【正文】 ─→ X （菌體） ＋ P（產(chǎn)物） 發(fā)酵反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容 研究反應(yīng)速度及其影響因素并建立反應(yīng)速度與影響因素的關(guān)聯(lián) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型 反應(yīng)器特性 + 反應(yīng)器的操作模型 操作條件與反應(yīng)結(jié)果的關(guān)系，定量地在線控制反應(yīng)過(guò)程 調(diào)整期 對(duì)數(shù)期 穩(wěn)定期 衰亡期 時(shí)間 細(xì)菌數(shù)目的對(duì)數(shù) 某種細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線 二 微生物生長(zhǎng)曲線 第一節(jié) 微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的基本概念 一、微生物在一個(gè)密閉系統(tǒng)中的生長(zhǎng)情況： 時(shí)間 菌體濃度 延遲期 指數(shù)生長(zhǎng)期 減速期 靜止期 衰亡期 延遲期： dxdt ?0指數(shù)生長(zhǎng)期 : ???max倍增時(shí)間 ： td 靜止期： 。 ? 從反應(yīng)熱的角度考慮反應(yīng)過(guò)程中的能量代謝 ，進(jìn)行能量衡算 。 求氧的消耗量和酵母菌體的化學(xué)組成 。 消耗 100mol葡萄糖和48mol NH3生產(chǎn)了 48 mol菌體 、 312 mol CO2和 432molH2O。 微生物利用碳源 ， 通過(guò)呼吸 （ 有氧 ） 或發(fā)酵（ 無(wú)氧 ） 將能量轉(zhuǎn)化為 ATP， 供微生物生長(zhǎng) 、代謝 ， 其余能量作為熱量排出 ， 進(jìn)行微生物優(yōu)化培養(yǎng)時(shí) ， 必須進(jìn)行適宜的溫度控制 。 已知菌體的含碳量 （ 以碳源 /細(xì)胞計(jì) ） 為 ,求采用不同培養(yǎng)基時(shí)的 YkJ. 化工手冊(cè)可知 ΔH 葡萄糖 ＝－ 2816kJ/mol, ΔH 乙醇 ＝－1368kJ/mol, ΔH 乳酸 ＝－ 1363kJ/mol, ΔH a ＝ －培養(yǎng)基 Yx/s(g/mol) (以細(xì)胞 /葡萄糖計(jì) ) Yp/s(mol/mol) (以乙醇 /葡萄糖計(jì) ) Yp/s(mol/mol) (以乳酸 /葡萄糖計(jì) ) 菌體中由葡萄糖所來(lái)碳元素的量 基本 0. 2 合成 復(fù)合 一 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容： 研究 細(xì)胞生長(zhǎng)速度 與 產(chǎn)物生成速 度 的關(guān)系及環(huán)境條件對(duì)速度的影響 。 如氨基酸、核苷酸等等，這些物質(zhì)稱為初級(jí) 代謝產(chǎn)物。 已知 μm= h－ 1， Ks= kg/m3,基質(zhì)初始濃度 S=50 kg/m3， 菌體初始濃度 X0= kg/m3,菌體得率 YX/S=(細(xì)胞 /基質(zhì) )。 一 單罐連續(xù)發(fā)酵的前提和假設(shè)： 1) 穩(wěn)定狀態(tài)下物料平衡 ， 參數(shù)變化為零 ：dX/dt=0, dS/dt=0, dP/dt=0； 2) 培養(yǎng)基混合均勻 ， 菌體 、 基質(zhì) 、 含氧等均勻一； 3) 微生物無(wú)死亡 （ α比死亡速率 ＝ 0） F(L/h) X(g/I) S(g/I) F(L/h) So(g/I) V=液體體積 (L) X s 單罐連續(xù)培養(yǎng) 流入速度 =流出速度 =F 反應(yīng)器內(nèi) (V)全混流溶質(zhì)濃度處處相等 連續(xù)反應(yīng)器： 二 單罐連續(xù)發(fā)酵的動(dòng)力學(xué) 通過(guò)連續(xù)培養(yǎng)的物料衡算來(lái)推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程： 1) 微生物細(xì)胞的物料平衡： 積累細(xì)胞＝ （ 進(jìn)入－流出 ） 細(xì)胞＋ （ 生長(zhǎng)－死亡 ） 細(xì)胞 dX/dt = F（ X0－ X） /V＋ (μ－ α)X 由于流入細(xì)胞濃度 X0＝ 0， α ＝ 0， 故簡(jiǎn)化為 : dX/dt = － FX / V＋ μX＝ （ μ－ F/ V） X 穩(wěn)定態(tài)下 : dX/dt =0 則： μ＝ F/ V ? 連續(xù)培養(yǎng)中 ， 稀釋率 （ dilution rate） D = F/V, 故： D＝ μ D (1/h)： 單位時(shí)間內(nèi)新進(jìn)入的培養(yǎng)液體積 （ F） 占罐內(nèi)培養(yǎng)液總體積 (V)的分?jǐn)?shù) 。 基質(zhì)濃度 S與稀釋率 D的關(guān)系 ： S變化與 X相反：一般當(dāng) D 時(shí) ,S很?。浑S D再增大 ， S急劇 上升 ， 當(dāng) D漸接近 Dc＝ μm 時(shí) ， S＝ S0。 由于濃縮因子 C1, 則 1+α －αC 1， 即 μ D， 但不存在微生物將隨培養(yǎng)物被洗出（ wash out） 減小的危險(xiǎn) 2) 限制性底物的物料平衡： ? 底物積累＝ （ 進(jìn)入－流出 ） 底物－消耗底物＋再循環(huán)進(jìn)入底物 dS/dt＝ FS0/V－ (1+α)FS/V －X1/Yx/s+αFS/V 該式簡(jiǎn)化為： dS/dt = D（ S0－ S） － μX 1/Yx/s 穩(wěn)定態(tài)下 dS/dt =0， D（ S0－ S） =μX 1/Yx/s 則： X1＝ DYx/s/（ S0－ S） μ 因 μ ＝ D（ 1+α － αC ） ， X1＝ Yx/s/（ S0－ S） （ 1+α － αC ） (1) 據(jù) Monod方程 : μ ＝ μm * S/ (Ks + S) 又： μ ＝ D（ 1+α － αC ） 則： S＝ DKs（ 1+α － αC ） /[μm D（ 1+α － αC ） ] (2) (1)(2)合并 ,得： X 1＝ [Yx/s /（ 1+α － αC ） ] [S0－ DKs（ 1+α － αC ） / (μm D（ 1+α － αC ） )] （ 3）