六单元发酵动力学教程.ppt

* * * * * * * * * 微生物在具有一定温度和湿度的固体培养基的表面进行生长、繁殖、代谢的发酵过程称作为固态发酵（solid state fermentation）。 固态发酵主要适合于霉菌。这是由于霉菌细胞内的渗透压比较高，不会因固体基质的高渗透压而致死。 固态发酵 (一) 固态发酵的特点 1、原料来源广，价格低廉。 2、在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌。 3、能耗低。 4、固态发酵的产物回收一般步骤少，费 用也省。 优点 缺点 1.培养基含水量少，废水、废渣少，环 境 污染少，容易处理； 1. 菌种限于耐低水活性（aw）的微生 物，菌种选择性少 2.消耗低，供能设备简易； 2.发酵速度慢，周期较长 3.培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉 3.天然原料成分复杂，有时变化，影响 发酵产物的质和量 4.设备和技术较简易，后处理方便。 4.工艺参数难检测和控制 5.产物浓度较高，后处理方便 5.产品少，工艺操作消耗劳力多，强度 大 固态发酵存在一个显著特点，即菌体、基质、产物均处于一个非均一的发酵系统中，尤其是在一个大规模的固态发酵系统中，随着发酵的进行，菌体呼吸产热，料芯散热慢，菌体生长、基质利用和产物合成都处在一个非均匀的系统之中，致使发酵不能稳定进行。 固态发酵存在的主要工程问题是传质和传热受限制，表现在大规模生产时的散热比较困难；模拟和控制较困难，使参数的检测如pH值、温度、菌体增殖量、产物生成量等很难实现。 因此，实现固态发酵的最优化困难重重。 固态发酵的应用 1．固态发酵在资源环境上的应用 （1）生物燃料(biofuel) （2）生物农药(biopesticide) （3）生物转化(biotransformation) （4）生物解毒(biological detoxification) （5）生物修复(bioremediation) 2．生产有价值的物质 固态发酵可用来生产许多有价值的物质，例如谷物或者谷物残余物营养的富集，发酵食品、酶、色素、抗生素、生物杀虫剂、有机酸和风味化合物的生产。 固态发酵设备 按照固态培养方式分为六种形式： 浅盘式反应器 填充床反应器 流化床反应器 转鼓式反应器 搅拌反应器 压力脉动反应器 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据： S(mg/l) 6 33 64 153 221 μ(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70 求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td? 解：将数据整理： S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221 Monod方程的意义 当S? Ks, μ-S是线性关系，μ与S成正比。 当S? Ks ，μ≈ μmax，此时微生物的生长不受限制基质的影响。 对某一钟微生物在某种基质条件下，μmax 和Ks 是一定值。 不同的微生物有不同的μmax 和Ks 。即使同一种微生物在不同的基质种也有不同的μmax 和Ks 。 Ks越大，表示菌体对基质的亲和力越小。 三、代谢产物形成的动力学模型 Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种类型： 类型Ⅰ称为生长偶联型，或称伴随生长的产物形成模型； 类型Ⅱ称为部分生长偶联型，或称不完全伴随生长的产物形成模型； 类型Ⅲ称为非非生长偶联型或称不伴随生长的产物形成模型。 Gaden对发酵的三分类与Pirt方程： 〖生长偶联型〗 产物的形成和菌体的生长相偶联 3、产物形成动力学模式 如：葡萄糖厌氧发酵生成乙醇 x p 〖部分生长偶联型〗产物的形成和菌体的生长部分偶联 x p 如：氨基酸发酵，柠檬酸等有机酸的发酵 〖非生长偶联型〗产物的形成和菌体的生长非偶联 x p 如抗生素，微生物毒素等次级代谢产物的生产 习惯上把与生长无关联的产物称为次级代谢产物，他们的合成发生在生长停止之后。次级代谢作用的一个重要特征是，产物的生成只有在生产菌处于低的生长速率条件下才能发生。所以生长速率有可能是分解代谢产物的阻抑作用因子，而与