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第五章 发酵动力学 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 1、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。 2、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。 3、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。 1、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 2、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。 三、研究发酵动力学的步骤、方法和内容 1、研究发酵动力学的步骤 （1）为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。 （2）将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。 （3）建立各种数学模型以描述各参数随时间变化的关系。 （4）通过计算机的在线控制，反复验证各种模型的可行性与适用范围。 2、过程控制和监测 3、研究发酵动力学的目的 （1）确定最佳发酵工艺条件 （2）建立发酵过程中菌体浓度、基质浓度、温度、pH、溶氧等工艺参数的控制方案 （3）可在此研究基础上进行优选。 4、发酵动力学的研究内容 主要包括：细胞生长和死亡动力学，基质消耗动力学，氧消耗动力学，CO2生成动力学，产物合成和降解动力学，代谢热生成动力学等。 以上各方面不是孤立的，而是既相互依赖又相互制约，构成错综复杂、丰富多彩的发酵动力学体系。 四、微生物生长动力学（以分批发酵为例讨论） 1、得率(或产率，转化率，Y) ：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（或称细胞得率）：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重(g) 。 部分菌体得率与产物得率 2、微生物细胞的生长速率和比生长速率 比生长速率：是菌体的生长速率除以菌体浓度，在平衡条件下，比生长速率的定义为： 上式积分： 某些微生物的世代时间 例题：以乙醇为唯一碳源进行产气杆菌培养，菌体初始浓度X0=0.1kg/m3，培养至3.2h，菌体浓度为8.44kg/m3，如果不考虑延迟期，比生长速率μ一定，求倍增时间td 3、生长的非结构模型 根据T suchiya理论可分类 确定论的非结构模型 确定论的结构模型 概率论的非结构模型 概率论的结构模型 从工程角度看，理想的微生物生长模型应具备下列条件 要明确建立模型的目的 明确地给出建立模型的假定条件 希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定 模型应尽可能地简单 4、微生物生长模型方程 一个现代化学者应注意微生物群体生长的合理数学模型。 群体的生长改变了群体所处的环境，反之，群体所处的环境又促进群体的生长速率发生变化。 假设一定数量的营养成分(培养基)用来合成新群体的组成，并进一步假定群体数量的繁殖速率与菌体密度和培养基中营养成分的浓度乘积呈正比。 根据这些假说，μ仅取决于限制性基质的浓度S，此时，微生物生长速率随着限制性基质的浓度的变化而呈抛物线型变化。 目前常使用确定论的非结构模型是Monod方程 （1）Monod方程建立的基本假设 不是所有微生物的生长都符合方程： 例题：乙醇为唯一碳源进行面包酵母培养，获得如下数据：S[g/l] 0.40 0.33 0.18 0.10 0.071 0.049 0.038 0.020 0.014μ[h-1]0.161 0.169 0.169 0.149 0.133 0.135