发酵工程韦革宏杨祥第3章6节

1、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。间定量数学关系的学科。化学动力学化学动力学生物化学生物化学生化反应动力学生化反应动力学发酵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发酵动力学研究的核心问题是发酵过程各个变量变量速度速度和和浓度浓度的关系以及影响因素。的关系以及影响因素。发酵动力学的表述方式是各种发酵动力学

2、的表述方式是各种动力学模型动力学模型。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q 机制模型：根据反应机制建立几乎没有q 现象模型（经验模型）：目前大多数模型q 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非结构论模型结构论模型结构论模型确定论模型确定论模型概率论模型概率论模型ACDB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 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）发酵过程反应的描述基质的消耗速度：基质的消耗速度：dsrdt dsdt X X发酵过程反应速度的描述发酵过程反应速度的描述基质的消耗基质的消耗比速比速：(g.L-1.s-1)(

3、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 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）dsdt X X基质的消耗比速：(h-1)菌体的生长比速：dxdtX X产物的形成比速：dpdtX X(h-1)(h-1)发酵过程反应速度的描述 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）得率系数的概念 得率系数得率系数指的是发酵过程中某两个变量之间的比例关指的是发酵过程中某两个变量之间的比例关系，一般用系，一般用Ya/b表示，表示， a、b分别表示这两个变量。分别表示这两个变量。 得率系数有两种：得率系

4、数有两种：瞬时得率系数瞬时得率系数和和平均得率系数平均得率系数。在。在一般的动力学研究中，如无特殊表明，均指平均得率系数。一般的动力学研究中，如无特殊表明，均指平均得率系数。ssxxrYr/xxssrYr/ppxxrYr/xxpprYr/ppssrYr/sspprYr/sppsxppxxssxYYYYYY/同理，同理，发酵动力学基本关系发酵动力学基本关系SSXXSXrrYsxsx00/molATPgYATPx/5 .10/细胞三、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：dxdt0 0指数生长期:maxmax倍增时

5、间倍增时间：td减速期:静止期： dxdt0 0mma ax xX XX X衰亡期:dxdt0 0(二) 微生物的生长动力学、Monod方程q 微生物的生长速度： f(s,p,T,pH,)q 在一定条件下(基质限制)： f(S)maxsSKS ：菌体的生长比速：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数：半饱和常数max: 最大比生长速度最大比生长速度00 . 20 . 40 . 60 . 811 . 202 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0SVVmVm/2KmKsmMonod方程方程Logistic 方程方程Moser 方程方程Contois 方程

6、方程max(1)CxCxmaxnnCsKsCsmaxCsKsCxCs其他动力学模型00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmmaxsSKSmaxsSvvKS米氏方程:Monod方程:Monod方程与米氏方程的比较mKs00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2Kmm2m(三)Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：111smmSKsmmSKS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。maxsKSS例：在一定条件下培

7、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 221smmSKSmax，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L01002000100200300400 /ssm10.9m108.4sktdln2/ max0.64 hsmmSKSGaden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xp四、产物形成动力学的基本概念二类

8、发酵 产物的形成和菌体的生长部分偶联xp三类发酵 产物的形成和菌体的生长非偶联xpPiret方程 a + bq a=0、b0： 可表示一类发酵q a0、b=0： 可表示三类发酵q a0、b0：可表示二类发酵五、基质消耗动力学的基本概念SS1 菌体菌体S2 产物产物S3 维持维持 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）+维持维持维持消耗维持消耗指维持细胞最低活性所指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一耗所需的基质的量是一个常数。个常数。 XS（底物）（底

9、物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）+维持维持m: 维持消耗系数维持消耗系数YP/s: 产物对基质的产物对基质的理论理论得率系数得率系数YX/s: 细胞对基质的细胞对基质的理论理论得率系数得率系数312dsdsdsdsdtdtdtdt物料衡算：mYYspsx/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：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：67.8试根据上述数据，按试根据上述数据，按Monod方程决定其参数值。方程决定其参数值。g/L/Csg/L/Cx思考题思考题maxdxdtxmax0lntxtxmaxln2dt第六节 微生物发酵的动力学六、Mo

10、nod模式的进一步探讨一、 分批培养最适细胞浓度的推算Cxrxrx,maxCx,optdxdtX XxrCxmaxCsKsCsmaxxCsrCxKsCs0/0 x sCxCxYCsCs001()CsCsCxCxY00max001()1()xCsCxCxYrCxKsCsCxCxY0max011CsCxYCxKsCsCxY0()Cxo分批培养细胞生长（绝对）速度与细胞浓度关系式分批培养细胞生长（绝对）速度与细胞浓度关系式200202111()()()1()CsCx KsCsCxCs CxCxYYYYKsCsCxYxxdrrdCx0max011xCsCxYrCxKsCsCxY20max011Cs C

11、xCxYKsCsCxY022000002212211()()Cs KsCsCs CxKsCs CxCxCs CxCxYYYYY2000212()()CxKsCs CxCs KsCsYY02200002 ()2 ()4(),2optY Ks CsY Ks CsCsY Ks CsCx,optCx20axbxc21,242bbacxa 0,maxCxCxCs Y00,()()optCxY KsCsYKs KsCs2200002 ()2 ()4(),2optY Ks CsY Ks CsCsY Ks CsCxCxrxrx,maxCx,opt二、发酵动力学研究举例马歌丽马歌丽 王岁楼王岁楼 刘凤珠刘凤珠(

12、郑州轻工业学院食品与生物工程系郑州轻工业学院食品与生物工程系 450002)Study on Fermentation Kinetics for Carotinoid by RhodotorulaMA Geli WANG Suilou LIU Fengzhu(Food& Biotechnology Department，Zhengzhou Institute of Light Industry， 450002)max(1)CxCxa + bq 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，初始底物浓度应，初始底物浓度Cs0，在经过了反应时间，在经过了反应时间t后，底物的转化后，底物的转化率为率为Xs。若设米氏常数为。若设米氏常数为Km，最大酶促反应速率为，最大酶促