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1、微生物反应动力学 湖北工业大学生物工程学院 1. 微生物反应过程概论 1.1. 微生物反应过程的主要特 征 (1)微生物是该反应过程的主体 (2) 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系。 典型的微生物反应模式 湖北工业大学生物工程学院 湖北工业大学生物工程学院 (3) 微生物反应是非常复杂的反应过程，这种复杂性主要 表现在以下几方面。 反应体系中有细胞的生长，基质的消耗和产物的生 成，三者的动力学规律既有联系，又有明显的差别。 微生物反应有多种代谢途径 微生物反应过程中，细胞的形态、组成、活性都处在 一动态变化过程。例如，在反应过程中，细胞要经历生长、繁殖、维持、死亡等若干 阶段，不同的菌龄
2、，有不同的活性。从细胞组成分析，它包含有蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸 等，这些成分含量大小也随着环境条件的变化而发生变化。 上述这些因素，造成了描述、控制和开发微生物反应过程的复杂性。 湖北工业大学生物工程学院 微生物反应可定性地表示为 营养物 细胞+代谢产物 （C源、N源、O2、无机盐等） （目的产物、中间产物、CO2等） 化学元素的平衡方程式 式中：CaHbOcNd是碳源的元素组成，CaH OrNd为无灰干 菌体的元素组成，CaHOrN为代谢产物的元素组成。vs、 vo、vN、vx、vp、vc、vw、vHv分别代表了碳源、氧、氨、菌体、 代谢产物、二氧化碳、水和反应热的的计量系数。Hv为
3、反 应热。 通过上述讨论可以看出，用元素平衡的方法来寻求其计量关系，将是十分复杂的。 湖北工业大学生物工程学院 1.2 模型的简化。 主要简化的内容有下述几点。 第一生物反应动力学是对细胞群体的动力学行为的描述，而不是 对单一细胞进行描述。 第二不考虑细胞之间的差别，而是取其性质上的平均值，在此基 础上建立的模型称确定论模型；如果考虑每个细胞之间的差别，则 建立的模型为概率论模型。 第三考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，则称为结构模型。 如果把菌体视为单组分，则环境的变化对菌体组成的影响可被忽略 ，在此基础上建立的模型称为非结构模型。 第四，如果将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模型
4、 称为分离化模型，如果把细胞和培养液视为一相液相，则在此 基础上所建立的模型为均一化模型。 湖北工业大学生物工程学院 最理想情况： 不考虑细胞内部结构； 各种细胞均一； 细胞群体做为一种溶质 A 细胞之间无差异， 是均一的， 细胞内有多个组分存在。 B 不考虑细胞内部结构； 各种细胞不均一。 C 实际情况： 细胞内多组分； 细胞之间不均一。 D 均衡生长 均衡生长 概率论模型 确定论模型 结构模型 非结构模型 平均细胞的近似平均细胞的近似 图中D为细胞群体的实际情况，但由于在求解及分析中是最繁杂的，应用很困难。 图中A为确定论的非结构模型，是最为简化的情况，通常也称为均衡生长模型。由于此模型既
5、不考虑细胞内各组 分，又不考虑细胞之间的差异，因此可以把细胞看成一种“溶质“，从而简化了细胞内外的传递过程的分析，也简 化了过程的数学模型。这对于很多微生物反应过程的分析、特别是对过程的控制，均衡生长模型是可以满足要求的 。 图中B为确定论结构模型，C为概率论非结构模型，实际应用较少。 湖北工业大学生物工程学院 第五章 发酵过程动力学的基本概念 发酵过程的反应描述及速度概念 发酵过程动力学研究的基本内容 菌体生长、产物形成、基质消耗动力 学的基本概念 反应动力学的应用连续培养的操作特 性 发酵过程动力学的基本概念 v第 湖北工业大学生物工程学院 第一节 发酵过程的反应描述及速度概念 X S（底
6、物） X（菌体） P（产物） 发酵研究的内容： 发酵过程反应的描述 菌种的来源找到一个好的菌种 发酵过程的工艺控制最大限度发挥菌种的潜力 发酵过程动力学的基本概念 v发酵过程的反应描述及速度概念 湖北工业大学生物工程学院 基质的消耗速度： 发酵过程反应速度的描述 基质的消耗比速： (g.L-1.s-1) (h-1、s-1) 单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称 为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念 X S（底物） X（菌体） P（产物） 发酵过程动力学的基本概念 v发酵过程的反应描述及速度概念 湖北工业大学生物工程学院 基质的消耗比速：(h-1) 菌体的生长比速： 产物
7、的形成比速： (h-1) (h-1) 发酵过程反应速度的描述 X S（底物） X（菌体） P（产物） 发酵过程动力学的基本概念 v发酵过程的反应描述及速度概念 湖北工业大学生物工程学院 第二节 发酵反应动力学的研究内容 研究反应速度及其影响因素并建 立反应速度与影响因素的关联 反应动力学模型 反应器特性 + 反应器的操作模型 操作条件与反应结 果的关系，定量地 控制反应过程 发酵过程动力学的基本概念 v发酵反应动力学的研究内容 湖北工业大学生物工程学院 已建立动力学模型的类型 q 机制模型： 根据反应机制建立 几乎没有 q 现象模型（经验模型）： 目前大多数模型 能定量地描述发酵过程 能反映主
8、要因素的影响 发酵过程动力学的基本概念 v发酵反应动力学的研究内容 湖北工业大学生物工程学院 第三节 微生物生长动力学的基本概念 一、微生物在一个密闭系统中的生长情况： 时间 菌体浓度 延迟期 指数生长期 减速期 静止期 衰亡期 延迟期： 指数生长期: 倍增时间：td 减速期: 静止期： ; 衰亡期: 发酵过程动力学的基本概念 v微生物生长动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 二、微生物的生长动力学、Monod方程 q 微生物的生长速度： f(s,p,T,pH,) q 在一定条件下(基质限制)： f(S) 发酵过程动力学的基本概念 v微生物生长动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院
9、Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 Monod方程(1949) 米氏方程: 发酵过程动力学的基本概念 v微生物生长动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 ：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数 max: 最大比生长速度 单一限制性基质：就是指 在培养微生物的营养物中 ，对微生物的生长起到限 制作用的营养物。 发酵过程动力学的基本概念 v微生物生长动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 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
10、。 发酵过程动力学的基本概念 v微生物生长动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 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，Ks和td? 解：将数据整理： S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221 发酵过程动力学的基本概念 v微生物生长动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L tdln2/ max0.64 h 发酵过程动力学的基本
11、概念 v微生物生长动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 第四节 产物形成动力学的基本概念 一、初级代谢产物和次级代谢产物 次级代谢产物：还有一类产物，对细胞的代谢功能没有明显 的影响，一般是在稳定期形成，如抗生素等， 这一类化合物称为次级代谢产物。 初级代谢产物：微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。 如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级 代谢产物。 发酵过程动力学的基本概念 v产物形成动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 二、Gaden对发酵的三分类与Pirt方程： 一类发酵 产物的形成和菌体的生长相偶联 x p 发酵过程动力学的基本概念 v产物形成动力学的基本概念 湖北工业
12、大学生物工程学院 二类发酵 产物的形成和菌体的生长部分偶联 x p 发酵过程动力学的基本概念 v产物形成动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 三类发酵 产物的形成和菌体的生长非偶联 x p 发酵过程动力学的基本概念 v产物形成动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 Pirt方程 a + b q a=0、b0： 可表示一类发酵 q a0、b 0： 可表示二类发酵 q a 0、b=0：可表示三类发酵 发酵过程动力学的基本概念 v产物形成动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 第五节 基质消耗动力学的基本概念 S S1 菌体 S2 产物 S3 维持 X S（底物） X（菌体） P（产物
13、）+维持 维持消耗(m) ：指 维持细胞最低活性所 需消耗的能量，一般 来讲，单位重量的细 胞在单位时间内用于 维持消耗所需的基质 的量是一个常数。 发酵过程动力学的基本概念 v基质消耗动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 X S（底物） X（菌体） P（产物）+维持 m: 维持消耗系数 YP/s: 产物对基质的理论得率系数 YX/s: 细胞对基质的理论得率系数 物料衡算： 发酵过程动力学的基本概念 v基质消耗动力学的基本概念 湖北工业大学生物工程学院 o 第六节 反应动力学的应用连续培养的操作特性 连续反应器：流入速度=流出速度=F 反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等 发酵过程动力学
14、的基本概念 v反应动力学的应用连续培养的操作特性 湖北工业大学生物工程学院 V: 反应器内发酵液体积(L) X: 反应器内菌体浓度(g/L) So: 流加发酵液中基质的浓度(g/L) S: 反应器内基质的浓度(g/L) F: 补料速度(L/h) 发酵过程动力学的基本概念 v反应动力学的应用连续培养的操作特性 湖北工业大学生物工程学院 o 物料衡算（连续培养的反应器特性） 对菌体: 稳态 稀释率(D): 补料速度与 反应器体积 的比值(h-1) 发酵过程动力学的基本概念 v反应动力学的应用连续培养的操作特性 湖北工业大学生物工程学院 o 物料衡算（连续培养的反应器特性） 对基质: 稳态 稀释率(
15、D): 补料速度与 反应器体积 的比值(h-1) 发酵过程动力学的基本概念 v反应动力学的应用连续培养的操作特性 湖北工业大学生物工程学院 DS x 连续培养操作的模型分析 最大 Dmax时会造成菌体的洗出 发酵过程动力学的基本概念 v反应动力学的应用连续培养的操作特性 湖北工业大学生物工程学院 连续培养的操作特性 发酵过程动力学的基本概念 v反应动力学的应用连续培养的操作特性 湖北工业大学生物工程学院 连续培养富集微生物的原理 连续培养中，最终在此培 养体系中生存下来的微生 物都是此时刻对该种底物 表现出最大生长的微生物 （或一个微生物生态）。 s0 当只有B时建立稳态： B=D,对应S0 如果引入微生物A： = A (S0) A D x增加 s下降 A B下降 BD被洗出 发酵过程动力学的基本概念 v反应动力学的应用连续培养的操作特性 湖北工业大学生物工程学院 本章小节 了解发酵反应动力学研究的基本内容 及其中的基本概念 掌握MONOD方程，及其参数的求解 了解连续培养的特性 发酵过程动力学的基本概念 v小节 湖北工业大学生物工程学院 发酵过程动力学的基本概念 v小节 湖北工业大学生物工程学院 典型微生物的生长速度 发酵过程动力学的基本概念 v小节 湖北工业大学生物工程学院
