发酵工程ppt韦革宏杨祥第3章6节.ppt

第三章 发酵机制及发酵动力学,第六节 微生物发酵的动力学,一、发酵动力学的研究内容,发酵动力学是一门以化学反应动力学原理和生物化学原理为基础，运用适当的数学工具，研究发酵过程中菌种生物量、基质、产物等变量之间定量数学关系的学科。,化学动力学,生物化学,生化反应动力学,发酵动力学,发酵动力学的学科基础,发酵动力学研究的核心问题是发酵过程各个变量速度和浓度的关系以及影响因素。,发酵动力学的表述方式是各种动力学模型。,发酵动力学研究的核心问题和表述方式,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,非结构论模型,结构论模型,确定论模型,概率论模型,A,C,D,B,发酵动力学模型的分类,二、发酵过程的反应描述及速度概念,X S（底物） X（菌体） P（产物）,发酵过程反应的描述,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）,基质的消耗比速：,(h-1),菌体的生长比速：,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）,得率系数的概念,得率系数指的是发酵过程中某两个变量之间的比例关系，一般用Ya/b表示， a、b分别表示这两个变量。,得率系数有两种：瞬时得率系数和平均得率系数。在一般的动力学研究中，如无特殊表明，均指平均得率系数。,同理，,发酵动力学基本关系,只有部分发酵过程的瞬时得率系数是常数，而另一些发酵过程它则是不断变化的。,三、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,减速期:,静止期：,衰亡期:,逐渐减小,(二) 微生物的生长动力学、Monod方程,微生物的生长速度： f(s,p,T,pH,),在一定条件下(基质限制)： f(S),：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数 max: 最大比生长速度,Monod方程,Logistic 方程,Moser 方程,Contois 方程,其他动力学模型,米氏方程:,Monod方程:,Monod方程与米氏方程的比较,m,Ks,(三)Monod方程的参数求解(双倒数法)：,将Monod方程取倒数可得：,或：,这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。,例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：,S(mg/l) 6 33 64 153 221 (h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70,求在该培养条件下，求大肠杆菌的max，Ks和对数期的td?,解：将数据整理：,S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221,max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L,tdln2/ max0.64 h,Gaden对发酵的三分类与Piret方程：,一类发酵 产物的形成和菌体的生长相偶联,x,p,四、产物形成动力学的基本概念,二类发酵 产物的形成和菌体的生长部分偶联,x,p,三类发酵 产物的形成和菌体的生长非偶联,x,p,Piret方程,a + b,a=0、b0： 可表示一类发酵,a0、b=0： 可表示三类发酵,a0、b0：可表示二类发酵,b即得率系数,五、基质消耗动力学的基本概念,S,S1 菌体,S2 产物,S3 维持,X S（底物） X（菌体） P（产物）+维持,维持消耗 指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。,X S（底物） X（菌体） P（产物）+维持,m: 维持消耗系数,YP/s: 产物对基质的理论得率系数,YX/s: 细胞对基质的理论得率系数,物料衡算：,在一间歇反应器中进行乳糖液中的纯菌种培养实验，得到如下数据：,试根据上述数据，按Monod方程决定其参数值。,思考题,第六节 微生物发酵的动力学,六、Monod模式的进一步探讨,一、 分批培养最适细胞浓度的推算,Cx,rx,rx,max,Cx,opt,分批培养细胞生长（绝对）速度与细胞浓度关系式,Cx,rx,rx,max,Cx,opt,酵母生产类胡萝卜素发酵动力学研究,二、发酵动力学研究举例,马歌丽 王岁楼 刘凤珠 (郑州轻工业学院食品与生物工程系 450002),Study on Fermentation Kinetics for Carotinoid by Rhodotorula MA Geli WANG Suilou LIU Fengzhu (Food& Biotechnology Department，Zhengzhou Institute of Light Industry， 450002),目标：建立菌体量和产物量与时间的关系,逻辑方程,a + b,a=0、b0： 可表示一类发酵,在一理想间歇式反应器中进行的一均相单底物无抑制酶促反应，初始底物浓度Cs0，在经过了反应时间t后，底物的转化率为Xs。若设米氏常数为Km，