微生物反应动力学生物反应工程课件共讲.ppt

主要内容
1、基本概念
2、微生物反应的物量衡算
3、微生物反应的能量衡算
4、微生物反应动力学
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微生物（Microorganism， microbe）的主要功能是：构成细胞的组成成分；作为酶的组成成分；维持酶的作用；调节细胞渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位等。需要量较大的无机元素是磷、硫、镁、铁、钾、钙等，还需要几种微量的金属元素，如锰，钴，铜，锌等。
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生长因素（growth factor）：微生物维持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。根据化学结构和代谢功能可将其分为三类：即维生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。工业生产中，常利用玉米浆等作生长因素的供应量。
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二、温度
是影响微生物生长和繁殖的最重要的因素之一。在一定范围内，微生物的代谢活动与生长繁殖随着温度的上升而增加，温度上升到一定程度，开始对机体产生不利影响，如温度继续提高，细胞功能急骤下降，以至死亡。
各种生物有其最适生长温度、最高生长温度与最低生长温度，并且，最适、最高和最低温度回因环境条件变化而变化。
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图3-1 微生物细胞生长繁殖的温度范围
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三、溶解氧与氧化还原电位Eh
氧是在溶解状态下被微生物利用的，可以培养基的氧化还原电位Eh作为定量表示厌氧程度的方法。除与氧分压有关外，Eh还受pH的影响。pH值低时，氧化还原电位高；pH值高时，氧化原电位低。当pH一定时，溶氧水溶液的Eh与溶解氧浓度（D0）的对数成正比。所以，由所测得的Eh可求得所需的DO值。
好氧性微生物在Eh值为+，以Eh等于+～+。厌氧微生物只能在Eh值小于+。兼性厌氧微生物在+。
厌氧型：如产甲烷菌；好氧型：如霉菌；兼性厌氧型：如酵母。
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四、pH
不同微生物有其最适生长的pH值范围。大多数自然环境的pH值为5～9，许多微生物的最适生长pH也在此范围内，只有少数种类可生长在pH值低于2或高于10的环境中。大多数酵母与霉菌在微酸性（pH5～6）环境中生长最好，而细菌、放线菌则在中性或微碱性条件下生长最好。
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五、湿度
细菌要求水活度（湿料饱和蒸汽压/相同温度下纯水饱和蒸汽压）～；～；
～。因此，固态发酵常用真菌的原因就是其对水活度要求低，可以排除其它杂菌的污染。
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微生物反应的特点
优点：微生物常能分泌或诱导分泌有用的生物化学物质；容易筛选出分泌型突变株；微生物的生长速率快；微生物的代谢产物的产率较高等。
特点：微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行；原料多为农产品，来源丰富；易于生产复杂的高分子化合物和光学活性物质；除产生产物外，菌体自身也可是一种产物。如果其富含维生素或蛋白质或酶等的有用产物时，可用于提取这些物质；通过菌种改良，有可能使同一生产设备的生产能力大大提高；微生物反应是自催化（autocatalytic）反应。
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不足：1、副产物的产生不可避免。2、影响微生物反应的因素多实际控制有难度；3、原料是农副产品，受价格变动影响大；4、产前准备工作量大，相对化学反应器而言，反应器效率低。对于好氧反应，需氧，故增加了生产成本，且氧的利用率不高；5、废水有较高BOD值。
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微生物反应过程的质量衡算
微生物反应过程用有正确系数的反应方程式来表达基质到产物的反应过程非常困难。
为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡算。
微生物反应过程的质量和能量衡算
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如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和灰分等，此时用碳的定量关系式表示微生物反应的计量关系是可行的。
式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z分别代表与一碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数。
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对各元素做元素平衡，得到如下方程：
(3-2)
方程（3-1）中有a、b、c、d、e和f六个未知数，需六个方程才能解。
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