第9章 发酵动力学

第9章发酵动力学

发酵动力学是以化学热力学(研究反应的方向)和化学动力学(研究反应速度)为基础，对发酵过程各种物质的变化进行描述的学科。一般来说，发酵动力学的研究内容主要包括①细胞生长和死亡动力学；②基质消耗动力学；③氧消耗动力学；④CO2生成动力学；⑤产物合成和降解动力学；⑥代谢热生成动力学

发酵动力学模型

非结构模型：基于细胞是单组份、均一的而忽略环境的变化对细胞组成的影响的假设所建立的模型。它是以细胞浓度的变化速率来表示的。

结构模型：基于细胞组成在培养过程变化的基础上建立的模型。

9.1 基本参数

1. 对基质的细胞得率系数YX/S

2. 产物得率系数YP/S

3. 反应速率

细胞生长速率r X：

基质的消耗速率r S

产物生成速率r P

氧的消耗速率r O、CO2生成速率r CO2

4. 比速率

比生长速率 ,比消耗速率q S ,比生成速率q P ,维持系数m S

9.2 细胞生长动力学模型

无抑制的细胞生长动力学模型

有抑制的细胞生长动力学模型:基质抑制动力学模型,产物抑制动力学模型.逻辑方程

一、无抑制的细胞生长动力学模型

1. 单一基质

Monod方程

Monod方程只适用于单一基质及不存在抑制性物质的情况，也就是说，除了一种生长限制基质外，其它必需营养都是过量的，但这种过量又不致于引起对生长的抑制，在生长过程也没有抑制性产物生成。通常Monod方程仅适用于生长较慢和细胞密度较低的环境。

对于初始基质浓度过高而造成细胞生长过快的发酵

在高密度下的细胞生长的生长动力学Contois 方程

2. 双基质

累加动力学

相互影响动力学

二、有抑制的细胞生长动力学模型

1. 基质抑制动力学

反竞争性基质抑制采用Haldane方程

竞争性基质抑制

非竞争性基质抑制

2. 产物抑制动力学

3. 逻辑方程

在某一特定条件下，细胞生长应有一最大浓度X m，它与基质浓度有关。

即积分式

9.3 产物生成动力学

Luedeking-Piret模型

1：生长偶联型

2：生长部分偶联型

3：非生长偶联型

4：生长负相关型

5：生长无关型

产物存在分解时

9.4 基质消耗动力学

假设发酵过程没有中间代谢产物积累，则含碳基质的质量平衡算式为：

消耗的含碳基质=维持代谢消耗量+菌体生长消耗量+产物合成消耗量

即

微分后

该模型为基质消耗的普遍动力学模型。

若基质仅用于细胞的生长，则

若产物的合成不消耗基质，则

9.5 发酵过程动力学模拟与参数的估计

发酵过程动力学模拟的步骤：

1.根据发酵过程中细胞生长、基质消耗、产物生成的时间曲线，提出其动力学模型；

2.根据实验数据对所提出模型进行拟合，确定模型参数；

3.比较模型计算值与实验值的差别，以判断模型的准确性；

4.分析模型误差的原因，并对模型进行修正。

产物生成和基质消耗动力学模型大都与菌体浓度有关，因此，如果生长动力学确定后，其它动力学模型就较容易获得。

动力学模型参数估计的方法

1. 微分法

Langmuir作图法

2.积分法

3. Elibol-Mavituna 作图法

对产物生成动力学，采用Luedeking-Piret方程。对基质消耗动力学，采用基质消耗不用于产物生成的动力学模型

思考题

名词解释：细胞得率系数、产物得率系数、理论得率系数、比生长速率、比生成速率、比消耗速率、维持系数。