典型发酵过程动力学及模型优秀课件
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
典型发酵过程动力学及模型优 秀课件
一、分批发酵动力学
概论 微生物生长动力学 基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 动力学模型的建立
一、 概论
发酵的实质： 生物化学反应
发酵动力学
基质利用
各种环境因素与微生物代谢活 动之间的相互作用随时间而 变化的规律
微生物生化反应动力学
细胞生长 产物生成
发酵过程反应的描述
产物的比生成速率：
qP
1 rX
drP dt
基质的比消耗速率： 比耗氧速率：
qS
1 rX
drS dt
qO
1 rX
drO dt
ຫໍສະໝຸດ Baidu
例题: 在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间歇培 养时得到结果如表所示：
时间/h 0 2 4 8 10 12 14 16 18
rX/(g/l) 0.21 0.22 0.31 0.98 1.77 3.20 5.60 6.15 6.20
研究目的：进行最佳发酵 工艺条件的控制
一、 概论
■发酵过程按进行 ✓ 分批发酵 过程有三种方式： ✓ 补料分批发酵
✓ 连续发酵
非稳态
准恒态
恒态
一、 概论
分批发酵
培养基
反应器
灭菌
空气、消泡剂、酸碱
接种
发酵培养
放罐
放罐
放罐
发酵周期
一、 概论
菌体浓度
分批发酵典型生长曲线
延迟期：
指数生长期:
maxmax
kdrX
Kd为比死亡速率常数
二、微生物生长动力学
4、无抑制的细胞生长动力学 ——Monod方程
微生物的比生长速率： μ＝f(rS,p,T,pH,……,)
在一定条件下(基质限制)： μ＝f(rS)
rS 限制性基质浓度 mol/m3
1.2
V1m
μ0 . 8
0.6 0V.m4/2
V
0.2
莫诺方程:
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、温度等工艺参数和控制方案，确定最佳发酵 工艺条件；2) 以发酵动力学模型为依据，利用计算机进行合理的发酵过程的程序设计， 模拟最优化的发酵工艺流程和技术参数，使发酵工艺的过程控制达到最优化；3) 动力学 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发酵提供理论基础。
（6-18）
➢稳定期
营养物质已耗尽或有害物质大量累积使细胞浓度不再增 加，细胞生长速率=细胞死亡速率，此时细胞的纯生长速率 为零。
（6-19）
kd细 胞 死 亡 速 率 ， h 1
5）死亡期 培养基中营养耗尽，代谢产物大量积累，细胞繁
殖趋于停止，而死亡细胞越来越多，即活细胞数量 显著下降。
drX dt
rS/(g/l) 9.23 9.21 9.07 8.03 6.80 4.60 0.92 0.08 0
试求： 在t=10h时比生长速率,基质比消耗速率，产物比形成速率
g/l
10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00
0
5
10
15
20
时间 （h）
二、微生物生长动力学
3. 微生物分批培养动力学
0
0KKsm 200
400 S 600
800 1000
当限制性营养物质的浓度ρS很低的时候（ρS<<Ks)， μ和ρS是线性关系， μ= (μm/Ks)ρS
随着营养物质的浓度增加，比生长速度也相应的增加，μ与ρS不成 直线关系， 当ρS>> Ks时μ≈ μm
一些典型的μm和Ks值
微生物 产朊假丝酵母 棕色固氮菌 产朊球拟酵母 酿酒酵母
减速期:
d
d 0
0
dt dt
时间
静止期：
X Xmax
衰亡期:
二、微生物生长动力学
• Yield
得率
Y
• Rate
速率
R
• Substrate 底物/基质 S
• Cell
细胞
X
• mass
质量
m
• Product 产物
P
• Oxygen 氧气
O
• Carbon 碳
C
二、微生物生长动力学
基本参数
• 得率系数
菌体浓度
减速期
静止期 衰亡期
指数生长期 延迟期
时间
图 微生物生长曲线
延迟期：
指数生长期: mmaxax
减速期: 静止期：
d 0 dt
; X Xmax
衰亡期:
d
ln2
max
0.693
max
（6-17）
➢减速期
当细胞大量生长后，培养基中基质浓度已下降，加上有 害代谢物的累积，使细胞生长速率开始减慢。细胞生长速率 与细胞浓度符合一级动力学关系：
木霉sp.
曲霉sp.
大肠杆菌
生长限制底物
氧 氧 氧 葡萄糖 S<=720mg/L需氧 S>=720mg/L需氧 葡萄糖 纤维二糖 葡萄糖 半乳糖 乳糖 甘露糖
Ks(mg/L)
0.032 0.224 0.45
μm（h-1)
0.44 0.35 0.51
34.2 167.4 118~119 154.8 514.0 20.9 3.96
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：
生 YX/S消
成 耗
底 细物 胞 ＝ DD m 的 的 m XS质 质 r rX s0量 量 rrX s0
对氧的细胞得率：
YX/O生 消成 耗细 氧胞 的的 ＝ 质 D质 Dm 量 mXO量
对底物的产物得率：
YP/S 消 生耗 成底 产物 物的 的 ＝质 质 DDmmP量 量 S
对碳的细胞得率： Y C消 生耗 成基 细 细 基 质 胞 胞 质 ＝ 的 的 － D 含 含 m D m X s 质 质 S s X S 碳 碳 s s 量 量 X SY 量 量 X /S
0.54 0.65 0.13 0.10 0.125 0.10
单基质限制的细胞生长动力学模型
二、微生物生长动力学
2. 反应速率的定义
绝对反应速率：单位时间、单位体积某一成分的变化量
细胞的生长速率：
rX
drX dt
产物的生成速率：
rP
drP dt
基质的消耗速率：
rS
drS dt
氧的消耗速率：
rO
drO dt
比反应速率：单位质量的细胞在单位时间生成或消耗某 一成分的量
细胞的比生长速率：
1 drX rX dt
对底物 YX/S -DmX/( D mS) rX/rS (rX-rX0)/(rS0-rS)
YP/S 对氧 YX/O 对碳 YX/C • 反应速率
-DmP/( D mS) -DmX/( D mO) -DmXsX/( D mSsS)
YX/SsX/sS
细胞生长速率
rX drX/dt
基质和氧的消耗速率 rS rO -drS/dt
一、分批发酵动力学
概论 微生物生长动力学 基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 动力学模型的建立
一、 概论
发酵的实质： 生物化学反应
发酵动力学
基质利用
各种环境因素与微生物代谢活 动之间的相互作用随时间而 变化的规律
微生物生化反应动力学
细胞生长 产物生成
发酵过程反应的描述
产物的比生成速率：
qP
1 rX
drP dt
基质的比消耗速率： 比耗氧速率：
qS
1 rX
drS dt
qO
1 rX
drO dt
ຫໍສະໝຸດ Baidu
例题: 在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间歇培 养时得到结果如表所示：
时间/h 0 2 4 8 10 12 14 16 18
rX/(g/l) 0.21 0.22 0.31 0.98 1.77 3.20 5.60 6.15 6.20
研究目的：进行最佳发酵 工艺条件的控制
一、 概论
■发酵过程按进行 ✓ 分批发酵 过程有三种方式： ✓ 补料分批发酵
✓ 连续发酵
非稳态
准恒态
恒态
一、 概论
分批发酵
培养基
反应器
灭菌
空气、消泡剂、酸碱
接种
发酵培养
放罐
放罐
放罐
发酵周期
一、 概论
菌体浓度
分批发酵典型生长曲线
延迟期：
指数生长期:
maxmax
kdrX
Kd为比死亡速率常数
二、微生物生长动力学
4、无抑制的细胞生长动力学 ——Monod方程
微生物的比生长速率： μ＝f(rS,p,T,pH,……,)
在一定条件下(基质限制)： μ＝f(rS)
rS 限制性基质浓度 mol/m3
1.2
V1m
μ0 . 8
0.6 0V.m4/2
V
0.2
莫诺方程:
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、温度等工艺参数和控制方案，确定最佳发酵 工艺条件；2) 以发酵动力学模型为依据，利用计算机进行合理的发酵过程的程序设计， 模拟最优化的发酵工艺流程和技术参数，使发酵工艺的过程控制达到最优化；3) 动力学 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发酵提供理论基础。
（6-18）
➢稳定期
营养物质已耗尽或有害物质大量累积使细胞浓度不再增 加，细胞生长速率=细胞死亡速率，此时细胞的纯生长速率 为零。
（6-19）
kd细 胞 死 亡 速 率 ， h 1
5）死亡期 培养基中营养耗尽，代谢产物大量积累，细胞繁
殖趋于停止，而死亡细胞越来越多，即活细胞数量 显著下降。
drX dt
rS/(g/l) 9.23 9.21 9.07 8.03 6.80 4.60 0.92 0.08 0
试求： 在t=10h时比生长速率,基质比消耗速率，产物比形成速率
g/l
10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00
0
5
10
15
20
时间 （h）
二、微生物生长动力学
3. 微生物分批培养动力学
0
0KKsm 200
400 S 600
800 1000
当限制性营养物质的浓度ρS很低的时候（ρS<<Ks)， μ和ρS是线性关系， μ= (μm/Ks)ρS
随着营养物质的浓度增加，比生长速度也相应的增加，μ与ρS不成 直线关系， 当ρS>> Ks时μ≈ μm
一些典型的μm和Ks值
微生物 产朊假丝酵母 棕色固氮菌 产朊球拟酵母 酿酒酵母
减速期:
d
d 0
0
dt dt
时间
静止期：
X Xmax
衰亡期:
二、微生物生长动力学
• Yield
得率
Y
• Rate
速率
R
• Substrate 底物/基质 S
• Cell
细胞
X
• mass
质量
m
• Product 产物
P
• Oxygen 氧气
O
• Carbon 碳
C
二、微生物生长动力学
基本参数
• 得率系数
菌体浓度
减速期
静止期 衰亡期
指数生长期 延迟期
时间
图 微生物生长曲线
延迟期：
指数生长期: mmaxax
减速期: 静止期：
d 0 dt
; X Xmax
衰亡期:
d
ln2
max
0.693
max
（6-17）
➢减速期
当细胞大量生长后，培养基中基质浓度已下降，加上有 害代谢物的累积，使细胞生长速率开始减慢。细胞生长速率 与细胞浓度符合一级动力学关系：
木霉sp.
曲霉sp.
大肠杆菌
生长限制底物
氧 氧 氧 葡萄糖 S<=720mg/L需氧 S>=720mg/L需氧 葡萄糖 纤维二糖 葡萄糖 半乳糖 乳糖 甘露糖
Ks(mg/L)
0.032 0.224 0.45
μm（h-1)
0.44 0.35 0.51
34.2 167.4 118~119 154.8 514.0 20.9 3.96
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：
生 YX/S消
成 耗
底 细物 胞 ＝ DD m 的 的 m XS质 质 r rX s0量 量 rrX s0
对氧的细胞得率：
YX/O生 消成 耗细 氧胞 的的 ＝ 质 D质 Dm 量 mXO量
对底物的产物得率：
YP/S 消 生耗 成底 产物 物的 的 ＝质 质 DDmmP量 量 S
对碳的细胞得率： Y C消 生耗 成基 细 细 基 质 胞 胞 质 ＝ 的 的 － D 含 含 m D m X s 质 质 S s X S 碳 碳 s s 量 量 X SY 量 量 X /S
0.54 0.65 0.13 0.10 0.125 0.10
单基质限制的细胞生长动力学模型
二、微生物生长动力学
2. 反应速率的定义
绝对反应速率：单位时间、单位体积某一成分的变化量
细胞的生长速率：
rX
drX dt
产物的生成速率：
rP
drP dt
基质的消耗速率：
rS
drS dt
氧的消耗速率：
rO
drO dt
比反应速率：单位质量的细胞在单位时间生成或消耗某 一成分的量
细胞的比生长速率：
1 drX rX dt
对底物 YX/S -DmX/( D mS) rX/rS (rX-rX0)/(rS0-rS)
YP/S 对氧 YX/O 对碳 YX/C • 反应速率
-DmP/( D mS) -DmX/( D mO) -DmXsX/( D mSsS)
YX/SsX/sS
细胞生长速率
rX drX/dt
基质和氧的消耗速率 rS rO -drS/dt