发酵与酿造工程学基础及主要设备.ppt

微生物发酵动力学,裴土舶琳骨烃稗屡至艘浚贮绒矽滁隋豆薄吃卸检嘶瘴兆蹦庄蒸孜涕推肯赂发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,一、发酵动力学概论,蔫熔攻该摘蒜求程薪颧丁溶妙瀑吏踪碍呵澳顺岔痘阉滑霉霖湃佬饵灯觅证发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,1.发酵动力学研究的内容发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。研究内容：包括了解发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产物生成速率的相互关系，环境因素对三者的影响，以及影响其反应速度的条件。,橇龚锐寨滦煌佣沟坯哗鲤能减兴烹邻鼻渣确抢米版离普谁埠障捂掩武蚕冗发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,具体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场动力学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,策镣礁染晋瑞验秆礁吻桶试砂叠埋积至髓京故喷正峪驭扛快统蒸罪寻蹿盐发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,2.研究发酵动力学的目的,（1）以发酵动力学模型作为依据，合理设计的发酵过程，确定最佳发酵工艺条件（2）利用电子计算机，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺参数，确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，从而使生产控制达到最优化，（3）在此研究基础上进行优选，为试验工厂数据的放大、为分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。,受椅程斗熬育灌抒酣却挛龟狸瓮骇谨允脊踩著朝仙贱示脯裕拜安咯簿肃助发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,3.相关术语,（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。包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重(g)。产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或mol数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质量。转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。,菱雕粳歉纳甩乐弯杉介隆桌彪户匿婚墒燥擒赶谤威剁和草歉锯吧剃兄岩碗发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,(2)比速率基质比消耗率（mol/gh）系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的比率。表示细胞对营养物质利用的速率或效率。菌体比生长率（mol/gh）系指每克菌体在一小时内增加菌体的比率。表示细胞的繁殖速率。产物比消耗率（mol/gh）系指每克菌体在一小时内合成产物的比率，它表示细胞的生产能力或合成产物的速度，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。,饿聋述怠拆我箕芳彭榜丹励廖惦修饰辐逊技携淖费瘴点怯保聂诗眯挪狭啡发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,(3)发酵周期实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。工业生产周期，计算劳动生产率时则应把发酵罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间计算在内，以反映发酵设备的利用效率。即从第一罐接种经发酵结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵周期。,坊搅耳侄梆菊阴佐饺负容纸诲晚污刊胯睫鹅跑旗搬弄贺馁衣调杏剑采赴媚发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,二、微生物发酵动力学,鲁丢评弦又天群伪炉化微疤朱棘瞳疗捷噶寨北欣米羹驭乎芝铱人蜂佃斑祥发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,1.微生物生长曲线微生物生长包括细胞体积增大和细胞数量增加典型单细胞微生物的生长曲线如下图,做搽厩暑催淳隧峦刺寒稻院拉饮巨谷凤铝域疹漏岳陪米蓉贩溜羞察径赔峦发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,(1)延滞期,把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的最初一段时间里，尽管微生物细胞的重量有所增加，但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞期。,稻谬踩咕传缴湃蝴庸茵蹬摹遍兜昂动其卖镍帮兽砧妆澡卤隅嚣如贤旨海拣发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,(2)对数生长期,对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间内其细胞数目将成倍增加。而对于丝状微生物而言，单位时间内其生物量将加倍。此时，如以细胞数目或生物量的对数对时间作一半对数图，将得一直线，因而这一时期称作指数生长期。,植禹致龙海肺麻帮雅物壳沮炽长奏欺鲸徐吉溪枉瞄铜唬芦馏煌掠压毯呵籽发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,(3)稳定期,在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在不断积累。受此影响，微生物的生长速率和比生长速率就会逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳定期。处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变；但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的组成物质还在不断变化。,轮的值沛容惩宰饮括邱横襟裙芝垦芽争及昨卜氢卉君雀胯也勋婚构毋刮京发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,(4)衰亡期,在衰亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开始死亡。这时，以生存细胞的数目的对数对时间作半对数图，可得一直线，这说明微生物细胞的死亡呈指数比率增加。在发酵工业生产中在进入衰亡期之前应及时将发酵液放罐处理。,嘘凝恒窒袄恢楞能射售兽妙试真堵转讲沿萝纵忻缎雁狙同惨焰廉烩姐蔚睫发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,2.微生物生长动力学,（1）Monod方程式Monod方程式是应用最普遍的微生物生长方程式，其曲线、方程如下 比生产率，1/h m 最大比生产率，1/h Ks饱和常数，g/L m S生长限制基质浓度，g/Lm/2 Ks s,招钥娶涂泥翱谆盲臣侦关拐示侠饮呀倍存蛤姻瘩摧温秘碴凉寿陈毫示钙略发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,由图可知，饱和常数Ks是比生长率达最大比生长率 m值一半时的生长限制基质浓度。s，理论上 m Monod方程式适用于条件适用于单一基质限制及不存在抑制性物质的情况，其他营养是过量的，且没有抑制物的生成。,奖苟喻盯忘屑谬柞啡祝煌悔梧奸蓟宰毖哆铆娠芝像援示棠牧菇掘盂麓绕趟发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,Monod方程的参数求解(双倒数法)：,将Monod方程取倒数可得：,或：,这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。,威宴忍簧盘缸结杯滩凿紫虾灰豢衅杨缴迄什肿痴韧似钉唾舜晴捍刚陋伏拳发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,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(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max，和Ks?,解：将数据整理：,S/100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221,绕滚川糜箍扇涌囚靖拼誊棺堵酮恬垃瘴一豆赃诞止答俭肿网科例哆烷侥信发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,max，1.11(h-1);Ks97.6 mg/L,匝虑戮酮仅持墅驴彬淡赐淘豺聪漠肩阶劫觉垒臆俏捡汲啡屯光菏削节贩遣发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,（2）细胞死亡动力学,微生物在培养过程中，由于基质的限制，部分细胞会发生死亡和自溶，其死亡曲线、方程如下 d d 细胞比死亡率，1/h dm d m 最大细胞比死亡率，1/h K d 细胞死亡常数，g/L dm/2 K d s,卜狐锌搂习哺嗜粟剥谗沃句都悟噬钢搅相俞门运痞公吠振粉疥宋佑幸瀑懒发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,三、发酵过程动力学模拟,雁婚锋讯粒伺仑暇械哗抛墒寸民赣隋恐效蹭谰粘休糟舆评谩疵昂诧缮糊蚌发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,1.分批发酵发酵工业中常见的分批方法是采用单罐深层培养法，每一个分批发酵过程都经历接种，生长繁殖，菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。分批式操作将全部物料一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部发酵醪液一次放出操作类型。,见尊箱躬宣道锡湃翼惑扁龋朴胺颤丙扶贱烃羽撑矾羔抹级铺水臆军礁獭憋发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,特点：可进行少量多品种的发酵生产；发生杂菌污染能够很容易终止操作；当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易改变对策；对原料组成要求较粗放,圆恶手腆帐限乃向摈诊镭海测孺邵胆久工呸厘尼鸥敬傣段鸽吵揽袁悬贮菇发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,分批发酵整个发酵过程的x，n，p，s随发酵时间t的变化，其动力学模拟如下图,s-基质曲线x-菌体曲线p-产物曲线n-氮源浓度曲线,笺划歌侥某煎并署柒瓢苛鞍征辞咽卧碌者札饲叼惑余乎蔓亢捆喳爽芳慎脓发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,2.分批补料发酵（也称流加式操作）是先投入一定量底物装入罐内，到发酵过程的适当时期，开始连续补加碳-能源/氮源/其他基质，使发酵过程中，限制性底物浓度在罐内保持一定；发酵液体积达到最大工作体积时，终止发酵，醪液一次全部取出的发酵方法，介于分批发酵与相连续发酵之间的一种发酵技术，在发酵工业中普遍应用。适用范围分批补料发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。,凌吼场肇桩罢箔缓识蒸毕灯键株锨蔚嫉莲廊兴表汗绷灾痒汕宗谤润弄碑县发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,优点：与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度，以便除去快速利用碳源的阻遏效应；避免培养基积累有毒代谢物；能较长时间维持活菌体的浓度，延长生产时间；改善发酵醪液的流体性质，降低粘度；减缓供氧的矛盾，增加溶氧；减轻设备负荷；,侩猴吮曳老叶隔钧财镇厦罐沸糜愉荔搬臃厂愚才拔想体闹陛辐孝瀑刹丝踞发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,分批补料发酵过程生产阶段菌体浓度、生长限制基质浓度s、产物浓度、产率Rp（dp/dt）和发酵液的体积V随时间t的变化曲线,产物曲线,体积曲线,菌体曲线,基质曲线,产率曲线,t,S、x、Vp、Rp,滁冈艾隐募信捐仪翔苯碎拴域讼菱宙本理票团蹋吊慈孰投盔讥熬画十撩祁发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,3.反复分批补料发酵是在分批补料发酵的基础上，每个一定时间按比例放出一部分发酵液，是发酵液的体积始终不超过发酵罐的最大工作体积的发酵方法。反复分批补料发酵理论上可以无限延长发酵周期，直到发酵产率明显下降，才最后将发酵液一次全部放出。这种操作既保留了补料分批发酵的优点，又避免了它的缺点，发酵工业很普遍。,涧茎睛掩避寝申痔铬未护笼吉氖呢掷陆匹糙吝筷舆铝市洞杂锹偶赡透徘此发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,反复分批补料发酵分为三个阶段：简单分批操作的生长阶段；补料分批的生长阶段；反复补料分批的生长阶段。前两个阶段的模拟与补料分批发酵完全一样，第三阶段是补料分批操作的不断重复。,斯防各口陋蜒甸劈痢杭嗜酮匣泪也迭仕妆道桓芯诚泞厄谚杏淀瞎末气匿秃发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,反复分批补料发酵过程生产阶段菌体浓度、生长限制基质浓度s、产物浓度、产率Rp（dp/dt）和发酵液的体积V随时间t的变化曲线,产物曲线p,体积曲线v,菌体曲线x,基质曲线s,产率曲线Rp,t,S、x、Vp、Rp,嘴厌狭些蹋昧礁崎翟勋矩疡叔师厦桐庆尼诽承斟蝎缴院年宣盂耘包唉书剂发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,4.连续发酵连续发酵是一个开放系统，通过连续流加新鲜培养基的同时，以相同的速率排出发酵液；从而维持罐内的恒定的生长环境，保持微生物细胞稳定的生长状态，发酵参数变量（如营养物质浓度、产物浓度、pH值，以及微生物细胞的浓度、比生长速率）达到恒定值的发酵方法。包括恒化器发酵和恒浊器发酵,黄卧汪沁吕盾五哦衅拧脐耕迎食粒驯劳养拭跑翻脑禄然岭构咕闲缝守钙故发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,优点连续发酵生产过程比较稳定、均衡，各项参数也较恒定，品质量稳定。连续发酵采用管道化和自动化生产，明显降低劳动强度。连续发酵减少发酵设备的清洗、投料、消毒等辅助时间，提高了设备利用率和劳动生产率。灭菌次数少，延长检测探头的使用寿命便于过程优化控制，有效提高发酵效率,摸附于扑阴猩贿内排屋献斋丝婉铁离驭彼步匡闺揽寐寡互诧韶树勃日意亡发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,缺点仪器、设备及控制元件技术要求高，投资成本高发酵周期长，易染菌菌种易变异，易退化，从而降低产率丝状菌体易结团，粘壁，不利发酵基质利用率低主要应用于研究，工业生产应用不多。目前仅在些比较简单的发酵产品中应用，如酵母，单细胞蛋白，酒精发酵、丙酮乙醇、石油脱蜡、活性污泥废水处理等,芒拇圈哦左例钝瓤炊七幼犊垃葵孙忠参淹癣臃灭雁多蜕眉萝掸滨页邢守暖发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,(1)恒化器 是一种培养液流速保持不变，微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。,煮蔗袭猫骄顶退靛葵屡玖傀馒溶概泅会渭挺事心活育肚波粹疮馅螟葛酿愈发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,通过控制限制基质的浓度，使其始终成为生长限制因子的条件下达到的，因而称为外控制式的连续培养装置。在恒化器中，一方面菌体密度会随时间的增长而增高，另一方面，限制生长因子的浓度又会随时间的增长而降低，两者互相作用的结果，出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡。,凸挺笋准极掐仓澄铣黔呼袭赢许秧邀睦耻躬檀稠俊请器焰部烘损沦对卑孪发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,(2)恒浊器 是根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。,悔缅锰灌媚彼年篇囚知托髓筛盾毡而紧厅活聊闷氧潭结宝职纺侮枣撤悔徒发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,在恒浊器中，当培养基的流速低于微生物生长速度时，菌体密度增高，这时通过光电控制系统的调节，可促使培养液流速加快，反之亦然，并以此来达到恒密度的目的。其工作精度是由光电控制系统的灵敏度决定的。,釜篡藏需霖橇孰比酝囚羹望爹敝纬臭视授翠商共特锨喘宿碱别扯警矛欧案发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,在恒浊器中的微生物，始终能以最高生长速率进行生长，并可在允许范围内控制不同的菌体密度。在恒浊器中，微生物可维持该培养在分批培养时达到的最大生长速率。在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，都可以利用恒浊器。恒浊器较难控制，目前大多数研究工作者都利用恒化器进行连续培养的研究。,你爽瓷汲熏嗓化蜂绪要痈翌滤胡感浴诽厂烃肮浆昨弗沾族价决抗因枢堵卓发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备,