第六章 发酵动力学-1

第六章 发酵动力学

主要内容第一节 概述 第二节 分批培养动力学 第三节 连续培养动力学 第四节 补料分批动力学

什么是发酵动力学？ 什么是发酵动力学？研究发酵过程中菌体生长、 研究发酵过程中菌体生长 、 基质消 耗 、 产物生成的动态平衡及其内在 规律。 规律。

主要研究内容发酵动力学参数特征 微生物生长速 参数特征： 1、发酵动力学参数特征：微生物生长速 发酵产物合成速率 底物消耗速率 速率、 速率及 率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及 转化率、效率等 其转化率、效率等； 2、影响发酵动力学参数的各种理化因子； 影响发酵动力学参数的各种理化因子； 各种理化因子 发酵动力学的数学模型 数学模型。 3、发酵动力学的数学模型。

研究发酵动力学的目的认识发酵过程的规律 优化发酵工艺条件， 优化发酵工艺条件 ， 确定最优发 酵过程参数， 基质浓度、 酵过程参数 ， 如 ： 基质浓度 、 温 pH、溶氧， 度、pH、溶氧，等等 提高发酵产量、 提高发酵产量、效率和转化率等

发酵反应动力学的研究内容研究反应速度及其影响因素并建 立反应速度与影响因素的关联 反 反应动力学模型 应 器 的 操 作 模 型操作条件与反应结 果的关系， 果的关系，定量地 控制反应过程

+反应器特性

已建立动力学模型的类型机制模型： 机制模型： 根据反应机制建立 几乎没有目前大多数模型 现象模型(经验模型): 现象模型(经验模型):

能定量地描述发酵过程 能反映主要因素的影响

本章的重要性一条主线： 一条主线： 发酵工艺过程 两个重点：发酵过程的优化与放大 两个重点：发酵过程的优化与放大 三个层次：分子、细胞、 三个层次：分子、细胞、反应器 四个目标：高产、高效、高转化率、低成本 四个目标：高产、高效、高转化率、

主要方法： 主要方法：基于发酵动力学研究来实现

发酵过程放大的两个基本问题： 发酵过程放大的两个基本问题：发酵放大条件的优化核心：发酵动力学研究，获得细胞生长及其产 核心：发酵动力学研究， 物合成放大过程特征及其对环境的响应特征； 物合成放大过程特征及其对环境的响应特征； 重点研究微生物与物理、化学环境的相互作 重点研究微生物与物理、 揭示放大规律。 用，揭示放大规律。 反应器性能优化 重点研究混合与传质问题，满足发酵最适条 重点研究混合与传质问题， 件需要 侧重反应器的设计与放大

动力学主要探讨反应速率问题： 动力学主要探讨反应速率问题：生化反应： 生化反应： aA + bB cC + dD

如何能最快最多的获得目的产物 反

应动态平衡催化剂 温度 如何确定高产高效 的最佳条件？ 的最佳条件？

改变条件

破坏平衡

酸碱度 浓度采用反应动力学方法 进行定量研究

发酵动力学研究的几个层次(尺度) 发酵动力学研究的几个层次(尺度)分子层次(酶催化与生物转化) 分子层次(酶催化与生物转化) 基于关键生化反应(限速步) 基于关键生化反应(限速步)及其关键酶的 动力学特征及其影响因素 采用一系列分子水平的方法 细胞层次(代谢网络与细胞工厂) 细胞层次(代谢网络与细胞工厂) 基于细胞信号传导、代谢网络、 - 基于细胞信号传导、代谢网络、细胞物质 运输的系列关键生化反应的综合表现 采用一系列细胞水平的方法， -采用一系列细胞水平的方法，包括细胞群体 行为分析 反应器层次(过程工程) 反应器层次(过程工程) 基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应 采用一系列优化反应器发酵条件的方法

课程重点主要针对微生物发酵的表观动力学 主要针对微生物发酵的表观动力学，通过研究微生 表观动力学， 物群体的生长、代谢， 物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应 体系的宏观变化速率 主要包括：细胞生长动力学、 宏观变化速率， 体系的宏观变化速率，主要包括：细胞生长动力学、 底物消耗动力学、 底物消耗动力学、产物合成动力学 重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物 重点定量研究底物消耗与细胞生长、 合成的动态关系，分析参数变化速率， 合成的动态关系，分析参数变化速率，优化主要 影响因素。 影响因素。 但研究过程中将涉及三个层次的研究 方法，达到认识微生物本质特征、 方法，达到认识微生物本质特征、解决发酵工业 问题的目的。 问题的目的。

发酵动力学研究的方法 (1)几个研究模型相关概念

动力学是对细胞群体 动力学是对细胞群体的动力学行为的描述 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 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值，

此基础上建立的模型称为确定论模型 此基础上建立的模型称为确定论模型，如果考虑每个细 确定论模型， 胞之间的差别，则建立的模型为概率论模型 概率论模型。 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 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、 RNA、 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 菌体视为单组分的模型为

非结构模型 非结构模型，

衡建立超经验或半经验的关联模型。 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 如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为 细胞 均衡生长。 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。 例不同，称为非均衡生长。 模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构模型。 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。 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 如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化 模型。

非结构模型最理想情况

结构模型均衡 生长 细胞之间无差异， 是均一的，细胞内 有多个组分存在。

确定论模型 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 不考虑细胞内部结构

B 均衡 生长 实际情况： 细胞内多组分； 细胞之间不均一 D

概率论模型 各种细胞不均一C 对细胞群体的描述模型

(2) 宏观处理法 与微观方法相对，不研究细胞内部基因结构、 表型、调控机制和代谢途径；而把细胞看成一 种均匀分布的物质，研究宏观变量整体之间的 关系的方法，建立非结构动力学模型。 (3)质量平衡法(质量守恒定律) 质量平衡法(质量守恒定律)发酵系统中物 质积累的速度 物质进入系统的速度+物质在系统生成的速度 -物质排出系统的速度-物质在系统消耗的速度

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