中国农业大学：《发酵工程》课程教学资源（PPT课件）第五章 发酵工程动力学（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 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

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 一 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， 生长 是均一的，细胞内 确定论模型 不考虑细胞内部结构 有多个组分存在。 各种细胞均 细胞群体做为一种溶质 不考虑细胞内部结构 均衡 实际情况 概率论模型 生长 各种细胞不均一 细胞内多组分： 细胞之间不均一 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(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=△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

• 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