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1、第八章發(fā)酵動(dòng)力學(xué)第1節(jié)概述多相：氣相、液相和固相。多組分：培養(yǎng)基中多種營(yíng)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分子化合物。動(dòng)態(tài)：不能直接測(cè)得。非線性：細(xì)胞代謝過(guò)程用非線性方程描述。復(fù)雜的生命活動(dòng)。一、發(fā)酵過(guò)程特點(diǎn)：二、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容發(fā)酵動(dòng)力學(xué)是以化學(xué)熱力學(xué)(研究反應(yīng)的方向)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)(研究反應(yīng)的速度)為基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)酵過(guò)程各種物質(zhì)的變化進(jìn)行描述。發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要包括：①細(xì)胞生長(zhǎng)和死亡動(dòng)力學(xué)；②基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)；③氧消耗動(dòng)力學(xué)；④CO2生成動(dòng)力學(xué)，⑤產(chǎn)物合成和降解動(dòng)力學(xué)；⑥代謝熱生成動(dòng)力學(xué)。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)雜的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)體系。三、研究
2、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的方法發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究的理想化狀態(tài)：①反應(yīng)器內(nèi)的攪拌系統(tǒng)能保證理想的混和，使任何區(qū) 域的溫度、pH、物質(zhì)濃度等變量差異得以避免；②溫度、pH等環(huán)境條件能夠控制以保持穩(wěn)定，從而 使動(dòng)力學(xué)參數(shù)也保持相應(yīng)的穩(wěn)定；③細(xì)胞有固有的化學(xué)組成，不隨發(fā)酵時(shí)間和某些發(fā)酵 條件的變化而發(fā)生明顯改變，④各種描述發(fā)酵動(dòng)態(tài)的變量對(duì)發(fā)酵條件變化的反應(yīng)無(wú) 明顯滯后。四、研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的步驟1.獲得發(fā)酵過(guò)程變化的第一手資料，要盡可能尋找能反映過(guò)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(lái)，找出它們之間的相互關(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(guò)計(jì)算機(jī)的在線控
3、制，反復(fù)驗(yàn)證各種模型的可行性與適用范圍。五、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)與過(guò)程優(yōu)化控制傳統(tǒng)的控制方法：憑經(jīng)驗(yàn)—局限性和盲目性優(yōu)化控制：按發(fā)酵動(dòng)力學(xué)原理，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理、綜合運(yùn)算和參數(shù)估計(jì)，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。要求：在線檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)過(guò)程控制第2節(jié)質(zhì)量與能量平衡（一)維持因數(shù)SS1菌體(Biomass)S2產(chǎn)物(Products)S3CO2，H2O，釋放化學(xué)能XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）+維持1.幾個(gè)相關(guān)術(shù)語(yǔ)維持因數(shù)：?jiǎn)挝毁|(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)由于維持代謝消耗的基質(zhì)量。維持因數(shù)越低，菌株的能量代謝效率越高。ms—以基質(zhì)消耗為基準(zhǔn)的維持因素，mol/(g·h)或g/(g·h)X—菌體干重，g;S—基質(zhì)
4、量，molorg;t—發(fā)酵時(shí)間,h;M—表示維持。（二）生長(zhǎng)得率：YX/S—相對(duì)于基質(zhì)消耗的實(shí)際生長(zhǎng)得率，g/molorg/g;?X—干菌體的生長(zhǎng)量，g;?S—基質(zhì)的消耗量，molorg;Ygs—相對(duì)于基質(zhì)消耗的純生長(zhǎng)得率，g/molorg/g;G—表示生長(zhǎng)理論生長(zhǎng)得率，極限值，常數(shù)又稱最大生長(zhǎng)得率或生長(zhǎng)得率常數(shù)①每消耗1molO2所能形成的菌體質(zhì)量（克），即：ΔO2—氧濃度的變化量(mol/L).生長(zhǎng)得率的其他表示方式：②Yx/Kcal是一種用能量基準(zhǔn)表示菌體繁殖收率的方法Yx/Kcal=△X/△E③YX/Ave-表示基質(zhì)完全氧化時(shí)，由一個(gè)電子轉(zhuǎn)移所引起的菌體繁殖量，是又一種能量基準(zhǔn)表示菌體
5、繁殖收率的方法。單位為g菌體/Ave-式中，Ave—表示有效電子數(shù)，它是微生物利用基質(zhì)（碳源）的氧化反應(yīng)過(guò)程中所實(shí)際轉(zhuǎn)移的電子數(shù)。④YX/C、YX/P、YX/N分別表示消耗1mol碳、1mol磷、1mol氮所生成的菌體細(xì)胞的質(zhì)量（克）。MS為底物的相對(duì)分子質(zhì)量⑤對(duì)ATP生成的細(xì)胞得率YX/ATP（三）產(chǎn)物得率：YP/S—相對(duì)于基質(zhì)消耗的實(shí)際生長(zhǎng)得率，mol/molorg/g;?P—產(chǎn)物生成量，molorg;?S—基質(zhì)的消耗量，molorg;Yps—相對(duì)于基質(zhì)消耗的理論產(chǎn)物得率，mol/molorg/g;P—表示產(chǎn)物合成菌體生長(zhǎng)速度為∶氧和底物利用速度為∶產(chǎn)物生成速度為:XS（底物）─→X（菌體
6、）＋P（產(chǎn)物）發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)的描述(g.L-1.s-1)比速率: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(h-1、s-1)菌體生長(zhǎng)得率系數(shù)可分為三類：①與生長(zhǎng)過(guò)程有關(guān)：②與代謝過(guò)程有關(guān)：③與能量代謝有關(guān)：某些微生物的得率系數(shù)（四）實(shí)際得率和菌體生長(zhǎng)速率的關(guān)系2.有機(jī)化合物中的化合能①完全燃燒需氧量設(shè)有機(jī)物CcHhOoNnPpSs，則其燃燒反應(yīng)方程式為：CcHhOoNnPpSs+(c+0.25h-0.5o+1.25n+1.25p+1.5s)O2→cCO2+(0.5h-0.5n-1.5p-s)H2O+nHNO3+pH3PO4+sH2SO4該化合物完全燃燒需氧量γ為γ＝0.25（4c+h-2o
7、+5n+5p+6s）②燃燒熱?H0=γ·?H0o?H0——化合物的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱，kJ/mol?H0o——消耗1摩爾氧為基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱，kJ/mol，實(shí)驗(yàn)值為444～494kJ/mol，平均值為469kJ/molγ——完全燃燒需氧量，mol/mol③發(fā)酵熱(分解代謝熱)?Hc——發(fā)酵中釋放的分解代謝熱，kJ?H0si——第i項(xiàng)基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱，kJ/mol－?Si——第i項(xiàng)基質(zhì)的消耗量，moln——
