生化工程第五章微生物培养及发酵动力学.ppt
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1、第五章 微生物培养及发酵动力学,内容,1 基本概念 2 微生物反应的物料衡算 3 微生物反应的能量衡算 4 微生物反应动力学,微生物生长的基质,微生物反应的特点,二 微生物反应过程的质量衡算,例题:(选自贾士儒4869页) 1.葡萄糖为基质进行面包酵母(S.cereviseae)培养,培养的反应式可用下式表达,求计量关系中的系数a、b、c、d。 反应式为: C6H12O63O2aNH3 bC6H10 NO3(面包酵母)cH2OdCO2,解:据平衡方程式,可得: C: 6=6b+d H: 12+3a=10b+2c O: 6+6=3b+c+2d N: a=b 方程联立求解为:a=b0.48 c=4
2、.32 d=3.12 上述反应计量关系式为: C6H12O63O20.48NH3 0.48C6H10NO34.32H2O 3.12CO2,练习 1葡萄糖为碳源,NH3为氮源进行酿酒酵母发酵。呼吸商1.04。消耗100mol葡萄糖和48mol NH3生产了48 mol菌体、312 mol CO2和432molH2O。求氧的消耗量和酵母菌体的化学组成。(呼吸商RQCO2 生成速率/O2消耗速率),第二节 微生物反应过程的得率系数 研究得率系数的意义: 对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数。 分为以下几类:,部分菌体得率与产物得率 得率 定义单位 YX/S消耗1g或1mol基质
3、获得的干菌体克数,g/g, g/mol YATP消耗1molATP获得的干菌体克数,g/mol YKJ消耗1KJ热量获得的干菌体克数, g/KJ YX/O消耗1gO2获得的干菌体克数,g/g YX/H 1mol氢受体产生的干菌体克数,g/mol YX/N 消耗1g氮产生的干菌体克数,g/mol YX/NO3-消耗1mol NO3获得的干菌体克数,g/mol YCO2/S消耗1mol基质产生的CO2的摩尔数,mol /mol YCO2/O消耗1mol O2产生的CO2的摩尔数,mol /mol YATP/S消耗1mol基质获得的ATP的摩尔数,mol /mol Yave-消耗1个有效电子获得的干
4、菌体克数,g/ave,细胞得率(生长得率): YX/S生产细胞的质量g / 消耗基质的质量g X/(-S) 碳元素的细胞得率: YC 细胞生产量细胞含碳量/基质消耗量 基质含碳量 YX/S(Xc/Sc),1葡萄糖为碳源,NH3为氮源进行某细菌的好氧培养。消耗的葡萄糖有2/3的碳源转化为细胞中的碳。反应式为: C6H12O6aO2bNH3 c(C4.4OH7.3N0.86O1. 2)dH2O eCO2 计算上述反应中的得率系数YX/S 和YX/O 解:据平衡方程式,可得: C: 6=4.4ce H: 12+3b=7.3c+2d O: 6+2a=2.2c+d +2e N: b=0.86c 由于1m
5、ol葡萄糖中含碳72g, 转化为细胞内的碳为722/3=48(g) 故:(4.412)c=48 得: c= 0.91,转化为CO2的碳为724824(g) 故: 12e=24 e=2 解平衡方程中其他未知数,得: b=0.78; d=3.85; a=1.47 故平衡方程为: C6H12O61.47O20.78NH3 0.91(C4.4OH7.3N0.86O1.2)3.85H2O2CO2 YX/S0.91(124.4167.3140.86161.2)/ 1800.46(g/g)(以细胞/葡萄糖计) YX/O83.1/(1.4732)1.77(g/g)(以细胞/氧计),第三节 微生物反应过程的能量
6、衡算 微生物反应是放热过程。 微生物利用碳源,通过呼吸(有氧)或发酵(无氧)将能量转化为ATP,供微生物生长、代谢,其余能量作为热量排出,进行微生物优化培养时,必须进行适宜的温度控制。 从反应热的角度考虑反应过程中的能量代谢,进行能量衡算。,一 菌体得率 1YKJ :微生物对能量的利用(消耗1KJ热量获得的干菌体克数, g/KJ) YKJ X (细胞生产量) Ea(细胞贮存自由能)+Eb(分解代谢释放自由能) (-Ha)(X)+(-Hc) Ha :菌体X的燃烧热为基准的焓变,因菌体不同,一般 取值Ha22.15kJ/g Hc :所消耗基质的焓变与代谢产物焓变之差, Hc (-Hs)(-S)-
7、(-Hp)( P) (-H0*)(-O2) Hs :碳源氧化的焓变,kJ/mol; Hp :产物氧化的焓变,kJ/mol; H0*:为呼吸反应焓变444 kJ/mol-O2,故总表达式可写为: YKJ X (-Ha)(X)+ (-Hs)(-S)- (-Hp)( P) Yx/s (-Ha) Yx/s + (-Hs) - (-Hp) Yp/s,干酪乳杆菌在蛋白胨、牛肉膏为主要成分的复合培养基 中,分别以葡萄糖、甘露醇为能源进行培养,计算YKJ 由化工手册查知: H葡萄糖2816 kJ/mol,H乙酸870 kJ/mol, H乙醇1368 kJ/mol, H甲醇264 kJ/mol,H乳酸1363
8、kJ/mol, H甘露醇3038 kJ/mol, Ha22.15 kJ/mol,解:以葡萄糖为能源时, YKJ Yx/s (-Ha) Yx/s + (-Hs) - (-Hp) Yp/s 其中: (-Hp) Yp/s13630.05 8701.05 13680.94 2641.76 2732(kJ/mol) YKJ 62.0 22.1562.0 + 2816 - 2732 0.043 (g/kJ) 以甘露醇为能源时, (-Hp) Yp/s13630.4 8700.22 13681.29 2641.6 2925(kJ/mol) YKJ 40.5 22.1540.5 + 3038 - 2925 0.
9、041 (g/kJ),2 反应热(代谢热或发酵热) Hh 基质燃烧热菌体燃烧热产物燃烧热 = HsS- HxX -HpP 例题: 葡萄糖为惟一碳源进行酵母培养。反应式为: 1.11C6H12O62.10O2 C.3. 92 H6. 5O 1. 943.42H2O 2.75CO2 求(1)Yx/s; (2) 生成1kg细胞量时的Hh。已知酵母细胞和葡萄糖的燃烧热分别为1.50104kJ/kg和1.59104kJ/kg。,解: Yx/s酵母细胞分子质量/1.11葡萄糖分子质量 3.92126.51.9416 / 1.11180 84.58/199.8 0.42(kg/kg) 生成1kg酵母细胞需要
10、葡萄糖1/0.42=2.38(kg) Hh HsS- HxX 1.591042.381.501041 2.25104(kJ),2.分别采用含有蛋白胨和牛肉膏的复合培养基、含有多种氨基酸合成培养基和基本培养基进行单胞菌的厌氧培养。碳源为葡萄糖,获得如下结果(下表)。已知菌体的含碳量(以碳源/细胞计)为0.45g/g ,求采用不同培养基时的YkJ. 化工手册可知H葡萄糖2816kJ/mol, H乙醇1368kJ/mol, H乳酸1363kJ/mol, Ha22.15kJ/mol.,一 发酵动力学研究内容: 研究细胞生长速度与产物生成速 度的关系及环境条件对速度的影响。 二 发酵过程的反应描述:,X
11、 S(底物) X(菌体) P(产物),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,定量地在线控制反应过程,调整期,对数期,稳定期,衰亡期,二 微生物生长曲线,第一节 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:,指数生长期:,倍增时间:td,静止期: ;,衰亡期:,一 指数生长方程 dX/dt = ( )X X为微生物的菌体浓度,单位体积内干细胞质量(g/L); 比生长速率,每单位细胞浓度的
12、生长速率(1/min;1/h); 为细胞自溶或内源代谢速率,其导致细胞量的损失. 在 指数生长期,,故上式可改写为: dX/dt = X, 积分变形为: ln (X/X0) =t 或 t = ln (X/X0) / 或 X=X0 et,第二节 微生物生长动力学,注: 1)一般情况下,在微生物生长的各阶段,细胞增值规律均符合指数生长定律,但值随时间变化; 2)在指数生长期,值达最大m ,且保持稳定;其他生长期, 值随时间变化。 3)表示微生物生长快慢的另一方法: 倍增时间td:菌体细胞质量增加一倍所需的时间 td =0.693/,例: 以乙醇为碳源进行产气杆菌培养,菌体初始浓度X0=0.1kg/
13、m3,培养至3.2h,菌体浓度为8.44kg/m3 ,若不考虑延迟期,而且一定,求td,二 Monod方程 随温度、pH、基质浓度、产物浓度、溶氧等条件而变化. f(s,p,T,pH,) Monod发现:在一定条件下(基质限制) f(S) 经验公式:m S/ (Ks + S),:菌体的生长比速(1/h) S:限制性基质浓度(g/L) Ks:饱和常数(相当于1/2m时的限制性基质浓度, g/L ) max: 最大生长比速(1/h),:菌体的生长比速 S:限制性基质浓度 Ks:饱和常数(相当于1/2m时 的限制性基质浓度, g/L ) max: 最大生长比速(1/h),S Ks时,S直线关系 S
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- 生化 工程 第五 微生物 培养 发酵 动力学
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