該種底物表現(xiàn)出最大生長(zhǎng)的微生物（或一個(gè)微生物生態(tài)）。,s0,當(dāng)只有B時(shí)建立穩(wěn)態(tài)：,B=D,對(duì)應(yīng)S0,如果引入微生物A：,=