第四章反应动力学.ppt

第四章：生物反应动力学 第一节 生物反应过程动力学描述 第二节 生物反应模式与发酵方法 第三节 微生物发酵动力学 第四节 微生物生长代谢过程中的质量平衡 第一节 生物反应过程动力学描述 发酵动力学研究内容： 包括菌体生长速率、基质消耗速率、产物生成速率的相互关系，环境对三者的影响，以及影响其反应速率的条件。 目的： 通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（研究各种物理，化学因素的影响，为调控提供依据） 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势； 控制发酵过程，以至实现用计算机来进行控制。 一、发酵动力学涉及的常规参数 二、速 率 菌体生长速率为∶ 底物利用速率为∶ 产物生成速率为: 四、微生物反应过程的得率系数p143 发酵过程反应的描述 生长得率是定量描述细胞对营养物质的得率系数， 产物得率就是描述产物对营养物质的得率的系数， 得率系数代表转化的效率。 1. 生长得率 生长得率：菌体的生长量相对于基质消耗量的得率，也称为细胞对基质的得率Yx/S 。 其定义式为： 式中 Yx/S —相对于基质消耗的实际生长得率，g/g； Δx—干菌体的生长量，g； －ΔS—基质的消耗量，g。 2.产物得率 相对于基质消耗量的代谢产物得率。 Yp/S —相对于基质消耗的实际产物得率，mol/mol或g/g； ΔP—产物生成量，mol 或 g； p—（下标）表示产物合成 细胞或产物的理论得率(转化率): 消耗单位重量的基质所形成的细胞或产物的量? 实际得率 ①Yx/s------细胞的得率：细胞量的增加与基质消耗的比值(g/g) Yx/s= Δx/- Δs 又称细胞对基质的得率系数 ②Yp/s------产物的得率：产物的积累与基质消耗的比值(g/g) Yp/s= Δp/- Δs 又称产物对基质的得率系数 理论得率 YG------细胞的理论得率：基质完全转化为细胞时的细胞得率(g/g) YP------产物的理论得率：基质完全转化为产物时的产物得率(g/g) 如果把式右边分母（-△S）换成只与细胞生长有关的那部分基质消耗（不包括维持代谢和产物合成消耗），可得理论得率。 ③Yp/x------产物对细胞的得率：产物的积累与细胞增加的比值(g/g) Yp/x= Δp/ Δx 又称产物对细胞的得率系数???????? 实际得率与理论得率 3.生长得率的其他表示方法 (1)氧生长得率 消耗每单位数量的氧所得到的菌体量称为氧生长得率(g/g;g/mol) (2)ATP生长得率 消耗1molATP得到的菌体量称为ATP生长得率。 根据观察发现，许多微生物的YATP大致相同，一般认为YATP=10g细胞/ molATP。这个数值已经被用做估算细胞理论得率的一个常数。 （P166表6-5微生物工程原理） 第二节 反应模式与发酵方法一、生物反应动力学模式(p135) 为了获得生物反应过程变化的第一手资料， 首先，要尽可能寻找能反映过程变化的理化参数； 其次，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； 第三，建立各种数学模型以描述各参数随时间变化 的关系； 第四，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。 现将各种发酵动力学分类列于下表 发酵动力学分类 ⒈ 根据细胞生长与产物形成 是否偶联进行分类 1.生长偶联型： 2.非生长偶联型 非生长偶联型 非偶联型发酵的生产速率只与已有的菌体量有关，而比生产速率β为一常数，与比生长速率μ没有直接关系。因此，其产率和产物浓度高低取决于细胞生长期结束时的生物量。 3.生长部分偶联 ⒉ 根据产物生成与基质消耗的 关系分类 按照菌体生长、碳源的利用以及产物的生成速度的变化以及这三者之间的动力学关系来考虑，Gaden把微生物发酵过程分为三种类型 ⑴ 类型Ⅰ 产物的生成直接与基质(糖类) 的消耗有关，这是一种产物合 成与利用糖类有化学计量关系 的发酵。 如酒精发酵： C6H12O6→2C2H5OH+2CO2 糖提供了生长所需的能量。 糖耗速度与产物合成速度的 变化是平行的, 这种形式也 叫做有生长联系的培养。 ? ⑵ 类型Ⅱ 产物的生成间接与基质(糖类)的消耗有关. 例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。即微生物生长和产物合成是分开的， 糖既满足细胞生长所需 能量，又充作产物合成 的碳源。 ? ⑶ 类