發(fā)酵工程05第五章 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模式和發(fā)酵方法ppt課件.ppt

《發(fā)酵工程05第五章 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模式和發(fā)酵方法ppt課件.ppt》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、第三章發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模式和發(fā)酵培養(yǎng)方法第一節(jié)微生物反應(yīng)過程概論一、微生物反應(yīng)過程的主要特征微生物是該反應(yīng)過程的主體：是生物催化劑，又是一微小的反應(yīng)容器。微生物反應(yīng)的本質(zhì)是復(fù)雜的酶催化反應(yīng)體系。酶能夠進(jìn)行再生產(chǎn)。微生物反應(yīng)是非常復(fù)雜的反應(yīng)過程（1）反應(yīng)體系中有細(xì)胞的生長，基質(zhì)消耗和產(chǎn)物的生成，有各自的最佳反應(yīng)條件。（2）微生物反應(yīng)有多種代謝途徑。（3）微生物反應(yīng)過程中，細(xì)胞形態(tài)、組成要經(jīng)歷生長、繁殖、維持、死亡等若干階段，不同菌齡，有不同的活性。二、微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的描述方法細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)反應(yīng)基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)代謝產(chǎn)物

2、生成動(dòng)力學(xué)發(fā)酵過程：包括細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)，胞內(nèi)與胞外的物質(zhì)交換，胞外物質(zhì)傳遞及反應(yīng)。發(fā)酵過程特點(diǎn)多相：氣相、液相和固相多組分：培養(yǎng)基中多種營養(yǎng)成分，多種代謝產(chǎn)物，細(xì)胞內(nèi)也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。非線性：細(xì)胞代謝過程用非線性方程描述。復(fù)雜群體的生命活動(dòng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)描述的簡化動(dòng)力學(xué)是對(duì)細(xì)胞群體的動(dòng)力學(xué)行為的描述不考慮細(xì)胞之間的差別，而是取性質(zhì)上的平均值，在此基礎(chǔ)上建立的模型稱為確定論模型，如果考試每個(gè)細(xì)胞之間的差別，則建立的模型為概率論模型。如果在考慮細(xì)胞組成變化的基礎(chǔ)上建立的模型，稱為結(jié)構(gòu)模型，一般

3、選取RNA、DNA、糖類及蛋白含量做為過程變量。菌體視為單組分的模型為非結(jié)構(gòu)模型，通過物料平衡建立超經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)模型。如果細(xì)胞內(nèi)的各種成分均以相同的比例增加，稱為均衡生長。如果由于各組分的合成速率不同而使各組分增加比例不同，稱為非均衡生長。生長模型的簡化考慮一般采用均衡生長的非結(jié)構(gòu)模型。將細(xì)胞作為與培養(yǎng)液分離的生物相處理所建立的模型為分離化模型。在細(xì)胞濃度很高時(shí)采用。如果把細(xì)胞和培養(yǎng)液視為一相，建立的模型為均一化模型。非結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型確定論模型最理想情況不考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)各種細(xì)胞均一細(xì)胞群體做為一種溶質(zhì)

4、A細(xì)胞之間無差異，是均一的，細(xì)胞內(nèi)有多個(gè)組分存在。B均衡生長概率論模型不考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)各種細(xì)胞不均一C實(shí)際情況：細(xì)胞內(nèi)多組分；細(xì)胞之間不均一D均衡生長對(duì)細(xì)胞群體的描述模型發(fā)酵動(dòng)力學(xué)中常用的幾個(gè)術(shù)語1．得率(或產(chǎn)率，轉(zhuǎn)化率，Y)：包括生長得率(Yx/s)和產(chǎn)物得率(Yp/s)。得率：是指被消耗的物質(zhì)和所合成產(chǎn)物之間的量的關(guān)系。生長得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)(一般指碳源)所產(chǎn)生的菌體重(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS。產(chǎn)物得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)所合成的產(chǎn)物g數(shù)(或mol數(shù))。這里消耗的基質(zhì)是

5、指被微生物實(shí)際利用掉的基質(zhì)數(shù)量，即投入的基數(shù)減去殘留的基質(zhì)量(S。-S)。轉(zhuǎn)化率：往往是指投入的原料與合成產(chǎn)物數(shù)量之比。提高微生物生長得率的措施首先，要篩選優(yōu)良的菌種，其本身就應(yīng)具備高的生長得率。其二，要選擇合適的培養(yǎng)基配方，提供略微過量的其它營養(yǎng)物質(zhì)，使碳源成為最終的限制性物質(zhì)。其三，還須選擇和控制合適的培養(yǎng)條件，使得微生物的代謝按所需方向進(jìn)行。另外，在發(fā)酵的操作過程中要盡量防止雜菌污染。2．基質(zhì)比消耗速率(qs，g(或mo1)／g菌體·h)：系指每克菌體在一小時(shí)內(nèi)消耗營養(yǎng)物質(zhì)的量。它表示細(xì)胞對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)利用的

6、速率或效率。在比較不同微生物的發(fā)酵效率上這個(gè)參數(shù)很有用。3．產(chǎn)物比生產(chǎn)速率(qp，g(或mo1)／g菌體·h)：系指每克菌體在一小時(shí)內(nèi)合成產(chǎn)物的量，它表示細(xì)胞合成產(chǎn)物的速度或能力，可以作為判斷微生物合成代謝產(chǎn)物的效率。4．發(fā)酵周期：實(shí)驗(yàn)周期是指接種開始至培養(yǎng)結(jié)束放罐這段時(shí)間。但在工業(yè)生產(chǎn)上計(jì)算勞動(dòng)生產(chǎn)率時(shí)則還應(yīng)把發(fā)酵罐的清洗、投料、滅菌、冷卻等輔助時(shí)間也計(jì)算在內(nèi)。即從第一罐接種經(jīng)發(fā)酵結(jié)束至第二次接種為止這段時(shí)間為一個(gè)發(fā)酵周期，這樣才能正確反映發(fā)酵設(shè)備的利用效率。工業(yè)發(fā)酵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一、容量產(chǎn)率和產(chǎn)物形成的比速

7、率容量產(chǎn)率指的是單位時(shí)間內(nèi)單位反應(yīng)器容積的產(chǎn)物。計(jì)算產(chǎn)率時(shí)，不僅應(yīng)把合成產(chǎn)物所用時(shí)間考慮進(jìn)去，還應(yīng)計(jì)入與生產(chǎn)相關(guān)的其他時(shí)間，即發(fā)酵罐的維修、清洗、準(zhǔn)備所用時(shí)間，滅菌時(shí)間，以及接種后的延滯期時(shí)間，這樣才能全面、客觀地評(píng)估出工藝過程的成本效益。分批發(fā)酵的容量產(chǎn)率產(chǎn)物形成曲線的切線表示的是最大容量產(chǎn)率；連接原點(diǎn)和產(chǎn)物形成曲線終點(diǎn)的連線．其斜率表示的是總的平均容量產(chǎn)率。研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的步驟1.為了獲得發(fā)酵過程變化的第一手資料，要盡可能尋找能反映過程變化的各種理化參數(shù)。2.將各種參數(shù)變化和現(xiàn)象與發(fā)酵代謝規(guī)律聯(lián)系起來，找出

8、它們之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律。3.建立各種數(shù)學(xué)模型以描述各參數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系。4.通過計(jì)算機(jī)的在線控制，反復(fù)驗(yàn)證各種模型的可行性與適用范圍。發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容主要包括：細(xì)胞生長和死亡動(dòng)力學(xué)，基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)，氧消耗動(dòng)力學(xué)，CO2生成動(dòng)力學(xué)，產(chǎn)物合成和降解動(dòng)力學(xué)，代謝熱生成動(dòng)力學(xué)等。以上各方面不是孤立的，而是既相互依賴又相互制約，構(gòu)成錯(cuò)綜復(fù)雜、豐富多彩的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)體系。過程控制和監(jiān)測(cè)S