发酵工程 第6章 发酵动力学.ppt

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1、第六章发酵动力学主要内容第一节概述第二节分批培养动力学第三节连续培养动力学第四节补料分批动力学第一节概述发酵动力学：研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。主要研究内容1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及其转化率、效率等；2、影响发酵动力学参数的各种理化因子；3、发酵动力学的数学模型。认识发酵过程的规律优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧，等等提高发酵产量、效率和转化率等研究发酵动力学的目的发酵反应动力学的研究内容研究

2、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已建立动力学模型的类型机制模型：根据反应机制建立几乎没有现象模型（经验模型）：目前大多数模型能定量地描述发酵过程能反映主要因素的影响一条主线：发酵工艺过程两个重点：发酵过程的优化与放大三个层次：分子、细胞、反应器四个目标：高产、高效、高转化率、低成本本章的重要性主要方法：基于发酵动力学研究来实现发酵放大条件的优化核心：发酵动力学研究，获得细胞生长及其产物合成放大过程特征及其对环境的

3、响应特征；重点研究微生物与物理、化学环境的相互作用，揭示放大规律。发酵过程放大的两个基本问题：反应器性能优化重点研究混合与传质问题，满足发酵最适条件需要侧重反应器的设计与放大生化反应：aA+bBcC+dD反应动态平衡改变条件破坏平衡如何能最快最多的获得目的产物温度酸碱度浓度催化剂如何确定高产高效的最佳条件？采用反应动力学方法进行定量研究动力学主要探讨反应速率问题：发酵动力学研究的几个层次（尺度）分子层次（酶催化与生物转化）基于关键生化反应（限速步）及其关键酶的动力学特征及其影响因素采用一系列分子水平的方法细胞层次

4、（代谢网络与细胞工厂）-基于细胞信号传导、代谢网络、细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现-采用一系列细胞水平的方法，包括细胞群体行为分析反应器层次（过程工程）基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应采用一系列优化反应器发酵条件的方法主要针对微生物发酵的表观动力学，通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率，主要包括：细胞生长动力学、底物消耗动力学、产物合成动力学课程重点重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。但研究过程中将涉及三

5、个层次的研究方法，达到认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。发酵动力学研究的方法（1）几个研究模型相关概念动力学是对细胞群体的动力学行为的描述■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。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。■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。如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为均衡生

6、长。如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化模型。■将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构模型。如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加比例不同，称为非均衡生长。非结构模型结构模型确定论模型最理想情况不考虑细胞内部结构各种细胞均一细胞群体做为一种溶质A细胞之间无差异，是均一的，细胞内有多个组分存在。B均衡生长概率论模型不考虑细胞内部结构各种细胞不均一C实际情况：细胞内多组分；细胞之间不均一D均衡生长对细胞群体的描述模型（2）宏

7、观处理法与微观方法相对，不研究细胞内部基因结构、表型、调控机制和代谢途径；而把细胞看成一种均匀分布的物质，研究宏观变量整体之间的关系的方法，建立非结构动力学模型。（3）质量平衡法（质量守恒定律）发酵系统中物质积累的速度物质进入系统的速度＋物质在系统生成的速度－物质排出系统的速度－物质在系统消耗的速度＝研究发酵动力学的步骤(1).为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。(2).将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。(3).建立各种数学模型以描

8、述各参数随时间变化的关系。(4).通过计算机的在线控制，反复验证各种模型的可行性与适用范围。发酵动力学与过程优化控制发酵动力学通过对微生物生长率、基质和氧消耗率、产物合成率的动态研究，实现发酵条件参数的在线检测，确定发酵动力学模型，实现动态过程优化控制，取得发酵产物最大，发酵过程的反应描述及速度概念XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）发酵研究的内容：发酵过