合肥大学（合肥学院）：《发酵工程与设备》课程教学资源（PPT课件）第六章 发酵动力学与发酵过程控制

第六章 发酵动力学与发酵 过 程 控 制 ◼ 发酵动力学是研究生物反应过程的速率 及其影响因素，是生物反应工程学的理 论基础之一 。 ◼ 发酵过程动力学包括两个层次的动力学： 本征动力学和反应器动力学

第六章 发酵动力学与发酵 过 程 控 制 ◼ 发酵动力学是研究生物反应过程的速率 及其影响因素，是生物反应工程学的理 论基础之一 。 ◼ 发酵过程动力学包括两个层次的动力学： 本征动力学和反应器动力学

1、本征动力学（又称微观动力学） 在没有传递等工程因素影响时，生物 反应固有的速率。该速率除反应本身的特 性外，只与各反应组分的浓度、温度、催 化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关

1、本征动力学（又称微观动力学） 在没有传递等工程因素影响时，生物 反应固有的速率。该速率除反应本身的特 性外，只与各反应组分的浓度、温度、催 化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关

2、反应器动力学 （又称宏观动力学） 在一反应器内所观测得到的总反应速率及 其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式 和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质 与传热等

2、反应器动力学 （又称宏观动力学） 在一反应器内所观测得到的总反应速率及 其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式 和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质 与传热等

◼ 由于生物反应过程的复杂性，给生物反 应动力学带来了多样性。例如对酶催化 反应，反应动力学可表达为分子水平动 力学；对微生物发酵反应，其动力学可 在细胞水平上表达；对废水的生物处理， 则可表达为群体动力学。每个表达水平 都有其独特特征，这些特征需要有其特 有的动力学处理方法

◼ 由于生物反应过程的复杂性，给生物反 应动力学带来了多样性。例如对酶催化 反应，反应动力学可表达为分子水平动 力学；对微生物发酵反应，其动力学可 在细胞水平上表达；对废水的生物处理， 则可表达为群体动力学。每个表达水平 都有其独特特征，这些特征需要有其特 有的动力学处理方法

第一节 发酵动力学 ◼ 发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代 谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的 科学。用数学模型定量地表达发酵过程中各 种与生长、基质代谢、产物生成有关的因素， 是发酵动力学研究的重要方法。 ◼ 研究发酵动力学的目的在于按人们的需要控 制发酵过程

第一节 发酵动力学 ◼ 发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代 谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的 科学。用数学模型定量地表达发酵过程中各 种与生长、基质代谢、产物生成有关的因素， 是发酵动力学研究的重要方法。 ◼ 研究发酵动力学的目的在于按人们的需要控 制发酵过程

一 、产物合成动力学 ◼ 在连续培养的条件下，由生长、基质 利用和产物形成的物料平衡方程，可 以看出产物的形成与生长和细胞浓度 的关系

一 、产物合成动力学 ◼ 在连续培养的条件下，由生长、基质 利用和产物形成的物料平衡方程，可 以看出产物的形成与生长和细胞浓度 的关系

1、细胞的生长 V F X X dt dX 0 =  − 细胞量的积累速率 = 细胞生长速率－细胞的消失速率 X—菌体浓度 μ —比生长速率 F0 —培养液移走速率 V—培养液体积

1、细胞的生长 V F X X dt dX 0 =  − 细胞量的积累速率 = 细胞生长速率－细胞的消失速率 X—菌体浓度 μ —比生长速率 F0 —培养液移走速率 V—培养液体积

2、基质的利用 基质的消耗速率 = 补料中基质的添加速率－生长消耗基质 的速率－产物合成用去基质的速率－维持所消耗基质的速 率－基质的移去速率

2、基质的利用 基质的消耗速率 = 补料中基质的添加速率－生长消耗基质 的速率－产物合成用去基质的速率－维持所消耗基质的速 率－基质的移去速率

S—基质浓度 Fi —补料速率 —以消耗的基质为基准的细胞得率系数（g细胞/g消耗的 基质） —以消耗的基质为基准的产物生成系数，即转化率（g产 物/g消耗的基质） —产物的比生产速率。它的意义是单位浓度的生产菌细胞 在单位时间形成的产物量。其数学表达式为 其中：P —产物的浓度； —单位质量细胞生成的产物 量（g产物/g细胞）。 Yx / s p q Yp / s dt dP X qp 1 = qp = Yp / x   YP / x

S—基质浓度 Fi —补料速率 —以消耗的基质为基准的细胞得率系数（g细胞/g消耗的 基质） —以消耗的基质为基准的产物生成系数，即转化率（g产 物/g消耗的基质） —产物的比生产速率。它的意义是单位浓度的生产菌细胞 在单位时间形成的产物量。其数学表达式为 其中：P —产物的浓度； —单位质量细胞生成的产物 量（g产物/g细胞）。 Yx / s p q Yp / s dt dP X qp 1 = qp = Yp / x   YP / x

m为维持系数，它表示单位浓度的细胞在 单位时间里用于细胞物质的转化、营养 物质的运输、产物的分泌等生命活动所 消耗的基质量

m为维持系数，它表示单位浓度的细胞在 单位时间里用于细胞物质的转化、营养 物质的运输、产物的分泌等生命活动所 消耗的基质量