第八章 发酵过程中质量和能量衡算
酒精发酵中的物料衡算
5 物料衡算5．1 全厂物料衡算的内容淀粉原料酒精厂的物料衡算包括两部分，第一部分是生产过程全厂总物料衡算，主要计算内容有：8.1.1 原料消耗的计算，主要原料为木薯，其它原料有淀粉酶、糖化酶、硫酸、硫酸铵等。
8.1.2 中间厂品，蒸煮醪、酒母醪、发酵醪等。
8.1.3 成品、副产品以及废气、废水、废渣既酒精、杂醇油。
二氧化碳和废糟等。
5．2 原料消耗的计算5.2.1 淀粉原料生产酒精的总化学反应式为：糖化：（1）162 18 180 发酵： （2）180 46 44 5.2.3 生产1000kg 无水酒精的理论淀粉消耗量由（1）和（2）式可求得理论上生产1000kg 无水酒精所消耗的淀粉量为：5.2.4 生产1000kg 国际燃料酒精的理论淀粉消耗量国标食用酒精乙醇含量在95％（体积分数）以上，相当于92.41％（质量分数），故生产1000kg 燃料酒精成品理论上需淀粉量为：1760.9×92.41％=1627.2 (kg) 5.2.5 生产1000kg 燃料酒精实际淀粉耗量612625106)O H nC O nH O H C n →+（252612622CO OH H C O H C +→)(9.1760921621000kg =⨯实际上，整个年产过程经历原料处理、发酵及蒸馏等工序，要经过复杂的物理化学和生物化学反应，产品得率必然低于理论产率。
假定发醇阶段系统设有酒精捕集器，则淀粉总损失率为8.55%,故生产1000kg 用酒精需淀粉量为：5.2.6 酒精生产给各过程各阶段淀粉损失如表所示5.2.7 这个原料消耗水平相当于淀粉出酒率为91.45%，这达到了我国现阶段木薯原料生产酒精的先进出酒率水平。
5.2.8 生产1000kg 燃料酒精木薯原料消耗量据基础数据给出，木薯原料含淀粉70%，故1吨酒精耗薯干量为：5.2.9 α-淀粉酶消耗量应用酶活力为2000u/g 的α-淀粉酶使淀粉液化,促进糊化,可减少蒸汽消耗。
化工原理物料衡算和热量衡算
化工原理物料衡算和热量衡算引言化工工程涉及许多物料的处理和转化过程，同时也需要考虑热量的平衡。
物料衡算和热量衡算是化工原理的重要内容，对于工程实践和过程优化具有重要的意义。
本文将介绍化工原理中的物料衡算和热量衡算的基本原理和计算方法。
物料衡算物料衡算是指对于化工工程中物料流动和转化过程的计算和分析。
在化工工程中，物料的流动和转化是实现各种反应和分离操作的基础，因此正确的物料衡算是保证工程设计和操作的关键。
在物料衡算中，我们通常需要考虑以下几个方面： 1. 物料的质量衡算：即对物料的质量输入和输出进行计算和分析。
对于物料的质量衡算，我们需要注意物料流动的平衡原则，即质量的输入必须等于输出。
2. 物料的能量衡算：即对物料的能量输入和输出进行计算和分析。
能量的输入和输出会影响物料的温度和相变过程，因此在能量衡算中需要考虑物料的热力学性质。
3. 物料的流动速度衡算：即对物料流动速度进行计算和分析。
物料的流动速度决定了反应和分离操作的效率，因此在物料衡算中需要合理地确定流量和速度的关系。
4. 物料的浓度衡算：即对物料中组分浓度的计算和分析。
物料的浓度会影响其反应和分离的速率和效果，因此在物料衡算中需要考虑不同组分浓度的变化规律。
物料衡算通常使用质量守恒和能量守恒等基本原理进行计算。
同时，还可以利用化学反应平衡的原理和质量流动的平衡原则进行衡算过程中的参数确定。
热量衡算热量衡算是化工工程中热力学过程的计算和分析。
在化工工程中，热量的平衡是保证反应和分离操作能够正常进行的基础。
热量衡算需要考虑以下几个方面： 1. 热量的输入和输出：即对于热量的输入和输出进行计算和分析。
在化工工程中，我们通常需要对热量的输入和输出进行平衡，以保证工程操作的稳定性。
2. 热量的传递和转化：即对于热量的传递和转化过程进行计算和分析。
热量的传递可以通过传导、对流和辐射等方式进行，因此在热量衡算中需要考虑传热方式的影响。
3. 热平衡的计算：即对于反应和分离过程中热量平衡的计算和分析。
葡萄酒工厂生产热量衡算
葡萄酒工厂生产热量衡算
葡萄酒工厂的热量衡算通常涉及以下几个方面：
1. 葡萄的处理：葡萄酒制作的第一步是将葡萄压榨成葡萄汁，这一过程需要消耗一定的热量。
通常来说，葡萄压榨机使用的动力和设备本身的运行都会产生热量。
需要计算这些能量的消耗。
2. 发酵过程：葡萄汁在发酵过程中会转化为酒精和二氧化碳，这个过程会产生热量。
发酵过程中需要控制温度，以保证发酵的顺利进行。
因此，需要计算发酵过程中产生的热量，并确定需要的冷却和加热设备。
3. 筛选和澄清过程：葡萄酒在发酵后需要经过一系列的筛选和澄清过程，以去除固体杂质和悬浮物。
这些过程通常需要使用特殊的设备和能源，并会产生相应的热量。
4. 瓶装和贮存：葡萄酒在瓶装和贮存的过程中，可能需要进行热处理，以确保产品的质量和稳定性。
需要计算这些热处理过程中产生的热量，并确定需要的加热和冷却设备。
总之，葡萄酒工厂生产热量的衡算需要考虑从葡萄的处理到最终产品的瓶装和贮存过程中产生的热量。
这些热量的计算和管理，有助于提高工厂的能源利用效率和减少对环境的影响。
微生物生化反应的质量和能量衡算
微生物生化反应的质量和能量衡算§ 微生物生化反应的质量和能量衡算一、基本内容微生物反应过程的特点1. 微生物微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行。
2. 反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂，因而在微生物生长的同时往往还伴随着生成代谢产物反应。
3. 微生物反应还受到众多外界环境因素的影响。
如果只对微生物反应过程做概念性描述，可表示为：营养物质（碳源、氮源、氧及无机盐）＝新微生物细胞+ 代谢产物 + 二氧化碳此式不是计量关系式。
在生物工业中，有些行业，如酵母生产，只要求菌体的产生，不希望产生其他产物；乙醇工业中，由于是厌氧反应，因此，氧和水项等于零。
另一些行业，如氨基酸、酶制剂、抗生素和有机酸等生产，上式各项都不能少。
质量和能量衡算在工程上的意义通过质量和能量衡算，可以了解反应物和生成物之间定量关系，反应过程需要消耗和释放多少能量。
通过反应过程衡算式有已知量可以求出未知量。
所以它是研究反应过程的一个有效手段，对解决工程问题特别有用。
对各元素进行原子衡算。
如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为CH x O y N z，忽略其他元素，可用下式表示微生物反应：CH m O n + aO2 + bNH3 = cCH x O y N z + dCH u O v N w + eH2O + fCO2CH m O n ------ 碳源的元素组成；CH x O y N z------ 细胞的元素组成；CH u O v N w ------- 产物的元素组成；下标 mnuvwxyz----- 与一个碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数。
评价微生物生物代谢机能的重要指标----- 呼吸商（respiratory quotient, RQ) RQ = CO2生成速率/O2消耗速率例：乙醇为基质，耗氧培养酵母，反应方程为：C2H5OH + aO2 + bNH3 = c(CH1.75N0.15O0.5) + dCO2 + eH2O呼吸商RQ=0.6。
第八章 发酵中式比拟放大
第三节 发酵中试和发酵罐比拟放大内容
1、发酵中试放大的内容 研究在一定规模设备中操作参数和条件的变化规
律；验证实验室工艺路线的可行性；进行工艺条 件限度实验和过程优化控制；确定小试到放大所 需测定参数及过程控制方法；解决实验室阶段未 能解决或尚未发现的问题。 具体内容有以下几个部分：
（1）生产工艺路线的复审 （2）设备材质与型式选择 （3）搅拌器型式和搅拌速度的考察 （4）反应条件的进一步研究 （5）工艺流程和操作方法的确定 （6）原辅材料和中间体的质量控制
大罐单位体积需要通风量要比小罐单位体积通风量 小的多。
（3）搅拌功率放大 搅拌功率是影响溶氧量的关键因素，搅拌功率放
大是放大主要内容，性质固定液体，功率取决于 转速n和叶轮直径Di,一般Di固定，放大就主要是转 速问题。 ①按雷诺系数Re相等放大 ②单位体积液体消耗功率P0/V相等放大
③按体积溶氧系数相等放大 ④搅拌器末端线速度相等放大 ⑤按单位体积搅拌循环量F/V相等放大
第四节 发酵中试比拟放大的方法
1、比拟放大的基本方法 将在小型设备中进行的科研成果放在大生产设备
中再现的过程，便是比拟放大。 基本方法：找出表征系统的各种参数，并将之组
成一个具有物理含义的无量纲量，由此再建立函 数关系式；用实验方法在试验设备中求得函数式 中包含的常熟和指数；将此确定的函数关系式用 于与试验设备几何相似的大型设备设计。 比拟放大不是简单按比例放大，而是建立在几何 相似、培养条件相同和微生物在反应器中充分分 散的假设基础上的。 一般生物工业生产中，放大倍数在10-200。
一致。
3、物料衡算
意义：是化工计算中最基本和重要内容，也是能 量衡算基础；揭示物料利用情况；了解产品得率 最佳值和设备生产能力潜力；掌握各生产设备匹 配情况。
生化工程第八章 微生物生化反应过程的质量和能量衡算
算
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生 化
同样，代谢产物的得率用Yp/s表示：
工 程 第
Yp
s
dP
ds
八 章
用YP表示代谢产物的理论得率：
反 应 过 程
Yp 用于 生同 成化 代为 谢代 产碳 谢 物源 产 的消 物 ＝ 摩耗 的 d尔 dPsp数
质
能
衡
算
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将以上得率表达式结合碳源衡算式整理变形 后，得 ：
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根据氧的衡算方程式：
工
程 第
A S B x O 2 C P
八
章 当代谢产物被忽略时，可得：
工 程
式中
第 八
A：碳源S完全氧化时的需氧量；如葡萄糖为
章 6mol/mol
反 应
B：菌体x完全氧化时的需氧量；一般可取
过 0.042 mol/g菌体(实验值)
程
质 能 衡
C：代谢产物P完全氧化时的需氧量；如乙醇 为3、醋酸为2、乳酸为3；
算
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式中的 ΔO2是微生物生长代谢过程中的耗 氧量，它由两个部分组成：
反
应 过 程
如，青霉菌以葡萄糖为基质，通气培养,其菌 体化学组成为 CH164O0.52N0.16 、葡萄糖至菌体
质 的转化率为0.48g干菌体 /葡萄糖，则可对下式
能 衡
进行配平。步骤如下：
算
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①写出反应化学简式。
工 程
C 6 H 1 O 6 2 N 3 O 2 H C 1 . 6 O 0 . 5 4 N H 0 . 1 2 C 6 2 H 2 O O
发酵工程第8章发酵过程控制
一、发酵过程中的pH变化及其原因 二、pH对发酵的影响 三、最适pH的选择 四、PH的调控策略
一、发酵过程中的pH变化及其原因
1.1发酵过程中pH值的变化一般规律
1.在微生物细胞的生长阶段:
初期:接种后到孢子萌发,因碳氮源代谢水平比较低, pH一般 可维持不变,或者由于添加了CaCO3而略有上升。
D.应用消泡剂时的增效方法：
① 加载体增效，即用惰性载体（如矿物油、植物油等）使消泡剂溶解 分散，达到增效的目的；
② 消泡剂并用增效，取各种消泡剂的优点进行互补，达到增效；
GP和GPE 1:1混合使用于土霉素发酵，结果比单独使用GP的效力 提高2倍。 ③ 乳化消泡剂增效，用乳化剂（或分散剂）将消泡剂制成乳剂，以提 高分散能力，增强消泡效力，一般只适用于亲水性差的消泡剂。
B.作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件
① 应该在气－液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消 泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；
② 应该在低浓度时具有消泡活性； ③ 应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； ④ 应该对微生物、人类和动物无毒性； ⑤ 应该对产物的提取不产生影响； ⑥ 不会在使用、运输中引起任何危害； ⑦ 来源方便，成本低； ⑧ 应该对氧传递不产生影响； ⑨ 能耐高温灭菌。
① μ和Qp的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内(a)， 这种发酵过程易于控制；
② Qp (或μ)的最适pH值范围窄，而μ(或Qp)的范围较宽(b)；
③ μ和Qp对pH值都很敏感，它们的最适pH值又是相同的(c)， 第二、第三种情况的发酵pH值应严格控制；
④ μ和Qp有各自的最适pH值(d)，应分别严格控制各自的最适 pH值，才能优化发酵过程。
能量衡算
菌体的不同有所不同，一般取值= 22.15kJ/g细胞。 kJ/g细胞 菌体的不同有所不同，一般取值=-22.15kJ/g细胞。 为所消耗基质的焓变与代谢产物的焓变之差， ΔHc 为所消耗基质的焓变与代谢产物的焓变之差 ， 其由下式给出
氮源的△ HN和△ HN﹡之间的关系问题
氮源以氨计氧化反应式为： NH3+5/4O2 NO+3/2H2O 用有效电子转移为基准焓变： － △ HN﹡=5/4(△ Ho﹡)=5/4×444=555kJ/mol －△ HN =382kJ/mol
谢 谢 大 家
微生物反应过程的能量衡算
组员： 霍瑞、陈娜、蒋强、 朱浩嘉、许智慧、程启朋
主要内容：
微生物反应过程的能量衡算的理论基础 微生物反应过程的能量衡算的意义 微生物对能量的利用： （1）碳源存在的能量衡算 1 （2）碳源氮源同时存在的能量衡算
两个重要的衡算
能量衡算
∑QI= ∑QO + QL
∑QI ___进入系统的能量 ∑QO___离开系统能量
当采用葡萄糖为唯一碳源的基本培养基进行 微生物的好氧培养时，葡萄糖既作为能源， 微生物的好氧培养时，葡萄糖既作为能源， 又作为构成细胞的材料。 又作为构成细胞的材料。反应过程可表示为
− ∆S + ∆O2 → ∆X +
∑ ∆P + ∆CO
2
− ∆H c = (− ∆H S )(− ∆S ) −
∑
* (−∆H P )(∆P ) − (−∆H a )(∆X ) = (− ∆H 0 )(∆O2 )
第八章 发酵机制及发酵过程动力学-2
YX
S
X S0 S
连续培养的优缺点
优点： 1.能维持低基质浓度； 2.具有培养液浓度和代谢产物含量的相对稳定性，保证 了产品质量的稳定； 3.减少了分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、卸 料等操作时间，从而缩短培养周期，提高设备利用率; 4.减轻劳动强度和便于自控等； 缺点： 1.延续的时间长，发生杂菌污染的机会比较多； 2.长期进行连续培养时细胞发生变异退化的可能性比 分批培养突出； 3.细胞在反应器壁、搅拌轴、排液管等处生长，增加 了连续培养的困难；
第二节 微生物反应过程中的质量和能量衡算
48
第三节 基质消耗动力学的基本概念
S1 S S2 S3
菌体 产物 维持
维持消耗(m) ：
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。
例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：
S(mg/l) 6 μ(h-1) 0.06 33 64 153 221 0.24 0.43 0.66 0.70
求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?
解：将数据整理：
S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221
Growth cycle of populations in batch culture
迟滞期
对数生长期
稳
定 期
死亡期
微生物生长的各阶段特征
生长阶段 延滞期
特征
细胞不分裂（不生长），但细胞变大，细胞内RNA含量增高， 原生质呈碱性，合成代谢活跃，易合成新的诱导酶，对外界 环境变化敏感。接种物中死细胞较多或培养基不丰富时延滞 期较长 细胞分裂（生长）最快，细胞进行平衡生长，酶系活跃，代 谢旺盛。生长速率由营养成分和培养条件决定
第2章发酵过程能量平衡和物质平衡
菌体生长的得率(yield)
以底物消耗为基准的菌体得率
• 微生物利用原料生长繁殖。测定生长前后 原料浓度和菌体浓度，菌体得率计算公式： • YX/S= -ΔX/ΔS (g/mol)
• 意义：原料消耗量与菌体生长量的关系； • 所消耗的原料，并非100%转变为菌体。 • YX/S与微生物，原料种类，培养条件有关。 • 同理：
菌体含碳量α2=12/(12+1.898+0.627×16+0.152×14)
×100%= 46.05%
•
碳源含碳量α1= 12/(12+4+16) ×100%=37.5%
• •可计算出菌体关于甲醇的得率是: Yx/s= Yx×(α1/α2)=0.13×0.375/0.4605 =0.106
同样，可得到产物血管生长抑制素关于甲醇的得率YP/M= 4.74×10-4 g/g。
• Yx是以元素为基准的菌体得率，与以底物消耗 为基准的菌体得率系数YX/S有如下关系： • Yx =(α2/α1)(Yx/s)
• Yx/s= Yx (α1/α2)
• Yp是以元素为基准的产物得率， 与以底物消 耗为基准的产物得率Yp/S有如下关系： • Yp =(α3/α1)(Yp/s)
• Yp/s= Yp (α1/α3)
氧的平衡式为：L+ 2b = nYX + sYp+ c + 2d
氢的平衡式为： m + 3a = gYx + rYp + 2c
2.2 物料平衡
• 例计算：
• 一株Muts(甲醇利用慢)表型的基因工程 菌巴斯德毕氏酵母，在甲醇为诱导剂诱 导下，生产“血管生长抑制素”这一产 品，生产阶段是在以甲醇为惟一碳源的 基本培养基（以NH3为氮源）中进行。 甲醇的流加通过一甲醇检测控制系统自 动进行，维持发酵液中甲醇浓度为5g/L， 在产物合成阶段，5L发酵罐中菌体生长 量为16.2g，消耗甲醇量为143g，生产 血管素为69mg，求化学平衡计量式。
谷氨酸发酵车间的物料衡算
工艺计算生产方法：以工业淀粉为原料、双酶法糖化、流加糖发酵，低温浓缩、等电提取。
主要技术指标：淀粉液化工艺参数：糖化工艺参数：培养基配方：灭菌各参数：冷却水末温45℃发酵罐末温127℃灭菌时间 1.5h灭菌中其它蒸汽损耗总汽耗30％一、谷氨酸发酵车间的物料衡算首先计算生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原材料以及其他物料量。
（一）、发酵液量设发酵液初糖和流加高浓糖最终发酵液总糖浓度为180kg/，则发酵液量为：式中 180——发酵培养基终糖浓度（kg/）60%——糖酸转化率95%——谷氨酸转化率99%——除去倒罐率1%后的发酵成功率124%——味精对谷氨酸的精制产率（二）、发酵液配制需水解糖量，以纯糖计算：（三）、二级种液量：（四）、二级种子培养液所需水解糖量：式中 40——二级种液含糖量（kg/）（五）、生产1000kg味精需水解糖总量：（六）、耗用淀粉原料量：理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故耗用淀粉量为：式中 80%—淀粉原料含纯淀粉量98.5%—淀粉糖化转化率（七）、液氨耗用量：二级种液耗液氨量：2.4V2=0.96（kg）发酵培养基耗液氨量：20V1=160（kg）共耗液氨量：160+0.96=161.0（kg）（八）、磷酸氢二钾耗量：G（K2HPO4）=1.5V1+1V2=12+0.4=12.4（kg）（九）、硫酸镁用量：0.4V2+0.6V1=0.16+4.8=4.96（kg）（十）、消泡剂耗用量：0.4V1=3.2（kg）（十一）、玉米浆耗用量：15V2=6（kg）（十二）、硫酸锰耗用量：0.002V2=0.8（g）（十三）、谷氨酸量：发酵液谷氨酸含量为：G1×60%（1-1%）=1360×0.6×0.99=807.84（kg）实际生产的谷氨酸（提取率95%）为：807.84×95%=767.45（kg）45000t/a味精厂发酵车间的物料衡算表物料名称生产1t味精（100%）的物料量生产45000t/a味精的物料量每日物料量发酵液量/8 360000 1091二级种液量/0.4 18000 54.55发酵水解用糖量/kg1360 61200000 1885454.5 二级种培养用糖量/kg16 720000 2181.8水解糖总量/kg 1376 61920000 187636.4 淀粉用量/kg 1572.6 707670 214445.5 液氨用量/kg 161 72450 21954.55 磷酸二氢钾用量/kg12.4 558000 1691硫酸镁用量/kg 4.96 223200 676.4消泡剂用量/kg 3.2 144000 436.4玉米浆用量/kg 6 270000 818.2硫酸锰用量/g 0.0008 36 0.11谷氨酸量/kg 767.45 34535250 104652.3二、谷氨酸发酵的热量衡算热量衡算是根据能量守恒定律建立起来的，热平衡方程表示如下：∑Q入=∑Q出+∑Q损————————（2-1）式中∑Q入─输入的热量总和（kJ）∑Q出─输出的热量总和（kJ）∑Q损─损失的热量总和（kJ）通常，∑Q入=Q1+Q2+Q3 ————————（2-2）∑Q出=Q4+Q5+Q6+Q7 ————————（2-3）∑Q损=Q8 ————————（2-4）式中 Q1—物料带入的热量（kJ）Q2—由加热剂（或冷却剂）传给设备和所处理的物料的热量（kJ）Q3—过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热等（kJ）Q4—物料带出的热量（kJ）Q5—加热设备需要的热量（kJ）Q6—加热物料需要的热量（kJ）Q7—气体或蒸汽带出的热量（kJ）把（2-2）～（2-4）式代入（2-1）式，得Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6+Q7+Q8值得注意的是，对具体的单元设备，上述的Q1～Q8各项热量不一定都存在，故进行热量衡算时，必须根据具体情况进行具体分析。
第八章 反应过程中质量衡算 优质课件
4. ATP消耗对菌体得率Y ATP与ATP平衡
能量通过高能磷酸键贮存、转运。
在供氧充分时，三羧酸循环中间代谢产物被脱氢酶 脱下两个质子氢，分别经由质子递体和电子递体传递到 氧，以氧作为最终电子受体，生成水，同时释放能量， 该能量被高能键贮存；在嫌气条件下，只能进行基质水 平的磷酸化，此时，有机物氧化不彻底，所以产生的能 量也较低。
分解代谢所释放的自由菌体所保持的自由能菌体增量产物之间的熵变差合成产物消耗的碳源与的氧化焓变菌体菌体增量三微生物反应过程的能量衡算第三节微生物生长代谢过程数学模型的建立第四节微生物发酵动力学一分批培养一微生物的生长曲线1
第八章发酵过程中质量和能量衡算
重点：微生物生长代谢过程中的碳平衡；微生物生
长代谢过程中的ATP循环与氧平衡；微生物生长代谢过 程中的能量平衡；微生物生长代谢过程中能量衡算；通 风发酵生成热的计算方法；连续培养时微生物生长数学 模型；分批培养时微生物生长数学模型；微生物发酵动 力学；分批培养；连续培养；
1.迟滞期 2.对数期 3.稳定期 4.衰亡期
（二）微生物生长速度的动力学方程 ①细胞生长动力学 在一个间歇培养的周期中，菌中数量的增加主要是在对数 生长期实现的，因此讨论微生物生长动力学时，是以生长曲线的 对数生长期为目标建立其生长模型。
②微生物生长速率与底物浓度的关系——莫诺模型
世代数根越据多 ， lnt增d2 ，殖当的越数大量时越，大越。短，则越大；即在同样的时间内，
2.重复补料分批培养
在一定间隔的时间内，在取出一定体积的发酵液的同时，加 入相同体积的培养基，因此培养基体积、稀释率、比生长速率均 呈周期性变化。
（三）补料分批培养的优点及应用
三、连续培养
发酵工程设计概论
大米水分
13
冷却损失
无水麦芽浸出率
75
发酵损失
无水大米浸出率
95
过滤损失
麦芽用量
65
包装损失
大米用量
35
总损失
百分比 （％）
0.35 0.30
5 1.5 1.5 2 10.65
二、100千克原料生产12°淡色啤酒的物料衡算
•热麦汁量 •冷麦汁量 •发酵液量 •滤过酒量 •成品酒量
•湿麦糟量 •干酵母产量 •CO2量 •空瓶需用量 •瓶盖需用量 •商标用量
6、 年产湿麦糟量为： 16881.2×1800＝30386160 kg
7、年产发酵液量为： 572.15×1800×19900÷100＝204944130 L
8、年产过滤酒量为： 563.57×1800×19900÷100＝201870774 L
9、年耗干酵母量为： 462.277×1800＝832098.6 kg
游离的CO2量为： 21.91－2.29＝19.62 kg
20℃时，CO2的密度为1.834 kg/m3,则体积为： 19.62 /1.834＝10.69 m3
10、空瓶需用量： 设损失率为0.5％，选用640 ml的空瓶
552.30 /0.640 ×（1＋0.5％）＝867.3 个
11、瓶盖需用量： 设损失率为1％，
867.3×（1＋1％）＝876.0 个
12、商标用量： 设商标损失率为1％，
867.3×（1＋1％）＝876.0 张
三、每批次投料量及产量
设该工厂全年工作日为360天，淡季180天，每天糖化4次； 旺季180天，每天糖化6次，全年总糖化1800次。
1、 每次投料量： 200000×78.9/1800＝19878.9 kg ≈ 19900 kg
赖氨酸发酵工艺的物料衡算
赖氨酸发酵工艺的物料衡算赖氨酸是一种重要的氨基酸，广泛应用于医药和食品行业。
赖氨酸的发酵工艺需要进行物料衡算，以确保工艺的稳定性和高效性。
下面将详细介绍赖氨酸发酵工艺的物料衡算。
首先，赖氨酸发酵过程所需的基本物料包括碳源、氮源、微量元素和pH调节剂。
碳源是发酵过程中维持微生物生长和产酸的重要营养物质，常用的碳源有葡萄糖、玉米糖浆、木糖等。
氮源是合成蛋白质和其他生物活性物质的重要原料，常用的氮源有酵母粉、氨基酸混合物等。
微量元素是微生物生长和代谢过程中必需的物质，常用的微量元素有硫酸锌、硫酸铜、硫酸铁等。
pH调节剂用于调节发酵液的酸碱度，使其维持在适宜的范围内，常用的pH调节剂有氢氧化钠、氢氧化钾等。
其次，赖氨酸发酵过程中需要进行物料的定量衡算。
衡算的目的是确定物料的用量和添加时间，以实现发酵过程的稳定性和高效性。
衡算的依据是发酵菌株的生理特性和代谢需求，以及发酵过程中所需的产物浓度和产率。
在物料衡算中，首先需要确定碳源的用量。
碳源是支持微生物生长和产酸的重要物料，用量的确定应根据微生物菌株的生长速率和代谢特点来决定。
常规做法是通过前期试验和优化实验，确定最佳碳源用量，以达到最佳生长速率和产酸效果。
其次，需要确定氮源的用量。
氮源是支持微生物合成蛋白质和其他生物活性物质的重要物料，用量的确定应根据微生物菌株的代谢需求和物料的营养含量来决定。
常规做法是通过前期试验和优化实验，确定最佳氮源用量，以达到最佳生长和产物合成效果。
此外，微量元素的用量也是物料衡算中的重要内容。
微量元素是微生物生长和代谢所必需的物质，合适的微量元素用量能够提高微生物的生长速率和产物合成效率。
常规做法是通过前期试验和优化实验，确定最佳微量元素用量，以达到最佳发酵效果。
最后，pH调节剂的用量也需要进行物料衡算。
pH调节剂用于调节发酵液的酸碱度，确保微生物的生长和代谢活性。
常规做法是通过前期试验和优化实验，确定最佳pH调节剂用量，以达到最佳发酵效果。
质量衡算与能量衡算
力的导出单位，按牛顿运动定律写出力的定义式，即
u ms
F
kma km t
k
t2
式中F——力； m——质量； a——加速度；
按照国际单位制规定，取k=1，则力的
导出单位为
kg m s 2
u——速度； t——时间； s——距离； k——比例系数。
当采用其他单位制时，将各物理量的单位代入定义式中，得
第一节 常用物理量
四、常用物理量
(一)浓度
例如：氨的水溶液的浓度
1．质量浓度与物质的量浓度 mg/L mol/L 氨的质量或物质的量/溶液体积
2. 质量分数与摩尔分数 % kg/kg 氨的质量/溶液的质量 kmol/kmol 氨的物质的量/溶液的物质的量
3．质量比与摩尔比 kg/kg 氨的质量/水的质量 kmol/kmol 氨的物质的量/水的物质的量
K
物质的量
摩[尔]
mol
发光强度
坎[德拉]
cd
第一节 常用物理量
2个辅助单位
表2.1.2 国际单位制的辅助单位
量的名称 平面角 立体角
单位名称 弧度 球面度
单位符号 rad sr
导出单位
按照定义式由基本单位相乘或相除求得， 并且其导出单位的定义式中的比例系数永远 取1。
第一节 常用物理量
导出单位
( )h d
式（2.3.9）成为具有四个准数的关系式。
第一节 常用物理量
参考内容:量纲分析法 通过实验，回归求取关联式中的待定系数
写成一般形式，则为 “黑箱”模型法
pf
u2
L d
,
du
, d
绝对粗糙度与管径之比，称为相对粗糙度 雷诺数，代表惯性力与黏性力的比值，反映流动特性
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第八章发酵过程中质量和能量衡算
பைடு நூலகம்
主要内容：
1、微生物生长代谢过程中的碳平衡；
2、微生物生长代谢过程中的ATP循环与氧平衡； 3、微生物生长代谢过程中的能量平衡； 4、微生物生长代谢过程中能量衡算； 5、通风发酵生成热的计算方法； 6、连续培养时微生物生长数学模型；
7、分批培养时微生物生长数学模型； 8、微生物发酵动力学。
A S B X O2 C P
4. ATP消耗对菌体得率Y
ATP与ATP平衡
能量通过高能磷酸键贮存、转运。 在供氧充分时，三羧酸循环中间代谢产物被脱氢酶 脱下两个质子氢，分别经由质子递体和电子递体传递到 氧，以氧作为最终电子受体，生成水，同时释放能量， 该能量被高能键贮存；在嫌气条件下，只能进行基质水 平的磷酸化，此时，有机物氧化不彻底，所以产生的能 量也较低。 能量生长偶联型与能量生长非偶联型： 当构成菌体的材料充裕时，菌体的生长受制于ATP 的供应，这种生长就是能量偶联型生长；反之，在ATP 供应充分，而合成细胞的材料受限制时，这时的生长就 是能量生长非偶联型，即与ATP供应无关，此时，大量 的ATP在ATP酶的作用下被降解，以热能的形式释放出大 量的热量形成发酵热异常升高。 涉及到能量供应的菌体得率YATP 用表示：
第二节
微生物反应过程的能量衡算
一、有机物氧化焓变和有效电子转移
在生物氧化中，氧是最终电子受体。三羧酸循环中 间产物在脱氢酶作用下，脱下两个质子氢，经过质子、 电子递体最终传递给氧原子，结合成水，同时释放出大 量的能量，即： 2H O H 2 O Q
二、自由能消耗对菌体的得率
基于自由能变化的菌体得率用表示，则：
重点：微生物生长代谢过程中能量衡算。
难点：微生物生长代谢过程数学模型的建立。
第一节
微生物生长代谢过程中的质量 平衡
一、微生物生长代谢过程的碳平衡
1.最低培养基与完全培养基 2.微生物生长代谢过程中基质和产物之间的碳元素平衡
ds d t dCO2 dx dP 4 2 3 dt dt 1 dt
P
4.细胞物质生产中碳源的化学平衡
自然界的一切变化过程都存在着变化前后的质量 和能量平衡，发酵过程也不例外。通过研究微生物反 应的化学平衡，可帮助我们预测发酵过程中各种基质 的需要量，从而更经济、有效地使用它们，减少无效 消耗。
为减少问题的复杂性，我们在研究发酵过程的化 学计量式时，可作如下的处理： ①对复杂分子组成的原料用简化的化学式表示。 ②忽略反应中的一些次要的元素和成分。 菌体的生长一般是在供氧条件下，将营养基质转 化成菌体成分、CO2和H2O的过程。因此，如果菌体的 化学组成和基质到菌体的最大转化率已经知道时，就 可以列出微生物生长的化学计量式。 如青霉菌以葡萄糖为基质，通气培养，其菌体化 学组成为CH1.64O0.52N0.16、葡萄糖至菌体的转化率为 0.48g干菌体/g葡萄糖，则可对下式进行配平。步骤 如下：
3.微生物生长过程中的碳源平衡
在微生物反应中，碳源的用途主要消耗于：
①满足菌体生长消耗用S G 表示， ②维持微生物生存的消耗用S m 表示
③合成代谢产物的消耗，用S 表示 S S G S m S P ，对于每一途径的消耗 则有：
一、分批培养 （一）微生物的生长曲线
1.迟滞期 2.对数期 3.稳定期 4.衰亡期
（二）微生物生长速度的动力学方程 ①细胞生长动力学 在一个间歇培养的周期中，菌中数量的增加主要是在对数 生长期实现的，因此讨论微生物生长动力学时，是以生长曲线的 对数生长期为目标建立其生长模型。
②微生物生长速率与底物浓度的关系——莫诺模型
YKJ 菌体增量x 菌体所保持的自由能 分解代谢所释放的自由 能
因为自由能变化近似等于其焓变，则上式可写为：
菌体增量x 菌体x 的氧化焓变 合成产物消耗的碳源与 产物之间的熵变差
三、微生物反应过程的能量衡算
第三节 微生物生长代谢过程数学模型的建立 第四节 微生物发酵动力学
第八章发酵过程中质量和能量衡算
重点：微生物生长代谢过程中的碳平衡；微生物生
长代谢过程中的ATP循环与氧平衡；微生物生长代谢过 程中的能量平衡；微生物生长代谢过程中能量衡算；通 风发酵生成热的计算方法；连续培养时微生物生长数学 模型；分批培养时微生物生长数学模型；微生物发酵动 力学；分批培养；连续培养； 难点：微生物生长代谢过程中能量衡算；微生物生 长代谢过程数学模型的建立；分批培养时微生物生长数 学模型；
根据
ln 2 td
，当越大时，越短，则越大；即在同样的时间内， 世代数越多，增殖的数量越大。 一般情况下，微生物的并非常数。因菌体所处的环境条件 如温度、pH、培养基组成及浓度等不同而异。
实际上，莫诺方程是在如下的假设基础上建立起来的：
①写出反应化学简式。 ②根据转化率配系数。 ③通过质量平衡，配平其他成分的系数，最后得到的计量方 程式。
5.对微生物生长过程进行碳平衡的意义
二、微生物生长代谢过程中的ATP循环与氧平衡
1.ATP循环
1mol葡萄糖彻底氧化生成38molATP
2.生物氧化 3.微生物代谢过程中的氧平衡
假定发酵是在充分供氧的条件下进行，即所消耗的基质 除一部分被同化到菌体和产物外，其余全部被氧化生成CO2和 H2O，则由能量守恒定律可得氧元素的平衡式：
YATP
碳源对菌体的得率 消耗1m ol 碳源由分解代谢产生的 ATPm ol 数
对能量偶联型生长，大约在10左右；非能量偶联型 生长，大大低于10；
5. 通风培养时氧的消耗与ATP生成数量之间关系 有氧气存在时，YATP的测定比较困难，原因是：
①有些供能基质被用于合成代谢； ②培养基内被认为不是供能基质的却有一些被用来产生 能量； ③至今对于具体的每种微生物，其氧化作用与磷酸化作 用偶联的程度与控制机制尚不清楚； ④各种微生物用于维持其生命活动所需的能量也不相同；