张嗣同发酵工程第五章发酵过程动力学的基本概念

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1、第 五 章 发 酵 过 程 动 力 学 的 基 本 概 念 发 酵 过 程 的 反 应 描 述 及 速 度 概 念 发 酵 过 程 动 力 学 研 究 的 基 本 内 容 菌 体 生 长 、 产 物 形 成 、 基 质 消 耗动 力 学 的 基 本 概 念 反 应 动 力 学 的 应 用 连 续 培 养 的 操 作 特 性 第 一 节 发 酵 过 程 的 反 应 描 述 及 速 度 概 念 XS（ 底 物 ） X（ 菌 体 ） P（ 产 物 ）发 酵 研 究 的 内 容 ：发 酵 过 程 反 应 的 描 述菌 种 的 来 源 找 到 一 个 好 的 菌 种发 酵 过 程 的 工 艺 控 制 最

2、 大 限 度 发 挥 菌 种 的 潜 力 基 质 的 消 耗 速 度 ： dsr dtdsdt X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 XS（ 底 物 ） X（ 菌 体 ） P（ 产 物 ） dsdt X基 质 的 消 耗 比 速 ： (h-1)菌 体 的 生 长 比 速 ： dxdt X产 物 的 形 成 比 速 ： dpdt X (h-1)(h-1)发 酵 过 程 反 应 速 度 的 描 述 XS（ 底 物 ） X

3、（ 菌 体 ） P（ 产 物 ） 第 二 节 发 酵 反 应 动 力 学 的 研 究 内 容研 究 反 应 速 度 及 其 影 响 因 素 并 建立 反 应 速 度 与 影 响 因 素 的 关 联反 应 动 力 学 模 型反 应 器 特 性+ 反应器的操作模型 操 作 条 件 与 反 应 结果 的 关 系 ， 定 量 地控 制 反 应 过 程 已 建 立 动 力 学 模 型 的 类 型q 机 制 模 型 ： 根 据 反 应 机 制 建 立几 乎 没 有q 现 象 模 型 （ 经 验 模 型 ） ： 目 前 大 多 数 模 型 能 定 量 地 描 述 发 酵 过 程 能 反 映 主 要 因 素

4、的 影 响 第 三 节 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 ： dxdt 0指 数 生 长 期 : max倍 增 时 间 ： td减 速 期 : ddt 0静 止 期 ： ;dxdt 0 maxX X衰 亡 期 : dxdt 0 二 、 微 生 物 的 生 长 动 力 学 、 Monod方 程q 微 生 物 的 生 长 速 度 ： f(s,p,T,pH,)q 在 一 定 条 件 下 (基 质 限 制 )： f(S

5、) Monod研 究 了 基 质 浓 度 与 生 长 速 度 的 关 系Monod方 程 (1949) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 200 400 600 800 1000S V Vm Vm/2 K m 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 200 400 600 800 1000S V Vm Vm/2 K m max sSK S max sSv v K S 米 氏 方 程 : 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0S V V m V m /2 K m max

6、sSK S ： 菌 体 的 生 长 比 速 S： 限 制 性 基 质 浓 度 Ks： 半 饱 和 常 数max: 最 大 比 生 长 速 度 单 一 限 制 性 基 质 ： 就 是指 在 培 养 微 生 物 的 营 养物 中 ， 对 微 生 物 的 生 长起 到 限 制 作 用 的 营 养 物 。 Monod方 程 的 参 数 求 解 (双 倒 数 法 )：将 Monod方 程 取 倒 数 可 得 ：1 1 1 sm m SK sm mS KS 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

7、计 算 出 Monod方 程 的 两个 参 数 。 max sK S S 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(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 max， Ks和 td?解 ： 将 数 据 整 理 ：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221 sm mS KS max， 1.11 (h-1); Ks 97.6 mg/L0 100 2000100200300400/s

8、s m1 0.9 m 108.4sk td ln2/ max 0.64 hsm mS KS 第 四 节 产 物 形 成 动 力 学 的 基 本 概 念一 、 初 级 代 谢 产 物 和 次 级 代 谢 产 物次 级 代 谢 产 物 ： 还 有 一 类 产 物 ， 对 细 胞 的 代 谢 功 能 没 有 明 显 的 影 响 ， 一 般 是 在 稳 定 期 形 成 ， 如 抗 生 素 等 ， 这 一 类 化 合 物 称 为 次 级 代 谢 产 物 。初 级 代 谢 产 物 ： 微 生 物 合 成 的 主 要 供 给 细 胞 生 长 的 一 类 物 质 。 如 氨 基 酸 、 核 苷 酸 等 等 ，

9、 这 些 物 质 称 为 初 级 代 谢 产 物 。 二 、 Gaden对 发 酵 的 三 分 类 与 Pirt方 程 ： 一 类 发 酵 产 物 的 形 成 和 菌 体 的 生 长 相 偶 联xp 二 类 发 酵 产 物 的 形 成 和 菌 体 的 生 长 部 分 偶 联xp 三 类 发 酵 产 物 的 形 成 和 菌 体 的 生 长 非 偶 联 偶 联xp Pirt方 程 a + bq a=0、 b0： 可 表 示 一 类 发 酵q a0、 b=0： 可 表 示 二 类 发 酵q a0、 b0： 可 表 示 三 类 发 酵 第 五 节 基 质 消 耗 动 力 学 的 基 本 概 念S S1

10、 菌 体S2 产 物S3 维 持 XS（ 底 物 ） X（ 菌 体 ） P（ 产 物 ） +维 持维 持 消 耗 (m) ：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 。 XS（ 底 物 ） X（ 菌 体 ） P（ 产 物 ） +维 持m: 维 持 消 耗 系 数 YP/s: 产 物 对 基 质 的 理 论 得 率 系 数X Ps s mY Y YX/s: 细 胞 对 基 质 的 理 论 得 率 系 数31 2 dsds dsdsdt d

11、t dt dt 物 料 衡 算 ： o第 六 节 反 应 动 力 学 的 应 用 连 续 培 养 的 操 作 特 性连 续 反 应 器 ： 流 入 速 度 =流 出 速 度 =F反 应 器 内 (V)全 混 流 溶 质 浓 度 处 处 相 等 o物 料 衡 算 （ 连 续 培 养 的 反 应 器 特 性 ）对 菌 体 :稳 态 0dxdt dx V xV Fxdt xV Fx F DV 稀 释 率 (D):补 料 速 度 与反 应 器 体 积的 比 值 (h-1) o物 料 衡 算 （ 连 续 培 养 的 反 应 器 特 性 ）对 基 质 :稳 态 0dsdt 0ds V Fx xV Fxdt

12、 稀 释 率 (D):补 料 速 度 与反 应 器 体 积的 比 值 (h-1)0( )D s sx D 0( )sD sx X sY max sK S S D S x 连 续 培 养 操 作 的 模 型 分 析 0max max0sSK S 最 大Dmax时 会 造 成 菌 体 的 洗 出 0 2 4 6 8 10 12 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 D S, X , DX X S DX连 续 培 养 的 操 作 特 性 连 续 培 养 富 集 微 生 物 的 原 理连 续 培 养 中 ， 最 终 在 此培 养 体 系 中 生 存 下 来 的微 生 物 都 是 此 时 刻

13、对 该种 底 物 表 现 出 最 大 生 长 的 微 生 物 （ 或 一 个 微 生物 生 态 ） 。 s0 当 只 有 B时 建 立 稳 态 ：B=D,对 应 S0如 果 引 入 微 生 物 A：= A (S0)A Dx增 加s下 降A B下 降BD被 洗 出 本 章 小 节 了 解 发 酵 反 应 动 力 学 研 究 的 基 本内 容 及 其 中 的 基 本 概 念 掌 握 MONOD方 程 ， 及 其 参 数 的 求 解 了 解 连 续 培 养 的 特 性 maxdxdt x max0ln tx tx maxln2dt Growth Rate Doubling time h-1 h E. coli 2 0.35 Yeast 0.3 2.3 Hybridoma 0.05 13.9 Insect Cells 0.06 11.6 Organism 典 型 微 生 物 的 生 长 速 度