发酵工程ppt韦革宏杨祥第3章6节

15.8— 22.8
2
0.38
124
22.8— 29.2
3
0.32
114
29.2— 37.8
基质的消耗比速： dt X
(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
h
9
发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
ds
基质的消耗比速： dt X
(h-1)
dx
菌体的生长比速： d t X
V
V
1.2
μVm1m
0.8
0μ. 6
0Vμ.m4m /2 2
0.2
0
0KKms 200
400 S 600
800 1000
1.2 V1m
0.8 0.6 0V.m4/2 0.2
0 0K m 200
400 S 600
800 1000
Monod方程:
max
S Ks S
h
米氏方程:
v
vmax
S Kms S
max
S Ks S
μ：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度
Monod方程
Ks：半饱和常数
μmax: 最大比生长速度
h
15
其他动力学模型
Logistic 方程 Moser 方程
max
(1
Cx Cx
)
maxCsn
Ks Csn
Contois 方程
maxCs
KsCx Cs
h
16
Monod方程与米氏方程的比较
生物化学
h
4
发酵动力学研究的核心问题和表述方式
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。
h
5
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
rx rs
XXX0 S S0S
Yx/AT P10 .5g细胞 /molA
h
12
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：
菌体浓度
减速期
静止期 衰亡期
延迟期
指数生长期
时间
h
延迟期： d x 0
dt
指数生长期: max 倍增时间：td
减速期: μ逐渐减小
静止期： d x 0
m m
h
19
/ s
400
300
200
100
0 0
ks m 108.4
100
s
S S Ks
m m
1 m
0.9
200
μmax，＝1.11 (h-1); Ks＝97.6 mg/L
td＝ln2/ μmax＝0.64 h
h
20
四、产物形成动力学的基本概念
Gaden对发酵的三分类与Piret方程：
第三章 发酵机制及发酵动 力学
h
1
第六节 微生物发酵的动力学
h
2
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。
h
3
发酵动力学的学科基础
化学动力学
生化反应动力学
发酵动力学
物料衡算： ds ds1 ds2 ds3 dt dt dt dt
m
Yx/s Yp/s
m: 维持消耗系数
Y`X/s: 细胞对基质的理论得率系数
Y`P/s:
产物对基质的理论得率系数 h
26
思考题
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：
序号 Δt/h
Cs/g/L
1
0.52
158
S(mg/l) 6 33 64 153 221 μ(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μmax，Ks和对数期的td?
解：将数据整理：
S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221
S S Ks
h
24
五、基质消耗动力学的基本概念
S1 菌体
维持消耗
S
S2 产物
指维持细胞最低活性所 需消耗的能量，一般来
源自文库讲，单位重量的细胞在
S3 维持
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
h
25
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
17
(三)Monod方程的参数求解(双倒数法)：
max
S Ks S
将Monod方程取倒数可得：
1 1 Ks 1
m m S
或：
S S Ks
m m
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。
h
18
例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：
(h-1)
dp 产物的形成比速： h d t X
(h-1)
10
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。
h
11
发酵动力学基本关系
h
6
发酵动力学模型的分类
非结构论模型
确定论模型
A
概率论模型
C
结构论模型
B D
h
7
二、发酵过程的反应描述及速度概念
发酵过程反应的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
h
8
发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质的消耗速度： r d s dt
ds
p x
〖一类发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
h
21
p x
〖二类发酵〗 产物的形成和菌体的生长部分偶联
h
22
p x
〖三类发酵〗 产物的形成和菌体的生长非偶联
h
23
〖Piret方程〗
π＝a + bμ
b即得率系数
a=0、b≠0： 可表示一类发酵
a≠0、b=0： 可表示三类发酵
a≠0、b≠0：可表示二类发酵
dt
衰亡期: d x 0
dt
X Xmax
13
(二) 微生物的生长动力学、Monod方程
微生物的生长速度：
μ＝f(s,p,T,pH,……,)
在一定条件下(基质限制)：
μ＝f(S)
h
14
V
1.2
μV1mm
0.8
μ 0 . 6
0V.m4/2 0.2
0
0 KKms
200
400 S 600
800
1000
rx Yx/srs
同理，
Y x /s
rs Ys/xrx
Y s/x
rx Yx/ prp rp Yp/xrx rs Ys/ prp rp Yp/srs
只有部分发 Y x / p
酵过程的瞬 时得率系数 是常数，而
Y p/x
Y 另一些发酵
过程它则是
s/p
不断变化的。
Y p /s
Yx/s