莫诺方程与米氏方程课件

《莫诺方程与米氏方程课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《莫诺方程与米氏方程课件（97页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章 发酵动力学 研究对象：菌体生长、基质消耗、产物生成三者间的动态平衡及内在规律。 研究目的：为最佳发酵条件控制提供依据。,第一节 微生物生长代谢过程中的质量平衡 一、微生物反应(生长代谢)过程中的碳平衡 微生物反应通式： 碳源氮源O2菌体产物CO2+H2O 微生物代谢的化学分子反应可表示为： CHmOn+aNH3+bO2YcCHxOyNz+YcpCHuOvNw +(1-Yc-Ycp)CO2+dH2O 10-1式 Yc：是与碳相关的菌体得率， Ycp：是与碳相关的代调产物的得率。,根据反应平衡原理有： aYcz+Ycpw b(1-Yc-Ycp+m/4-n/2)+(Ycp/4) (2v+3w

2、-u)+(Yc/4)(2y+3z-x) dm/2+(Ycp/2)(3w-u)+(Yc/2)(3z-x),10-2式,1、最低培养基与完全培养基 (1)二者的概念； (2)微生物对两种培养基的用途不同。如图10-1，10-2所示,2、M代谢过程中基质和产物之间的C素平衡 根据基质的变化情况可建立如下平衡关系： CS = CX + CP + CCO2,如果用1、2、3、4表示基质、菌体、CO2、产物中碳的含量(g碳/mol) 则，上述平衡也可表示为：,（微生物的基质消耗比速）,（微生物的生长比速）,（微生物的CO2生成比速）,（微生物的产物生成比速）,若定义：,则，上式可简化为：,由式可以判断代谢

3、途径：,此值接近1，说明估计途径基本正确；小于0.6，则途径有误差。,3、微生物生长过程中的主要基质碳平衡 在以糖为碳源的M生长过程中，消耗的碳(S)主要用来： (1)满足菌体生长(个体增加)的需要，(S)G ； (2)维持菌体生存(能量)的消耗，(S)m ； (3)转变为代谢产物所消耗，(S)P ； 则可表示为：,若用 YG 表示用于微生物生长的碳源对菌体的得率常数； m 表示微生物的碳源维持常数； YP 表示碳源对代谢产物的得率常数； 则有,所以：,- 式（10-7）,在以细胞为目的产物的发酵生产中，如果忽略代谢产物的量，则有：,用对作图，得直线，可求得维持常数m，用于微生物生长的碳源对菌

4、体的得率常数YG的倒数。如下图所示：,m,(h-1),YG1,图10-3 对作图结果,若定义YX/S为基质对菌体的得率，即：,则：,而：,即有：,用-1对 作图，也得直线，如图10-4。,YG1,斜率m,-1,图10-4 -1对YX/S -1作图结果,4、细胞物质生产过程中碳源的化学平衡 YX/S越接近YG，说明碳源转化为菌体的效率越高。 注意理解YX/S与YG的区别，（ YX/SYG ）,5、微生物生长过程中进行碳衡算的意义 (1) 为提高生产水平提供依据。 (2) 为建立发酵动力学模型奠定基础。 (3) 为探求X的自控方法打下基础。,二、M生长代谢过程中的ATP循环与氧平衡 1、ATP循环

5、,2、ATP的产生生物氧化 复习： 底物水平磷酸化(获得能量少) 电子传递水平磷酸化(获得能量多),生物氧化,有氧氧化,无氧氧化,无传递体系,电子传递体系,氧化酶,需氧脱氢酶,NAD传递,FAD传递,以有机物为受体,以无机物为受体,底物水平磷酸化,H2O,Pi,底物水平磷酸化,NADH呼吸链,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素 b- c- c1 -aa3,2H+,ADPATP,ADPATP,3、微生物生长代谢过程中的氧平衡 根据单一碳源培养基内，可建立下列平衡： A(-S)=B(X)+C(P)+(O2) 式中： A

6、、B、C 分别为对应物质完全氧化时的需氧量.,O2,单位时间内维持生命活动的耗氧：m0Xt,生长菌体的耗氧：X/YGO YGO用于菌体生长的氧对菌体的得率,则有：O2 m0XtX/YGO -（10-10）,由此可得到M培养时氧平衡式为：,即：,根据定义并结合10-10式，有：,-式（10-11）,-式（10-12）,当：由实验求得微生物的某一生长比速对其所对应的耗氧比速作图时，可得到一直线(如下图所示)，可确定相应的参数。,m0,(h-1),YGO1,图10-3 对QO2作图结果,-式（10-7）,-式（10-13）,由10-11、10-12式可得：,同时，前面可知,由（10-13）和（10-

7、7）式可得,有：,4、ATP对菌体的得率YATP及ATP平衡 两种情况 （1）能量偶联型生长型 YATP=10(g菌体/molATP) （2）能量非偶联型生长 YATP10(g菌体/molATP) （？）,第二节 微生物生长代谢过程数学模型的建立 一、连续培养时微生物生长数学模型 酶反应服从米氏方程：,葡萄糖的比消耗速率与限制性底物浓度的关系也类似于米氏方程，即：,式中：max葡萄糖最大的消耗比速； KS饱和常数；,式(1),研究发现： 微生物连培养过程限制性基质浓度的倒数1/S与微生物生长比速的倒数1/的关系，如图10-9； 限制性浓度与微生物生长比速的关系呈现饱和曲线，如图所示10-10；

8、,由基质消耗对细胞得率YX/S定义：,有：,根据的定义有：,该式就是Monod方程， 式中： max：最大比生长速率(h-1)。 KS：为饱和常数，表示菌体对基质的亲和力的大小。,Monod式的生物学意义： 1、max、KS： (1) 特定M，特定条件， max、KS是定值，体现M的特性; (2) 不同M，max、KS不同，但：max变化小，而KS变化大。 (3) 同种M，在不同S中，max、KS值不同。KS ,亲和力，M对基质越不敏感；反之亲和力大，敏感。,2、S浓度变化对的影响 (1)S很小(SKS)时，SKSKS，,(2)当S增大， 与S渐不成正比；当(SKS)时， KSSS ,=max

9、。,，与S成正比。,(3)双倒数后，实验并作图可求得KS、max。,微生物生长这一酶反应，同样存在抑制作用。 竞争性抑制：,非竞争性抑制：,图1011，图1013所示。,二、分批培养时微生物生长数学模型 分批培养特点：一次接种，培养一定时间，一次放罐。 设：种子罐开始细胞浓度为X0，在1小时内有部分细胞分裂(一分为二)，假定分裂率为。 则：每小时能分裂的细胞数为：X0 未分裂的细胞数为：(X0-X0) 所以，经过1小时后细胞浓度X1: X1=X0-X0+2X0= X0(1+),经过2小时后细胞浓度X2： X2(X1X1)2X1= X1(1+) X0(1+)(1+)=X0(1+)2 类推：经过t

10、小时后，细胞浓度Xt: Xt= X0(1+)t 应用极限方式，有：,亦即:,X1=X0(1+) Xt=X0(1+)t= X0(1+)t,由假设，0,因此，种子罐内对数生长期菌体浓度与培养时间的关系式：,若微分上式，有：,即：在微生物培养过程中，菌体在某时刻的增长速率和此时刻培养液中菌体浓度成正比。,(单位菌体在单位时间内的增加量) (即为菌体的比生长速率),实际生长比速kX，或,要得到培养时间与菌体浓度关系的表达式，则需要解微分方程：,复合函数求导：,则式(1)可写作：,化简得：,一阶线性非齐次方程,其解为：,确定初始条件：t=0 时，X=X0 ， 则得：,第三节 微生物发酵动力学 一般说来，

11、M生长培养和发酵方式有,分批发酵,连续发酵,补料发酵,一、分批培养（batch culture） 非恒态培养法，密闭系统，一次性，过程中营养成分不断降低。 (一)微生物生长曲线,分批培养微生物群体的生长,1.延缓期 2.对数期 3.稳定期 4.衰亡期,1,2,3,4,(二)四个时期 1.延滞期（lag phase） 其它名称：停滞期、调整期、适应期 现象： 活菌数没增加，曲线平行于横轴。 特点： 生长速率常数= 0； 细胞形态变大（长）； 细胞内RNA特别是rRNA含量增高； 合成代谢活跃，易产生诱导酶； 对外界不良条件敏感。,原因： 适应新的环境条件，合成新的酶，积累必要的中间产物。 影响延

12、迟期长短的因素： 菌种 接种物菌龄(对数生长期) 接种量(大，易形成优势) 培养基成分(合成与天然培养基),2.对数期（logarithmic phase） 其他名称：指数期 现象： 细胞数目以几何级数增加，其对数与时间呈直线关系。 特点： 生长速率常数最大; 平衡生长; 代谢最旺盛; 对理化因素较敏感; 影响因素： 菌种; 营养成分与浓度; 培养温度;,3.稳定期（stationary phase） 又称：恒定期或最高生长期 特点： 细胞增殖与死亡数几乎相等，细胞数达最高值； 开始积累内含物或产芽孢； 开始合成次生代谢产物； 影响因素： 限制性营养物的量； 营养物的比例； 有害代谢废物的积累

13、； 物化条件；,4.衰亡期（Death or decline phase） 特点： 出现“负生长”； 细胞出现多形态变化； 菌体死亡、自溶； 影响因素： 环境条件变化； 分解代谢超过合成代谢；,(三)微生物生长速度的动力学方程 比生长速率受限制性基质浓度的影响。二者之间的关系由Monod式描述：,当存在多种限制性营养基质时，方程可改为:,如果所有营养物过量，细胞生长可处于对数生长期，可达到=max。,(四)营养利用和产物生成动力学 1.反应速度方程式的推导,根据体系物料平衡原理有： (1)菌体增长：,(2)限制性基质,这里：,(基质的菌体得率),(基质的产物得率),式中： F,F：基质流量(L

14、/h)； X：细胞浓度(g菌体/L)； V：发酵液体积(L); S0：流入基质浓度(g基质/L) S：流出基质浓度(g基质/L) YX/S：基质的菌体得率(g菌体/g基质) YP/S：基质的产物得率(g产物/g基质) QP：比产物生成速率(g产物/g菌体.h) X：菌体浓度(g菌体/L) m：碳源维持常数(g基质/g菌体.h) P：发酵液中产物浓度(g产物/L); k：产物分解常数(h-1);,（3）产物生成,产物浓度变化生成量流出量分解量,用于分批发酵，F，F0，考虑产物不分解，则分批发酵动力学为：,菌体浓度变化：,产物浓度变化：,基质浓度变化：,二、补料分批培养,1、单一补料分批培养(P1

15、62) 是补料分批培养中的一种类型。 特点：补料一直到培养液达到额定值，中途不取出培养液。,间歇补料操作,连续补料操作,按操作方式,假定：S0、X0 分别为起始营养物和菌体的浓度，S为某时刻底物浓度 则：某一时刻培养液中细胞浓度X为,最大细胞浓度Xmax为：,此时，若以恒定F流加培养基，并保证Dmax， 则：加入的限制性营养物会很快被消耗。,这表明，补料所引起的培养体系的基质浓度变化dS/dt=0，即：,X增加，但X却不变，即：,若定义：,并将其微分，可得：,由B和C式可推出 D 由A、B、C式推出：补料分批培养数属半稳恒状态，与恒定状态D不同。即， 在半稳恒状态下有：,明确半稳定状态补料分批

16、培养： (1) 须满足D (2) D是变化量。,2、补料分批培养的应用 优点： 解除底物抑制、反馈调节作用； 较少菌体生成，提高底物转化率； 方便调节pH和菌体所处时期的控制； 应用： 多种产品,三、连续培养 连续培养： 等量、同时地加入和排出培养基。 原理： 对数期后期，以一定的速度流进新鲜培养基，同时以溢流方式流出培养液，使培养物达到动态平衡。 单罐连续发酵 多罐连续发酵,(一)连续培养设备类型,均匀混合反应器,恒化器,恒浊器,连续培养设备,活塞流反应器,恒浊器与恒化器的比较,连续发酵优点(相对于分批发酵而言) ： 高效，简化； 自控； 产品质量稳定; 节约，均衡； 连续发酵不足： 菌种易退化； 易污染； 营养物利用率低；,(二)单罐连续发酵动力学 假定：培养(发酵)是在理想状态下进行。