发酵工艺学第六.ppt
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1、 第六章 发酵动力学 一、动力学基本概念 二、分批发酵动力学 三、连续发酵动力学 四、分批补料发酵动力学 发酵过程:包括细胞内的生化反应,胞内 与胞外的物质交换,胞外物质传递及反应。 微生物是该反应过程的主体:是生物催化剂, 又是一微小的反应容器。 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系。 酶能够进行再生产。 微生物反应是非常复杂的反应过程 (1)反应体系中有细胞的生长,基质消耗和产 物的生成,有各自的最佳反应条件。 细胞生长动力学 反应基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 (2)微生物反应有多种代谢途径。 (3)微生物反应过程中,细胞形态、组成要经 历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段,不同菌
2、龄,有不同的活性。 动力学定义:是对细胞群体的动力学行为的描述。 不考虑细胞之间的差别,而是取性质上的平均值 ,在此基础上建立的模型称为确定论模型,如果 考虑每个细胞之间的差别,则建立的模型为概率 论模型。 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型, 称为结构模型,一般选取RNA、DNA、糖类及蛋 白含量做为过程变量。菌体视为单组分的模型为 非结构模型,通过物料平衡建立超经验或半经验 的关联模型。 一、动力学基本概念 发酵研究的内容 菌种的来源找到一个好的菌种 发酵过程的工艺控制最大限度发挥菌种 的潜力 X S(底物) X(菌体) P(产物) 发酵动力学中常用的几个术语 1得率(或产率,转化率
3、,Y):包括生长得率 (Yx/s)和产物得率(Yp/s)。 得率:是指被消耗的物质和所合成产物之间的量 的关系。 生长得率:是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳 源)所产生的菌体重(g),即Yx/s=X/S。 产物得率:是指每消耗1g(或mol)基质所合成的 产物g数(或mol)。这里消耗的基质是指被微生物 实际利用掉的基质数量,即投入的基数减去残留 的基质量(S、-S)。 转化率:往往是指投入的原料与合成产物数量 之比。 2基质比消耗速率(qs ,g(或mo1)g菌体h): 系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它 表示细胞对营养物质利用的速率或效率。 在比较不同微生物的发酵效率上这个
4、参数很有用 。 3产物比生产速率(qp,g(或mo1)g菌体h):系 指每克菌体在一小时内合成产物的量,它表示细 胞合成产物的速度或能力,可以作为判断微生物 合成代谢产物的效率。 4发酵周期:实验周期是指接种开始至培养结束 放罐这段时间。 但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把 发酵罐的清洗、投料、灭菌、冷却等辅助时间也 计算在内。即从第一罐接种经发酵结束至第二次 接种为止这段时间为一个发酵周期,这样才能正 确反映发酵设备的利用效率。 研究发酵动力学的目的 (1)确定最佳发酵工艺条件 (2)建立发酵过程中菌体浓度、基质浓 度、温度、pH、溶氧等工艺参数的控制 方案 (3)可在此研究基础上进行优
5、选。 发酵动力学的作用 要进行合理的发酵过程设计,必须以发酵动力学模 型作为依据。 目前国内外正利用电子计算机,根据发酵动力学模 型来设计程序,模拟最优化的工艺流程和发酵工艺 参数,从而使生产控制达到最优化。 发酵动力学的研究正在为试验工厂数据的放大、为 分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。 基质的消耗速度: 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 X S(底物) X(菌体) P(产物) 发酵过程的反应描述及速度概念 基质的消耗比速:(h-1) 菌体
6、的生长比速: 产物的形成比速: (h-1) (h-1) 发酵过程反应速度的描述 X S(底物) X(菌体) P(产物) 发酵过程的反应描述及速度概念 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 微 生 物 的 发 酵 方 式 根据发酵培养基的状态分: 固态发酵、液态(液体深层)发酵、半固态发酵 分批式发酵 连续式发酵 补料分批式发酵 二、分批发酵动力学 分批发酵,又叫间歇发酵,最简单也是最常见的 工业发酵方式。 它是在一个密闭系统内一次性加入营养物质和菌
7、种进行培养,直到结束放出,中间除了空气进入 和尾气排出,与外部没有物料交换。但中间须对 pH和温度进行控制。 优点:操作简单、不容易染菌、投资低 缺点:生产能力和效率低,劳动强度大,而且每 批发酵的结果都不完全一样,对分离提纯造成了 困难。 1、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 减速期: 静止期: ; 衰亡期: 1 2 3 4 延迟期(迟滞期) 少量细菌接种到新鲜培养基后,一般不立刻进行繁殖,生长速 度接近于零,因此开始的一段时间,细菌数量几乎保持不变。 出现的原因? 解决的方法? 问题:发酵
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