《發(fā)酵動(dòng)力學(xué)》課件

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1、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)過程。第五章發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究對象：菌體生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成三者間的動(dòng)態(tài)平衡及內(nèi)在規(guī)律。研究目的：①進(jìn)行最佳發(fā)酵工藝條件的優(yōu)選和控制，如發(fā)酵過程中菌體濃度、基質(zhì)濃度、溫度、pH值、溶解氧等工藝參數(shù)；②根據(jù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型來設(shè)計(jì)程序，模擬最合適的工藝流程和發(fā)酵工藝參數(shù)，使生產(chǎn)控制達(dá)到自動(dòng)化和最佳化；③為試驗(yàn)工廠數(shù)據(jù)的放大和分批發(fā)酵過渡到連續(xù)發(fā)酵提供理論依據(jù)。第一節(jié)微生物生長代謝過程中的質(zhì)量平衡一、微生物

2、反應(yīng)(生長代謝)過程中的碳平衡微生物反應(yīng)通式：碳源＋氮源＋O2→菌體＋產(chǎn)物＋CO2+H2O微生物代謝的化學(xué)分子反應(yīng)可表示為：CHmOn+aNH3+bO2→Yc·CHxOyNz+Ycp·CHuOvNw+(1-Yc-Ycp)CO2+dH2OYc：是與碳相關(guān)的菌體得率，Ycp：是與碳相關(guān)的代調(diào)產(chǎn)物的得率。根據(jù)反應(yīng)平衡原理有：a＝Y(jié)c·z+Ycp·wb＝(1-Yc-Ycp+m/4-n/2)+(Ycp/4)·(2v+3w-u)+(Yc/4)(2y+3z-x)d＝m/2+(Ycp/2)(3w-u)+(Yc/2)(3z-x)10-2式1、最低培

3、養(yǎng)基與完全培養(yǎng)基(1)二者的概念；最低培養(yǎng)基：培養(yǎng)基是由單一碳源葡萄糖與無機(jī)鹽組成，葡萄糖在微生物生長過程即作為生長所需能源，又作為構(gòu)成菌體的材料完全培養(yǎng)基：在培養(yǎng)基內(nèi)不但含有碳源和無機(jī)鹽，還含有構(gòu)成菌體所需的材料，如酵母膏等(2)微生物對兩種培養(yǎng)基的用途不同。2、代謝過程中基質(zhì)和產(chǎn)物之間的C素平衡根據(jù)基質(zhì)的變化情況可建立如下平衡關(guān)系：CS=CX+CP+CCO2如果用α1、α2、α3、α4表示基質(zhì)、菌體、CO2、產(chǎn)物中碳的含量(g碳/mol)則，上述平衡也可表示為：（微生物的基質(zhì)消耗比速）（微生物的生長比速）（微生物的CO2生成比

4、速）（微生物的產(chǎn)物生成比速）若定義：則，上式可簡化為：由上式可以判斷代謝途徑：此值接近1，說明估計(jì)途徑基本正確；小于0.6，則途徑有誤差。3、微生物生長過程中的主要基質(zhì)——碳平衡在以糖為碳源的生長過程中，消耗的碳(△S)主要用來：(1)滿足菌體生長(個(gè)體增加)的需要，(△S)G；(2)維持菌體生存(能量)的消耗，(△S)m；(3)轉(zhuǎn)變?yōu)榇x產(chǎn)物所消耗，(△S)P；則可表示為：若用YG—表示用于微生物生長的部分碳源對菌體的得率常數(shù)；m—表示微生物的碳源維持常數(shù)；YP—表示用于微生物產(chǎn)物合成部分碳源對代謝產(chǎn)物的得率常數(shù)；則有所以：--

5、-----------式（10-7）在以細(xì)胞為目的產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)中，如果忽略代謝產(chǎn)物的量，則有：mμ(h-1)YG－1用μ對ν作圖，得直線，可求得維持常數(shù)m，用于微生物生長的碳源對菌體的得率常數(shù)YG的倒數(shù)。如下圖所示：若定義YX/S為基質(zhì)對菌體的得率，即：則：而：?即有：用μ-1對作圖，也得直線。YG－1斜率＝mμ-14、細(xì)胞物質(zhì)生產(chǎn)過程中碳源的化學(xué)平衡YG越接近YX/S，說明碳源轉(zhuǎn)化為菌體的效率越高。注意理解YX/S與YG的區(qū)別5、微生物生長過程中進(jìn)行碳衡算的意義(1)為提高生產(chǎn)水平提供依據(jù)。(2)為建立發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型奠定基礎(chǔ)。

6、(3)為探求X的代謝調(diào)控方式打下基礎(chǔ)。二、生長代謝過程中的ATP循環(huán)與氧平衡1、ATP循環(huán)合成代謝分解代謝維持代謝ATPADP繁殖2、ATP的產(chǎn)生——生物氧化底物水平磷酸化(獲得能量少)電子傳遞水平磷酸化(獲得能量多)底物水平磷酸化H2OPi底物水平磷酸化NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c-c1-aa3FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c1-c-aa3Co

7、QH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸3、微生物生長代謝過程中的氧平衡根據(jù)單一碳源培養(yǎng)基內(nèi)，可建立下列平衡：A(-△S)=B(△X)+C(△P)+(△O2)式中：A、B、C分別為對應(yīng)物質(zhì)完全氧化時(shí)的需氧量.△O2為微生物生長代謝的耗氧量由此可得到M培養(yǎng)時(shí)氧平衡式為（假設(shè)沒有產(chǎn)物生成）：即：-------------式（10-10）△O2單位時(shí)間內(nèi)維持生命活動(dòng)的耗氧：m0X△t生長菌體的耗氧：△X/YGOYGO用于菌體生長的氧對菌體的得率則有：△O2＝m0X△t＋△X/YGO-----（10-11）根據(jù)定義并結(jié)合10-11式

8、，有：-------------式（10-12）Xm0μ(h-1)YGO－1當(dāng)：由實(shí)驗(yàn)求得微生物的某一生長比速μ對其所對應(yīng)的耗氧比速Q(mào)o2作圖時(shí)，可得到一直線(如下圖所示)，可確定相應(yīng)的參數(shù)mo和1/YGO。-------------式（10-7）