发酵工艺中的生物动力学模型研究
生物动力学法酿制
生物动力学法酿制生物动力学法是一种在葡萄酒酿造过程中运用自然农业原则和综合性技术的方法。
它是一种有机农业的分支，旨在保护和提高土壤、植物和生态系统的健康，并生产高质量的葡萄酒。
本文将详细介绍生物动力学法的原理、技术和其在葡萄酒酿造中的应用。
一、生物动力学法的原理生物动力学法的原理基于奥地利农学家鲁道夫·斯坦纳的理念。
他认为土地、植物和动物之间存在着一种动态的相互关系，而这种关系可以通过人类的干预来增强。
生物动力学法的核心原则包括以下几点：1. 生物多样性：通过保护和促进农田的生物多样性，包括土壤中的微生物、植物和动物，以提高土壤的健康和质量。
2. 能量循环：生物动力学法注重创建一个能量循环系统，尽量减少外部能源的使用。
这包括利用自然能源，例如太阳能和风能，以及通过堆肥和有机物质的再循环来提供养分。
3. 预防性疗法：生物动力学法鼓励预防性疗法，而不是对症治疗。
通过保持土壤的健康、增加植物的抵抗力和调节生态系统的平衡，可以降低病虫害的发生率。
4. 宇宙力量：生物动力学法相信地球和宇宙之间存在着微妙的联系。
例如，根据月相和星座的变化来安排种植和收获时间，以及运用特殊的天文制剂来促进植物的生长。
二、生物动力学法的技术生物动力学法使用各种技术和方法来实现其原则。
以下是一些常见的生物动力学技术：1. 堆肥制备：堆肥是生物动力学法的重要组成部分。
制作高质量的堆肥需要将有机废弃物、植物残渣和动物粪便等材料进行混合，并进行适当的湿度和通气管理，以促进有机物的分解和转化成为有机肥料。
2. 生物预备剂：生物动力学法使用各种生物预备剂来增加土壤和植物的养分和健康。
这些预备剂通常由植物、动物和矿物质制成，例如草药浸出液、堆肥草药混合物和石英浸泡物。
3. 特殊处理：生物动力学法使用一些特殊的处理方法来增加土壤和植物的生命力。
例如，圣约翰草制剂可以提高植物的光合作用效率，硅酸钙制剂可以增加土壤的结构稳定性。
4. 宇宙时间表：生物动力学法遵循宇宙时间表来安排种植和收获时间。
冬虫夏草菌分批发酵动力学模型的研究
冬虫夏草菌分批发酵动力学模型的研究方苏;周立彪;闵少坤;徐慧中【摘要】[目的]建立冬虫夏草菌分批发酵动力学模型.[方法]利用7L机械搅拌式发酵罐对冬虫夏草菌进行分批培养,对菌体、胞外产物和底物的代谢过程进行分析.基于Logistic方程以及Luedeking-Piret方程等,通过1stOpt软件对试验数据进行非线性拟合及相关参数求解,建立菌体生长、胞外虫草酸(D-甘露醇)合成及糖消耗的发酵动力学模型.[结果]经拟合得到的模型参数估算值基本符合发酵规律,3项模型联立拟合R2为0.9865,菌体、产物和底物拟合曲线R2分别为0.9719、0.9880和0.9917.[结论]模型拟合良好,能够反映冬虫夏草菌发酵动力学特性.【期刊名称】《畜牧与饲料科学》【年(卷),期】2019(040)003【总页数】5页(P1-5)【关键词】冬虫夏草菌;分批发酵;动力学模型【作者】方苏;周立彪;闵少坤;徐慧中【作者单位】北方民族大学生物科学与工程学院,宁夏银川 750021;国家民委发酵酿造工程生物技术重点实验室,宁夏银川750021;北方民族大学生物科学与工程学院,宁夏银川 750021;国家民委发酵酿造工程生物技术重点实验室,宁夏银川750021;北方民族大学生物科学与工程学院,宁夏银川 750021;国家民委发酵酿造工程生物技术重点实验室,宁夏银川750021;北方民族大学生物科学与工程学院,宁夏银川 750021;国家民委发酵酿造工程生物技术重点实验室,宁夏银川750021【正文语种】中文【中图分类】TQ920.6冬虫夏草为天然名贵药材，具有补肺益肾、止血化痰、增强免疫力、抗肿瘤等功效［1-2］。
由于冬虫夏草的生境特殊且产量低，大量的采挖使天然资源愈加匮乏，而医药保健市场对虫草的需求量越来越大［3-4］。
天然虫草中的活性物质有腺苷、虫草酸（D-甘露醇）、虫草多糖、甾醇等。
研究显示，发酵获得的冬虫夏草菌丝体的有效成分含量以及疗效均与子实体相似，且虫草菌丝的液体发酵法具有易操作、速度快等优势，因此，采用人工发酵方法培养菌丝体可作为补充天然虫草资源不足的途径之一［5-6］。
发酵动力学
微生物发酵动力学： 是研究发酵过程中微生
物菌体的生长、营养物质消耗、产物生成的 动态平衡及其内在规律的科学。
发酵动力学中常用的几个术语:
1．得率(或产率，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)。
∵在稳定状态下，底物增加速率 dS/dt＝0， ∴上式表现为： 又 ∵ μ＝D
D(S 0 S )YX / S X
∴ X＝YX/S（S0-S） 此式即连续培养的稳定态方程。
三、细胞浓度与稀释率的关系 已知分批发酵时： mS Ks S mS D 用于连续培养时，∵μ＝D， ∴ Ks S
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
研究发酵动力学的目的：
进行最佳发酵工艺条件的控制，即发酵工 艺最优化。
第一节 发酵类型
1．固体发酵生产 固体发酵生产是将一种或多
X—细胞干重浓度(g/L) t—时间(h) μ—比生长速率(h-1)，即单位重量 菌体的瞬时增量g/(g· h)
对数期： μ 与微生物种类、培养温度、pH、培养基成分 及限制性基质浓度等因素有关。在对数生长 阶段，细胞的生长不受限制，因此比生长速 率达到最大值μ m
dX mX dt
Xt mt 经积分后 ln X0
当X=Xmax时，开始以恒定的速度补加培养基(因 为此时营养物基本耗完)。 这时，稀释率D<μ max，事实上随着流加的进行， 所有限制性营养物都很快被消耗（即流入的营养物 与细胞消耗掉的营养物相等）。因此dS/dt＝0。 尽管随时间的延长，培养液中总菌体量增加，但实 际上细胞浓度X保持不变，即dX/dt=0，因而μ ≈ D。 这种dS/dt=0, dX/dt=0, μ ≈ D的状态，就称为“准 恒定状态”。
发酵动力学实验
特定的基质及在特定环境条件下培养的特定微生物，它是
一个常数，又称最大生长得率或生长得率常数。
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4.产物得率：产物的合成相对于基质消耗量的 收得率。
YP/S
P (S )
YP/s: 相对于基质消耗的实际产物得率系数
Yps
P (S )P
Yps: 相对于基质消耗的产物理论得率系数
理论产物得率取决于产物的生物合成途径，对于由特定基质
设计合理的发酵过程，也必须以发酵动力学模型作为依据， 利用计算机进行程序设计、模拟最合适的工艺流程和发酵工 艺参数，从而使生产控制达到最优化。
发酵动力学的研究还在为试验工厂比拟放大、为分批发酵过 渡到连续发酵提供理论依据。
五、发酵动力学模型
1、几个基本概念
发酵过程中，基质主要消耗在：①满足菌体生长消
的适用范围
5
微生物发酵动力学的研究与发酵的种类、 方式密切相关
氧需求
液体表面发酵
好氧发酵
液体深层发酵
兼性好氧发酵
厌氧发酵 深层发酵
操作方法
分批发酵 分批补料发酵
连续发酵
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四、发酵动力学研究的意义
通过对发酵反应动力学的研究，进行最佳发酵生产工艺条件的 控制。发酵过程中，菌体的浓度、基质浓度、温度、pH值、溶解 氧等工艺参数的控制方案，可以在这研究的基础上进行优化。
ms
dS dtMFra bibliotek1 Xms:以基质消耗为基准
的维持因数， X:菌体干重； S:基质量 t:发酵时间； M:表示维持。
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2.比速（率）:单位时间内，单位干菌体消耗基质或形 成产物（菌体）的量 (消耗的基质用于维持代谢，菌体 生长和产物合成)。比速率是生物反应中用于描述反应 速度的常用概念
生物发酵过程中动力学研究
生物发酵过程中动力学研究生物发酵是一种利用微生物或其代谢产物对某些原料进行有机化学反应，从而在生产或制造过程中产生一系列的物质或产物的过程。
在生物发酵过程中，微生物要通过吸收有机物等营养物质，转化成有机酸或酒精等有价值的产品，同时产生CO2等废弃物质。
生物发酵过程中的各项参数和变量如何影响产生的产物，最多产生多少产物，又需要多少时间呢？这些问题的回答，取决于一个重要的主题：生物发酵过程的动力学研究。
动力学研究中最重要的就是生长动力学。
根据微生物学理论，微生物的生长可以根据它们的繁殖周期被描述，这个描述与植物光合作用中的光能收集、生产等原理相似。
这个描述通过一个叫做生长曲线的图表来体现，生长曲线中通常有件事是相同的，那就是代表微生物转化物质的可被感应光学繁殖因子，简单称为生长因子。
由生长因子产生的生长曲线的形状，直接决定了细胞的生长特性和许多反应限制。
生长曲线的形状决定生物发酵中的许多参数如何随时间变化，而扩展到整个生物发酵过程，这些参数是多变的，如微生物数量、代谢产物的浓度、废弃物体积等。
在动力学的框架下，一个真正的生物发酵模型应该是能够描述这些参数如何随时间变化的模型。
现代生物工程正在迅猛发展，用于建立和优化生物发酵模型的计算工具也越来越先进。
对于发酵工艺的优化，必须对发酵过程的参数进行实时监测，并且通过模型预测生物发酵系统的行为，从而可以实时优化反应参数。
对于发酵的实时监测，最常见的方法是对反应器中的pH值、温度、氧气曲线、利用反应器的体积实时计算细胞浓度等参数进行记录。
对于模型的建立，通常会将生物反应分为两个阶段：生长和生产。
首先，要对生长阶段中的生长动力学方程进行数据整理，包括微生物数量、物质浓度、pH值和温度等数据。
而生产阶段的研究则需要将生产过程中的产物分析，从而确定最优的生产条件，并预测生产的最终产量。
在废物控制和生产优化中，动力学模型的正确性和稳健性对实验结果至关重要。
显然，模型的正确性和稳健性也直接影响着反应器的优化和产物的质量。
第六章发酵动力学
发酵装置-细胞回流式
F Se
(1 ) F X
F Xe
F , cX
细胞回流的单级连续发酵示意图
a: 再循环比率（回流比） c: 浓缩因子
2.2连续发酵动力学-理论
2.2.1单级恒化器连续发酵
定义： ① 稀释率 将单位时间内连续流入发酵罐中的新鲜培养基体积与 发酵罐内的培养液总体积的比值 D=F/V (h-1) F—流量（m3/h） V—培养液体积（m3） ② 理论停留时间
μ
残留的限制性底物浓度对微生物
比生长率的影响
Ks—底物亲和常数，速度 等于处于1/2μm时的底物浓 度，表征微生物对底物的亲 和力，两者成反比。
酶促反应动力学－米氏方程：
Vm [ s ] v K m [ s]
受单一底物酶促反应限制的微生物 生长动力学方程－Monod方程：
m s
Ks s
克P和每个有效电子所生成的细胞克数； ③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。
基质消耗动力学 产物得率系数：
Yp/s , YP / O2 , YATP / s , YCO2 / s
：
消耗每克营养物（s）或每克分 子 氧 (O2) 生 成 的 产 物 (P) 、 ATP 或
CO2的克数。
细胞生长动力学
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
若不存在抑制物时
Monod 模型:
m s
Ks s
m s
Ks s
t
ln x ln x0
t
x x0e
细胞生长动力学
式中: S—限制性基质浓度，mol/m3 Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生 物对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力越 小， µ 越小。
生物发酵工艺的动力学模型及其优化设计策略
生物发酵工艺的动力学模型及其优化设计策略生物发酵工艺是一种利用微生物在特定条件下进行代谢，从而产生生物制品的生产工艺。
生物发酵工艺已经被广泛应用于医药、食品、化工和环保等领域，成为现代生产工艺中不可或缺的一部分。
在生物发酵工艺中，动力学模型的建立和优化设计是实现高效、稳定和可控制生产的关键。
一、动力学模型的建立动力学模型是描述发酵过程中微生物生长和代谢过程的数学模型，可以实现发酵过程的定量分析和预测。
常用的动力学模型包括Monod模型、Andrews模型、Contois模型和Gompertz模型等。
其中，Monod模型是最为常用的动力学模型之一，其基本假设是微生物生长速率取决于底物浓度。
该模型可以用以下方程进行描述：μ=μmaxS/Ks+S其中，μ表示微生物生长速率，μmax表示最大生长速率，S表示底物浓度，Ks 表示底物浓度半饱和常数。
除了Monod模型，其他模型都对底物的影响做出不同假设。
例如，Andrews模型假设底物对微生物生长有负反馈作用，Contois模型则假设底物在一定程度上可以促进微生物生长速率。
这些模型的选择取决于不同发酵工艺的特点和需求。
建立动力学模型的关键是实验数据的优质。
在实验中，需要对发酵过程中各种环境因素进行控制，例如温度、pH值、氧气供应等，以获得准确的数据。
同时，需要进行多次重复实验，以验证数据的稳定性和可靠性。
二、优化设计策略动力学模型的建立为优化设计提供了基础。
在优化设计中，需要充分考虑发酵过程中各种环境因素的相互作用，以实现高效、稳定和可控制的生产。
常用的优化设计策略包括：1.反馈控制策略反馈控制策略是利用测量结果对发酵过程中的各种环境因素进行调节，以实现对生产过程的精确控制。
其中，最为常用的反馈控制策略包括温度、pH值、氧气供应和营养物质等的控制。
在反馈控制策略中，需要选择合适的传感器和仪器，以实时监测温度、pH值、氧气和营养物质等参数。
同时，需要配合合适的智能控制算法，以实现对生产过程的快速反应和调节。
酵母乙醇发酵动力学模型研究
酵母乙醇发酵动力学模型研究吴悦;李强;林燕;张琦;张伟;王欣泽;孔海南【摘要】文章研究了Saccharomyces cerevisiae BY4742以葡萄糖为底物的发酵动力学.根据最优化影响因素实验的结果,利用Logistic方程、Leudeking-Piret方程和类Luedeking-Piret方程,分别建立了酵母乙醇发酵的菌体生长模型、产物形成模型以及底物消耗模型,利用软件拟合并得到模型的参数估值.结果表明,乙醇的合成与酵母菌的生长速率及菌体积累量均有关,根据细胞生长速率与产物形成速率是否偶联进行动力学分类,其属于部分偶联型.底物消耗模型和产物形成模型拟合度R2分别达到了0.983与0.900,可用于描述利用Saccharomyces cerevisiae BY4742菌株的葡萄糖发酵制乙醇过程.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2014(032)002【总页数】5页(P229-233)【关键词】酿酒酵母;乙醇;动力学模型【作者】吴悦;李强;林燕;张琦;张伟;王欣泽;孔海南【作者单位】上海交通大学环境科学与工程学院,上海200240;长安大学环境科学与工程学院,陕西西安710064;上海交通大学环境科学与工程学院,上海200240;上海交通大学环境科学与工程学院,上海200240;上海交通大学环境科学与工程学院,上海200240;上海交通大学环境科学与工程学院,上海200240;上海交通大学环境科学与工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TK6;S216.2生物质能是一种有前途的能源，它是全球仅次于煤炭、石油、天然气的第4位能源资源。
其中，燃料乙醇是一个重要分支，它是良好的汽油添加剂和替代品[1]，开发燃料乙醇已经成为世界各国重点研究和推广的能源课题之一，具有广阔的应用前景[2]。
在燃料乙醇的生产原料中，木质纤维素原料因其最为丰富和廉价而逐渐得到关注[3]，即利用其水解后的糖类进行发酵，生产乙醇[4]。
6 微生物工程 第六章 发酵动力学2
1 KS 1 1
max S max
1
1 KS
KS
斜率 max
1
max
1 S
Monod方程式双倒数图
求μm和 Ks。
解：将Monod方程变形：
1 1 Ks 1
m m S
以1/S为横坐标，1/μ为 纵坐标，得一条直线， 由直线与x轴和y轴相交， 分别求得：
分批发酵动力学-产物形成动力学
生长部分相关→生长部分偶联型：
柠檬酸、氨基酸发酵
dP dt
dX dt
X
qP
α: 与菌体生长相关的产物生成系数
β: 与菌体浓度相关的产物生成系数
产物间接由能量代谢生成，不是底物的 直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过 程的主流产物（与初生代谢紧密关联）。
相关型
部分相关型
非相关型
产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图
分批培养中的产物形成：
Ⅰ型：生长偶联产物生成 ——菌体生长、碳源利 用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形 成直接与碳源利用有关。
Ⅱ型：生长与产物生成部分偶联——在生长开始后 并无产物生成，在生长继续进行到某一阶段才有 产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。
分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长不相关→无关联：抗生素发酵
dP X
dt
qp
若考虑到产物可能存在分解时，则
dP dt
X
kd P
qp X
kd P
产物生成与能量代谢不直接相关，通过细 胞进行的独特的生物合成反应而生成。
生物质厌氧发酵动力学模型分析
南京师范大学学报 （ 工程技术 版） Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ Ｎ Ａ Ｎ Ｊ Ｉ Ｎ Ｇ Ｎ Ｏ Ｒ Ｍ Ａ Ｌ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ （ Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ Ｎ Ｇ Ａ Ｎ Ｄ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ Ｅ Ｄ Ｉ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ ）
促进 了动力学 模 型 的研 究 、 动力 学模 型 的数值 模 拟 和 工程 应 用 ． ２ ０ ０ ２年 ， Ｂ ａ ｔ ｓ ｔ ｏ ｎ ｅ等 人 口 提 出 了首 个 具有
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｅ ｒ ｏ ｂ ｉ ｃ ｆ ｅ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｂ ｉ ｏ ｍａ ｓ ｓ ｍａ ｉ ｎ ｌ ｙ ａ ｉ ｍｓ ｔ ｏ ｐ ｒ ｅ ｐ ａ ｒ ｅ ｍａ ｓ ｈ ｇ ａ ｓ Ｓ Ｏ ａ ｓ ｔ ｏ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｏ ｍａ ｓｓ ．Ｄｕ ｅ ｔ ｏ ｍａ ｎｙ ｉ ｎ ｌ ｆ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎａ ａ ｅ ｒ ｏ ｂ ｉ ｃ ｆ ｅ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｏｃ ｒ ｅ ｓ ｓ ， ａ ｂ ｉ ｏ ｍａ ｓｓ ｎａ ａ ｅ ｒ ｏ ｂ ｉ ｃ ｆ ｅ ｍ ｅ ｒ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｋ ｉ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｍｏ ｄ ｅ ｌ Ｃ ｎ ａ ｂ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ｌ ａ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｋ ｉ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｅ ｒ ｏ ｂ ｉ ｃ ｆ ｅ ｍ ｅ ｒ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ｎｇ ａ ｅ ｎｄ ａ ｇ ａ ｓ ｙ ｉ ｅ ｌ ｄ ｒ ｕ ｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｓ ｈ ｇ ｓ ｉ ａ ｎ ｇ ｒ ｅ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ ｓ ， ａ ｎ ｄ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ｌ ａ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｒ ｅ ｍａ ｄ ｅ ｏｒ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎａ ａ ｅ ｒ ｏ ｂ ｉ ｃ ｆ ｅ ｍ ｅ ｒ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｏ ｍａ ｓｓ Ｓ Ｏ ｓ ａ ｔ ｏ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ｓ ｏｒ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｏ ｍａ ｓｓ ｎａ ａ ｅ ｏｂ ｒ ｉ ｃ ｆ ｅ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｎａ ａ ｅ ｏｂ ｒ ｉ ｃ ｆ ｅ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｋ ｉ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ， ｂ ｉ ｏ ｇ ｓ， ａ ｄ ｅ ｇ ｒ ａ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
发酵动力学
• 把它们随时间变化的过程绘制成图，就
成为所说的代谢曲线。
• 比生长速率μ
每小时(单位时间)单位质量的菌体所
增加的菌体量称为菌体比生长速率。
它是表征微生物生长速率的一个参数 ，也是发酵动力学中的一个重要参数。
发酵过程
• 微生物生长
• 底物消耗
• 代谢产物合成
• Gaden's fermentation classification（按照菌体生长，
产物直接来源于产能的初级
第 一 类 型 （ 生 长 关 联 型 ）
代谢（自身繁殖所必需的代 谢），菌体生长与产物形成
■
不分开。
例如单细胞蛋白和葡萄糖酸
的发酵
dP dt
x 或
P
Q
dP Xdt
：生长关联型产物的形 成比例（g产物 / g菌体）
Q ：产物合成的比速率
P
■
第 二 类 型 （ 部 分 生 长 关 联 型 ）
产物合成动力学
• Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的 关系，将产物形成区分为三种类型 • 类型Ⅰ∶也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳 酸）
rP YP / X rX YP / X X
• 类型Ⅱ∶也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）
rP rX X
• 类型Ⅲ∶也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生
补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation)
分批发酵
分批发酵:指在一封闭系统内含有初
始限量基质的发酵方式。在这一过程
中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸 或碱外，不再加入任何其它物质。发 酵过程中培养基成分减少，微生物得 到繁殖。
生物发酵工艺动力学模型构建与参数优化策略
生物发酵工艺动力学模型构建与参数优化策略简介：生物发酵工艺是通过微生物转化有机废弃物或其他原料制造可再生能源和化学品的过程。
在生物发酵过程中，了解和控制微生物的生长和代谢行为非常重要。
为了更好地理解和优化生物发酵过程，可以构建动力学模型来描述微生物的生长和代谢行为，并通过参数优化策略来提高生产效率。
1. 生物发酵工艺动力学模型构建生物发酵工艺动力学模型是基于微生物生长和代谢行为的数学模型。
构建这样的模型可以帮助我们理解微生物在特定条件下的生长和代谢规律。
以下是一些常用的生物发酵工艺动力学模型：1.1. Monod模型Monod模型是最简单和最常用的生物发酵动力学模型之一。
它描述了微生物生长速率与底物浓度的关系。
该模型假设微生物的生长速率与底物浓度成正比，同时考虑了微生物对底物利用特性。
Monod模型的数学表达式如下：μ = μmax * S / (Ks + S)其中，μ表示微生物生长速率，μmax表示最大生长速率，S表示底物浓度，Ks表示底物浓度对生长速率的影响因子。
1.2. 扩散模型扩散模型是描述微生物在发酵过程中气相和液相传质的模型。
它基于Fick定律，考虑了物质在液相和气相中的浓度梯度对传质速率的影响。
通过扩散模型，我们可以更好地理解和控制发酵过程中的物质转移。
1.3. 结构模型结构模型是描述微生物生长和代谢行为的更复杂的模型。
它考虑了微生物种群结构和个体之间的相互作用。
结构模型可以帮助我们了解微生物在不同生长阶段的行为，并预测微生物群体的稳定性和动态变化。
2. 参数优化策略参数优化是通过调整模型中的参数来优化生物发酵工艺的过程。
通过合理地选取和调整模型参数，我们可以提高生产效率，减少资源消耗和废弃物产生。
2.1. 参数估计方法参数估计是根据实验数据来确定模型中的参数值。
常用的参数估计方法包括最小二乘法、最大似然估计法和贝叶斯估计法。
2.2. 优化算法优化算法是通过迭代计算来寻找最优参数组合的方法。
发酵动力学的概念和研究内容
发酵动力学的概念和研究内容
发酵动力学是研究发酵过程中微生物生长和代谢的速率和规律
的科学，是微生物发酵工程的重要组成部分。
发酵动力学的研究内容包括发酵过程中的微生物生长动力学、底物代谢动力学和产物生成动力学。
微生物生长动力学是研究微生物在发酵过程中生长的速率和规律。
在发酵过程中，微生物对培养基中的营养物质进行吸收和利用，生长并繁殖。
微生物的生长速率受到多种因素的影响，如温度、pH值、氧
气浓度、营养物质浓度等。
通过实验和数学模型，可以了解微生物的生长速率与这些因素之间的关系，为优化发酵过程提供理论依据。
底物代谢动力学是研究微生物在发酵过程中对底物的利用速率和规律。
微生物通过代谢途径将底物转化为产物，同时产生能量和细胞所需的物质。
底物的利用速率受到微生物的生长速率和代谢途径的调控。
通过研究底物代谢动力学，可以了解微生物对底物的利用效率，为优化底物供应策略和产物生成提供指导。
产物生成动力学是研究发酵过程中产物的生成速率和规律。
在发酵过程中，微生物通过代谢途径将底物转化为产物。
产物的生成速率受到微生物的生长速率和底物的利用速率的影响，同时也受到产物对微生物生长的抑制效应。
通过研究产物生成动力学，可以了解产物的积累
速率和抑制效应，为优化发酵过程和产物纯化提供理论指导。
综上所述，发酵动力学的研究内容涵盖微生物生长动力学、底物代谢动力学和产物生成动力学三个方面，通过研究这些内容，可以深入了解发酵过程中微生物的生长和代谢规律，为优化发酵工艺和提高产物产量提供理论支持。
动力学模型在生物学研究中的应用
动力学模型在生物学研究中的应用动力学模型可以看作是一组方程，用于描述物理系统随时间演变的规律。
在生物学研究领域中，动力学模型可以用来模拟生物系统的行为，预测生物系统的响应，以及解释实验结果。
这篇文章将探讨动力学模型在生物学研究中的应用，包括生物信息学、代谢学和细胞生物学等方面的应用。
生物信息学在生物信息学中，动力学模型通常用来模拟基因调控网络和蛋白质交互。
基因调控网络是指一组基因和调控元件之间的相互作用，这些元件可以通过启动子、转录因子和小RNA等分子来实现。
动力学模型可以用来描述这些元件之间的交互和调节，并通过数学模拟预测基因表达的变化。
例如，可以用动力学模型来模拟基因表达谱的响应，预测一个特定基因的表达水平如何随时间变化，以及不同基因之间的相互作用模式。
通过这种方式，生物学家可以识别出新的候选基因，理解基因调控网络的调节机制，并设计新的基因治疗策略。
代谢学代谢学是研究生命体系中代谢过程的科学，它包括代谢通路和代谢产物的研究。
在代谢研究中，动力学模型可以用来预测代谢通路的流量、代谢产物的浓度、酶催化反应的速率、以及细胞内代谢网络的稳定性。
例如，代谢通路的流量可以用动力学模型来预测，进而确定代谢流量对细胞生长和生产力的影响。
这些预测可以帮助代谢工程师设计更好的生产菌株和发酵工艺，以提高产品产量和纯度。
细胞生物学在细胞生物学中，动力学模型可以用来研究细胞生长和分裂的过程。
例如，可以用动力学模型来描述细胞生长的速率、细胞质和细胞核的体积和质量，以及细胞内各种分子的浓度和动态分布。
同时，动力学模型可以用来解释细胞生长和分裂过程中所遇到的各种障碍，如细胞壁合成障碍、细胞质流动障碍、染色体复制障碍等。
通过这些研究，我们可以理解细胞生长和分裂的机制，并设计新的生物治疗手段和抗菌药物。
总结动力学模型在生物学研究中有着广泛的应用。
从基因调控网络到细胞生物学，动力学模型可以用来模拟生物系统的行为，预测生物系统的响应，以及解释实验结果。
发酵动力学
dP dt
YP / X
dX dt
YP / X X
或
QP YP / X
根据细胞生长与产物形成的关系
非相关型
细胞生长时无产物；细胞停止生长后，则有大量
产物积累。产物的形成速率只与细胞积累量有关， 产物的合成发生在细胞停止生长之后，习惯上把这 类与细胞生长无关联的产物称为次级代谢产物。如 大多数抗生素和微生物毒素的发酵。
Contois方程式 前面的方程中都没有出现X，即菌体浓度。 当菌浓很高，发酵液黏度很大时，采用如下 方程 ：
u um s KX X s
其中KX是考虑了菌浓的饱和常数
多种底物现象
同时使用型 优先使用型
其它
K1s K2s
K1s s K2s s
K1
maxs1 s2
s1K2
s2
dX X
dt
营养物质限制生长微生物的典型生长形式 符合Monod方程
u um s Ks s
Monod方程
u um s Ks s
μ 为比生长速率(s-1)； μmax为最大比生长速率(s-1)， s为限制性底物浓度(g／L)。 Ks为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率恰为最大比生长
max
s1 Ka1
s1Biblioteka s2 Ka2 s2
分批发酵-底物消耗动力学
实际产物得率与菌体生长得率的关系
-ΔS = (-ΔS)M + (-ΔS)G + (-ΔS)P
生长得率
YX / S
X S
理论生长得率
Ygs
X (S )G
同样，对于产物得率
实际产物得率
P YP / S S
理论产物得率 （产物最大得率）
典型发酵过程动力学及模型
组合在一起决定着细胞的比生长速率。
a）相关模型：
n
i
1
b）非相关模型：µ=min (µi)
非相关模型---产物的生成与细胞的生长无直接的关
(2) 必要基质与生长促进型基质限制：必要基质的存在使细胞的比生
长速率大于零，而另一些基质的存在使µ值增大,称之为生长促进型基
质。累加动力学方程：
n
i
1
（3）Tao和Hanson模型：多基质限制的动力学模型
产物生成速率
rP drP/dt
细胞比生长速率 rX/rX 底物消耗比速率 qs rS/rX
产物比生成速率 qP rP/rX
二、微生物生长动力学
1. 细胞反应的得率系数
对底物的细胞得率：
YX / S
生成细胞的质量＝ DmX 消耗底物的质量 DmS
rX rX0 rs0 rs
对氧的细胞得率：
YX /酵过程反应的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
一、 概论
目的 1) 建立发酵过程中细胞浓度、基质浓度、温度等工艺参数 工艺条件；2) 以发酵动力学模型为依据，利用计算机进行合 模拟最优化的发酵工艺流程和技术参数，使发酵工艺的过程 的研究为实验工厂数据的放大、为分批式发酵过渡到连续式
对于这类非生长偶联型产物的生物反应来说，应充分注 意菌体在生长期和产物形成期营养的差别。可适当调配 快速利用和缓慢利用的营养物的比例，分别满足不同时 期菌体的不同需要。
四、 代谢产物生成动力学
3）混合型 产物形成与细胞生长有关联和无关联的复合模式， 也叫产物形成与细胞生长部分关联模式。 这时产物的形成与细胞生长的关系可表达为：
模型 μ= μm[1-exp(-S/Ks)] μ= μmS/(Ks+S) μ= μm(1+KsS-n)-1 μ= μm(S/X)/(Ks+S/X) μ= μmS/(KsX+S) μ=KsSn S=Aμ+Bμ/(μm＋μ) μ2/K-(Ks+S)μ-μmＳ=0 μ= μmS/(Ks+S)-D
发酵工程—5微生物反应动力学
批 影响，并以数学语言进行描述。
发
酵
动
力
学
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
研究发酵动力学的目的
通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调
二 控方式；
、 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的
分 批
工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；
发 酵
控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。
动
力
学
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
、 分 批 发 酵 动 力
学 该式即是微生物在对数生长期的增殖模式
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
μ因菌体所处的环境条件而改变；环境的恶 化，菌体增殖进入减数期。
二 1949年，莫诺发现细菌的比生长速率与单一
、 分
限制性基质之间存在一定关系；借助郎格谬
批 发 酵
尔方程，莫诺建立了被称为莫诺方程的经验 公式：
Yp dt
批
发 酵 动
ds X m X 1 dP
dt YG
Yp dt
力
学 式中：m为碳源维持常数
m 1 dS X dt M
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
于是
二 、
r
1 YG
m
1 Yp
qp
分
批
发 酵
r ：基质消耗比速
酵
动
力
学
Yx s
反反应应过过程程消中耗生基成质菌的体摩的尔质数量＝ddxs
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
用YG 表示菌体的理论得率：
二 YG 用于同 生化 成为 菌菌 体体 的碳 质源 量消耗＝ddxsG
发酵工艺 第7章发酵动力学
[g细胞干重/mol ATP]
不同的微生物、不同的培养基、采用不同的培养条件，在
不同的生长速率下，所获得的生长得率是不同的。即使同一
种微生物，在同一培养基和同一培养条件下，不同的培养阶
段生长得率也不相同。
一些微生物在基础培养基中通气培养时的生长得率
微生物
基质
Y X/S
Aerobacter aerogenes （产气杆菌）
◆ 能对源于总像消氮耗源速、率无机=用盐于及生维长生的素能等源可消作耗为速菌率体+组用成于成维分持而代不谢能的 作能为源能消源耗的速营率养物，菌体得率YX/S基本上恒定，前式能很好地 适用。 ◆ 当底物既是能源又是碳源时，就必须考虑维持代谢。 ◆ 对于能源的消耗速率的物料衡算为：
Y Xº/S 为一定时间内生成菌体的干质量与完全消耗于菌体
比底物消耗速率Qs —— 相对单位质量干菌体单位时间
内的底物消耗量。
Qs = rs / X
rs=vs
根据前两式得：
Qs = / Y X/s
若可用Monod方程表示，得
Qs
max
YX / s
S Ks S
Qsmax
S Ks S
Qs—比底物消耗速率，Qsmax—— 最大比底物消耗速 率
包含维持代谢的底物消耗速率模型
生成与量菌。体rp生(长g速/L率·h和) 底物消耗速率相同，代谢产物的生
成速率也有两种不同的表示方式： 比代谢产物生成速率—— 相对于单位质量干菌体在单位时间
内的代谢产物生成量。 Qp (g/g·h)
Qp = rp / X
rp与菌体浓度X有关，是反应器设计时的一个重要参数
细胞包含的遗传信息越复杂，细胞越大，即越是高等生物， 越小。
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发酵工艺中的生物动力学模型研究第一章：引言
发酵工艺是生物技术中的重要组成部分，其在制药、食品、生物化工等领域中得到广泛应用。
发酵过程涉及到复杂的微生物代谢过程以及液态环境，因此需要结合生物学和化学学科知识进行研究。
生物动力学模型是一种重要的工具，可以定量描述微生物代谢过程，在发酵工艺中得到了广泛应用。
本文将围绕发酵工艺中的生物动力学模型进行研究和分析。
第二章：生物动力学模型的基本概念
生物动力学模型是一种基于微生物代谢过程的定量描述方法，可以通过方程式计算微生物代谢物浓度的变化。
生物动力学模型可以分为黑盒模型和白盒模型两种。
黑盒模型依据实验数据建立模型，缺点是无法深入了解微生物代谢路径和途径。
白盒模型则基于微生物代谢路径和途径，可以更加深入地分析微生物代谢过程。
生物动力学模型的制定需要依据微生物物种、代谢成分和培养环境等多种因素，是比较复杂的工作。
第三章：生物动力学模型在发酵工艺中的应用
（一）生物动力学模型在酵母发酵中的应用
酵母发酵是工业中较为常见的发酵过程，其主要涉及到乙醇和CO2的产生。
生物动力学模型可以用来描述酵母耗氧量、产物浓
度和生长速率等生物信息。
基于生物动力学模型的预测可以为工
艺实现新的调控方式，提高发酵过程的效率和产量。
此外，生物
动力学模型还可以被用于发酵反应器的设备参数设计、运营优化
和质量控制等方面。
（二）生物动力学模型在大肠杆菌发酵中的应用
大肠杆菌是生物制药过程中常用的微生物基因重组工具，在制
备重组蛋白和其他制剂时得到广泛应用。
大肠杆菌发酵过程主要
涉及到细胞生长和产物表达等因素。
生物动力学模型可以用来描
述大肠杆菌的代谢物质变化以及蛋白质表达的时间和产量等信息。
基于这些信息，可以更好地优化大肠杆菌发酵工艺，提高产量和
质量。
（三）生物动力学模型在乳酸菌发酵中的应用
乳酸菌发酵是制造酸奶等发酵乳制品的过程，其主要涉及到菌
种生长和乳酸产生等因素。
生物动力学模型可以用来描述乳酸菌
的生长速率和乳酸产物浓度等信息，为发酵工艺的优化提供依据。
此外，针对乳酸菌发酵的生物动力学模型还可以用来预测酸奶的
品质和口感等因素。
第四章：未来发展方向
生物动力学模型已经成为了现代发酵工艺中不可缺少的工具。
未来，随着技术的进一步发展，生物动力学模型的应用范围将会
越来越广泛。
例如，基于系统生物学的方法可以深入了解细胞的生物信息网络，建立更加准确的生物动力学模型。
此外，利用人工智能等技术优化生物动力学模型建立算法，也是一个未来发展方向。
第五章：结论
本文针对发酵工艺中的生物动力学模型进行了研究和分析。
通过对生物动力学模型基本概念的介绍和发酵过程中的应用实例，说明了生物动力学模型在发酵工艺中的重要性和优势。
最后，对生物动力学模型的未来发展方向进行了探讨。