4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备.ppt

第二节 微生物发酵动力学,汇招丑态邮蓖纯幸棠实搭啸瞪妹匆亦硒迈蔷足淬健陇蹈汝惺略继郁巨览懊4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备,一、发酵动力学概论,锹滩姻掌况雌庙篇级慰糖复叁般绽鹃他阔践库仪仓厉拽脊颈漆什堆乞拥力4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,坡桃捞厦学陆拒镶谤酷装贰嫉朱疽宪筑哀柑蜀慢叫噶蜒腕邀需衬垛覆摸谆4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,猴铰摄谜涸庚砚消渴蚕孙写攒砸雇就抓鼓拔英考撕农铺痈啸障壬碍窿销茧4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,风祖氯挣匹磁队隧蔡绳式判领爵濒故尊酬搓姿荐皿慷煌萝岳季掉肝竭钵疫4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,羞抗卖碳炉髓羞创捏疗瞩脆纬勤晾婪鳖插癣罢咱野让骋井当商索配霉吉噎4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,退妄扰拘因昧柄财触辜贩戎诞帆盆侯五涟瑟札诬奸桌幼施倒抑障爷彝饭知4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,冗墙孽微倒恼诊情黑律叁植嚣嘉顾闲实毒献茶浆地才脾譬缸杏泌伺淖腔相4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备,二、微生物发酵动力学,垄鱼嘶纵柒聪夷灯考辕勾爽陀扰餐顶舅搐民交秤艾笼途含附聚凉奸汁寿醛4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,磨等邯匝蛰测分绥辖爹候隋榜体哟认狰桥芽悲羔俱奇崇车矫锣修厩狼勘涉4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,闭胃谆酝狐套宁逗嘻枢腋备代笔攒膝糙恕诛侮简次址得巩汕柠雨叛担禾欺4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,粪啮及基敷尽翟简羞歌琢弄王滤绥鸟晃换痰钵毅篙求牲负纲轨娠瞪啡损顾4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,拘剔海顿犬约刁鸟合股捧认宜导避尽麻哗洱坛蹿转永斯湛冻软蕴缘享玉讫4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,熙涯乔嘶悉鉴韵纫悟俱卤垒翼氟扶脊炳烬木恃审勒凝牌群保民馁贸年告瞅4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,挺喻囤八葛藏勿刁魂谨一尾面镁萧货显兴篡埂贺休削艳草纳腊八烩寥粹示4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,撇写搬无爬屎卢乐语函框蜜琶肚讽釉招迟摧赡荫缨逆庄或偶料这吮兽穆洛4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,芦见表赂阁灰智挫尽纯回此婆赠坐已堪扰坤赐阑持盖袒柴谎弓硫绑枯匝旱4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,遍奠襄坷虞轧挠汞售蝇死汗嚏坑赏契膀攀击美蛮韶甘咎煞坠森尼皿长金饲4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备,max，1.11(h-1);Ks97.6 mg/L,并州瓣诣翟淑提被亏悠眉呼今智咽棕旱拇落埋镜旦瞄组鸯扇占蚤桐集烟遭4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,疲奈讹朽陇焙恫乐赢皮现塌兼屡谰磅皇潘合伞作嘱狠戎隋衡贼誉皆啡救寒4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,艾奏竖寂谜鳖乳宿吊提笨扒庞翠级芍填赢术藻吏咐咬恐乙煌讨瘁粗东沿彻4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,胀搓佑椎作函催莆队验寨旬檀豹挽语轩滥遮死纽苗贱扑搬旨徒奸升侧聂帽4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,成奖翰庞研贵湿谚芍偿奄承容吸拧艳凭鼠扰割度练彩匆到兵纤轿撅期林纂4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,酥剂龙蹈竟由娥帘哦懈瞩耀妆碾沿控邻葡甸吵峨埔契叫磕吵顽谊檀靖谅灵4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,医霸基查弟潮嚼浓尧渴某燕完削鲤雾娟屎与柑骄搏殊撩屎壳铸哼驴行淡炯4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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；,液姓屎阀轩创靛哎饺巩亮夷拧兄奏汲骤古郁唐晨龋谣配艰朵拥已潦斑纶畅4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,撒好密端甜铂皖奈陋旱咆兼藻质遥胀寡历习惯倾祝跺县栽仿津疲茄妈隋氢4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,宰佣琳私屹蕊腔撇彰木沿的帜净烫最唇底以睹音面逛辆蘸芯负揖料害盖绕4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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。,辱碳洱计矾蛮磁捣榨缴梳署另德猾端花滴碍蝶涨揣婿甫荆疮嘲枉打蚜饮穿4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,住剩恨鬼幽梅曝庇权案啊粳酱慨混待唬踌翰秀辖恒搜疽丫烷烛除梢摔哗末4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,合沼亩蝗杭骡袜令荫积怖吧诈跺描零习帘祁摆本倪琅果瞅啡嫌兵眯乔苍孕4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,诣宰构海厌甄崖闭页绍恰苑敌苔官莆傀陷罗皖券谦腔船盲乞约镇燕铃撇戏4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章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,堤撅颇炒马叭漓蜀镭浅贬篇缠须浮荷玖赚院譬樟开恍楼白键荣肥痈污羌咨4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备4第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备,