中国农业大学：《发酵工程学 Fermentation Engineering》课程教学资源（PPT课件）第三章 发酵动力学模式和发酵培养方法

第三章发酵动力学模式和发酵 培养方法

第三章 发酵动力学模式和发酵 培养方法

第一节微生物反应过程概论 微生物反应过程的主要特征 微生物是该反应过程的主体:是生物催 化剂,又是一微小的反应容器。 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应 体系。酶能够进行再生产

第一节 微生物反应过程概论 • 一、微生物反应过程的主要特征 • 微生物是该反应过程的主体：是生物催 化剂，又是一微小的反应容器。 • 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应 体系。酶能够进行再生产

微生物反应是非常复杂的反应过程 (1)反应体系中有细胞的生长,基质消耗 和产物的生成,有各自的最佳反应条件 ·(2)微生物反应有多种代谢途径 (3)微生物反应过程中,细胞形态、组成 要经历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶 段,不同菌龄,有不同的活性

• 微生物反应是非常复杂的反应过程 • （1）反应体系中有细胞的生长，基质消耗 和产物的生成，有各自的最佳反应条件。 • （2）微生物反应有多种代谢途径。 • （3）微生物反应过程中，细胞形态、组成 要经历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶 段，不同菌龄，有不同的活性

二、微生物反应动力学的描述方法 细胞生长动力学 反应基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 发酵过程:包括细胞内的生化反应,胞 内与胞外的物质交换,胞外物质传递及 反应

二、微生物反应动力学的描述方法 • 细胞生长动力学 • 反应基质消耗动力学 • 代谢产物生成动力学 • 发酵过程：包括细胞内的生化反应，胞 内与胞外的物质交换，胞外物质传递及 反应

发酵过程特点 多相:气相、液相和固相 多组分:培养基中多种营养成分,多种代 谢产物,细胞内也具有不同生理功能的大 中、小分子化合物。 非线性:细胞代谢过程用非线性方程描述。 复杂群体的生命活动

发酵过程特点 • 多相：气相、液相和固相 • 多组分：培养基中多种营养成分，多种代 谢产物，细胞内也具有不同生理功能的大、 中、小分子化合物。 • 非线性：细胞代谢过程用非线性方程描述。 • 复杂群体的生命活动

反应动力学描述的简化 动力学是对细胞群体的动力学行为的描述 不考虑细胞之间的差别,而是取性质上的平均 值,在此基础上建立的模型称为确定论模型, 如果考试每个细胞之间的差别,则建立的模型 为概率论模型 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型, 称为结构模型,一般选取RNA、DNA、糖类及 蛋白含量做为过程变量。菌体视为单组分的模 型为非结构模型,通过物料平衡建立超经验或 半经验的关联模型

反应动力学描述的简化 • 动力学是对细胞群体的动力学行为的描述 • 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均 值，在此基础上建立的模型称为确定论模型， 如果考试每个细胞之间的差别，则建立的模型 为概率论模型。 • 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型， 称为结构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及 蛋白含量做为过程变量。菌体视为单组分的模 型为非结构模型，通过物料平衡建立超经验或 半经验的关联模型

·如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加,称 为均衡生长 如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加 比例不同,称为非均衡生长。 生长模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构 模型。 ·将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的 模型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用 ·如果把细胞和培养液视为一相,建立的模型为均 化模型

• 如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称 为均衡生长。 • 如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加 比例不同，称为非均衡生长。 • 生长模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构 模型。 • 将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的 模型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。 • 如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均 一化模型

非结构模型 结构模型 最理想情况 均衡细胞之间无差异, 确定论模型不考虑细胞内部结构|生长是均一的,细胞内 有多个组分存在 各种细胞均 细胞群体做为一种溶质 A B 不考虑细胞内部结构均衡实际情况 概率论模型各种细胞不均 生长细胞内多组分; C 细胞之间不均 D 对细胞群体的描述模型

非结构模型 结构模型 确定论模型 最理想情况 不考虑细胞内部结构 各种细胞均一 细胞群体做为一种溶质 A 细胞之间无差异， 是均一的，细胞内 有多个组分存在。 B 均衡 生长 概率论模型 不考虑细胞内部结构 各种细胞不均一 C 实际情况： 细胞内多组分； 细胞之间不均一 D 均衡 生长 对细胞群体的描述模型

发酵动力学中常用的几个术语 1.得率(或产率,转化率,Y):包括生长 得率(Yxs)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mol)基质( 般指碳源)所产生的菌体重(g),即 YX/s=△X/S

发酵动力学中常用的几个术语 • 1．得率(或产率，转化率，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) ， 即 Yx/s=ΔX/ΔS

产物得率:是指每消耗lg(或mo1)基质所合成的 物g数(或mo数)。这里消耗的基质是指被微生 物实际利用掉的基质数量,即投入的基数减去残 留的基质量(S。S) 转化率:往往是指投入的原料与合成产物数量 之比

• 产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的 产物g数(或mol数)。这里消耗的基质是指被微生 物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残 留的基质量(S。-S)。 • 转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量 之比