发酵过程优化原理.ppt

*Monod方程应满足∶(1)菌体生长为均衡型非结构生长；(2)培养基中只有一种底物是生长限制性底物；(3)菌体产率系数恒定第31页,共45页，2024年2月25日，星期天*2.细胞生长稳定期和延迟期的Monod型动力学(1)延迟期动力学模型的建立(2)生长稳定期动力学模型的建立式中?和?是经验常数，取?=?max和?=xmax第32页,共45页，2024年2月25日，星期天*3.微生物死亡期和内源代谢(1)微生物死亡期的动力学模型Kd为比死亡速率(h-1)对应于由底物生成菌体的一级反应速率为∶(2)内源代谢的动力学模型或：ms为细胞的维持系数(s-1)，Y*X/S为最大细胞产率第33页,共45页，2024年2月25日，星期天*4.底物和产物抑制的动力学模型(1)底物抑制动力学(Andrew底物抑制模型)式中KIS是底物抑制常数(2)产物抑制动力学（Hinshelwood模型）式中，P为产物浓度，k为动力学常数或：式中KIP为产物抑制常数第34页,共45页，2024年2月25日，星期天*（二）微生物产物形成动力学模型Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的关系，将产物形成区分为三种类型类型Ⅰ∶也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳酸）类型Ⅱ∶也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）类型Ⅲ∶也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生素、多糖）第35页,共45页，2024年2月25日，星期天*第36页,共45页，2024年2月25日，星期天*上述三种类型外还有一种模型是qP与?负偶联的模型，例如黑曲霉生产黑色素，其qP与?的关系可表示为：当考虑到产物可能存在分解时：式中，kd为产物分解常数第37页,共45页，2024年2月25日，星期天*Monod方程中参数的求解：微分法比生长速率计算：实验数据,X-t,S-t,μ-t线性化,对Monod方程取倒数，可变换为：此两方程可用于计算Monod方程中的参数。（方程1）（方程2）第38页,共45页，2024年2月25日，星期天*tX,SSμ1/SSS/μ1/μ1/μmax-1/KSKS/μmax1/μmaxKS/μmax-KS（方程1）（方程2）第39页,共45页，2024年2月25日，星期天计算题1：在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测得实验数据如下：考虑一下如何求出Ks和的值。用以上两个公式都可以，如果用以下公式：则：可先求出s/u，再作出s/u--s曲线，求出截距和斜率。S(mg/L)613334064102122153170221?(h-1)0.060.120.240.310.430.530.60.660.690.7第40页,共45页，2024年2月25日，星期天计算可得：

s/u=0.9414s+94.351即：第41页,共45页，2024年2月25日，星期天*四.微生物反应优化的一般原理1.发酵过程优化的一般步骤(1)反应过程的简化是指把工艺过程的复杂结构压缩为少数系统，这些系统可以用关键变量来表示(2)定量化系统、准确地检测发酵过程的各种参数(3)分离是指在生物过程和物理过程的各种速度相互不影响的情况下，精心设计实验以获得关于生物和物理现象的数据第42页,共45页，2024年2月25日，星期天*(4)数学建模数学模型是能以简化的形式表征过程行为，并实现特定目的的数学公式数学模型可将特定结果通用化，并为推论系统的其它性质提供基础建立数学模型的主要目标是：(a)为了预见任何系统的转化率或生产率；(b)用以检查在各种操作条件下工厂操作的性质和行为，检查模型适用的范围(包括外推性)；(c)用于进行工艺优化和计算机模拟；(d)用于检测出可能重要但被忽视了的参数；(e)检查是否已有效地区分生物现象和物理现象；(f)有助于阐明反应机理第43页,共45页，2024年2月25日，星期天*2.分批微生物反应过程的优化最优化的目标函数：产量、生产率、纯利润等，有时也对这些指标的其中二个以上进行多目标函数优化最优化的操作变量：反应时间、培养基组成、温度、pH、溶氧等培养基组成的优化预先设定XT为最大菌体浓度，则由可得到底物S