生物反應(yīng)動力學

1、菌體生長菌體生長基質(zhì)消耗基質(zhì)消耗產(chǎn)物生成產(chǎn)物生成最佳工藝條件的控制最佳工藝條件的控制G 菌體生長速率菌體生長速率A 基質(zhì)消耗速率基質(zhì)消耗速率B 代謝產(chǎn)物的生成速率代謝產(chǎn)物的生成速率 菌體生長速率：單位體積、單位時間生長菌體生長速率：單位體積、單位時間生長的菌體量的菌體量（g/h.L) ) dc(X)dt= c(X)或或=1c(X) dc(X)dt除受細胞自身的遺傳信息支配外，還受除受細胞自身的遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素的影響。環(huán)境因素的影響。vx= 碳源碳源+ +氮源氮源 + + 氧氧 細胞細胞 + +產(chǎn)物產(chǎn)物+ +CO2+H2OX + P + CO2+H2O細胞得率系數(shù)：即每消耗細胞得率系

2、數(shù)：即每消耗1g基質(zhì)所生成的細基質(zhì)所生成的細胞克數(shù)胞克數(shù)YX/S=X-X0S0-S=XSl 基質(zhì)的消耗速率基質(zhì)的消耗速率vsvs=dc(s)dt-=-vxYX/S=c(X)YX/SS0-SX-X0SNO2+ vsc(X) 當基質(zhì)既是能源又是碳源時，就應(yīng)考慮維當基質(zhì)既是能源又是碳源時，就應(yīng)考慮維 持能量持能量，即：，即：碳源總消耗量碳源總消耗量 = 用于生長的用于生長的消耗速率消耗速率+用于維持代謝用于維持代謝的消耗速率的消耗速率1YG c(X)菌體生長得率系數(shù)菌體生長得率系數(shù)m菌體維持代謝菌體維持代謝的維持系數(shù)的維持系數(shù)+=v =vvx 代謝產(chǎn)物的生成速率代謝產(chǎn)物的生成速率vp：單位體積、單：

3、單位體積、單位時間內(nèi)，產(chǎn)物形成的量。位時間內(nèi)，產(chǎn)物形成的量。vp=dc(P)dt 產(chǎn)物的比生成速率產(chǎn)物的比生成速率Q：Q =vpc(X)一、生物反應(yīng)動力學分類一、生物反應(yīng)動力學分類二、發(fā)酵方法二、發(fā)酵方法發(fā)酵動力學分類發(fā)酵動力學分類分類依據(jù)及類型分類依據(jù)及類型判判 斷斷 因因 素素 根據(jù)產(chǎn)物根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消形成與基質(zhì)消耗關(guān)系耗關(guān)系 產(chǎn)物形成直接與基質(zhì)消耗有關(guān)產(chǎn)物形成直接與基質(zhì)消耗有關(guān) 產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗間接有關(guān)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗間接有關(guān) 產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗無關(guān)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗無關(guān) 根據(jù)生長根據(jù)生長有否偶聯(lián)有否偶聯(lián)偶聯(lián)型偶聯(lián)型 產(chǎn)物形成速度與生長速度密切相關(guān)產(chǎn)物形成速度與生長速度密切相關(guān)混

4、合型混合型 產(chǎn)物形成速度與生長部分相關(guān)產(chǎn)物形成速度與生長部分相關(guān)非偶聯(lián)型非偶聯(lián)型 產(chǎn)物產(chǎn)物形成速度與生長速度無關(guān)形成速度與生長速度無關(guān) 根據(jù)反應(yīng)根據(jù)反應(yīng)進程進程簡單型簡單型 營養(yǎng)成分以固定的化學量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，無中間物積累營養(yǎng)成分以固定的化學量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，無中間物積累并行型并行型 營養(yǎng)成分以不定的化學量轉(zhuǎn)化為一種以上的產(chǎn)物，且產(chǎn)營養(yǎng)成分以不定的化學量轉(zhuǎn)化為一種以上的產(chǎn)物，且產(chǎn)物生成速度隨營養(yǎng)成分濃度而異，也無中間物積累物生成速度隨營養(yǎng)成分濃度而異，也無中間物積累串聯(lián)型串聯(lián)型 形成產(chǎn)物前積累有一定程度的中間物的積累形成產(chǎn)物前積累有一定程度的中間物的積累分段型分段型 營養(yǎng)成分在轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物前全部轉(zhuǎn)化成

5、中間產(chǎn)物或以優(yōu)先營養(yǎng)成分在轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物前全部轉(zhuǎn)化成中間產(chǎn)物或以優(yōu)先順序選擇性地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，反應(yīng)過程有兩個反應(yīng)段組成順序選擇性地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，反應(yīng)過程有兩個反應(yīng)段組成復(fù)合型復(fù)合型 大多數(shù)的發(fā)酵過程是一個復(fù)雜的聯(lián)合反應(yīng)大多數(shù)的發(fā)酵過程是一個復(fù)雜的聯(lián)合反應(yīng) 類型類型 這是一種產(chǎn)物合成與利用糖類有這是一種產(chǎn)物合成與利用糖類有化學計量關(guān)系的發(fā)酵，糖提供了生長所化學計量關(guān)系的發(fā)酵，糖提供了生長所需的能量。糖消耗速率與產(chǎn)物合成速率需的能量。糖消耗速率與產(chǎn)物合成速率的變化是平行的。的變化是平行的。 類型類型 產(chǎn)物形成間接與基質(zhì)消耗有關(guān)，產(chǎn)物形成間接與基質(zhì)消耗有關(guān)，即微生物生長與產(chǎn)物形成是分開的，糖即微生物生長與產(chǎn)

6、物形成是分開的，糖既提供細胞生長所需的能量，又充當產(chǎn)既提供細胞生長所需的能量，又充當產(chǎn)物合成的碳源。物合成的碳源。 類型類型 產(chǎn)物是微生物的次級代謝產(chǎn)物，產(chǎn)物是微生物的次級代謝產(chǎn)物，產(chǎn)物合成與利用碳源無準量關(guān)系，產(chǎn)物產(chǎn)物合成與利用碳源無準量關(guān)系，產(chǎn)物合成在菌體生長停止才開始合成在菌體生長停止才開始以菌體細胞量為基準以菌體細胞量為基準的產(chǎn)物生成系數(shù)，的產(chǎn)物生成系數(shù)，g/ /g 偶聯(lián)型偶聯(lián)型 合成的產(chǎn)物通常是分解代謝合成的產(chǎn)物通常是分解代謝的直接產(chǎn)物，這類初級代謝產(chǎn)物的的直接產(chǎn)物，這類初級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)速率與生長直接相關(guān)生產(chǎn)速率與生長直接相關(guān)vP=dc(P)dt=YP/Xdc(X)dt=YP/Xc

7、(X)QP=YP/XvPc(X)=c(X)c(X)=YP/X混合型混合型 生長與產(chǎn)物形成部分相關(guān)生長與產(chǎn)物形成部分相關(guān)dc(P)dt=dc(X)dt+c(X)dc(P)dt=c(X)g/(g細胞細胞.h)非生長偶聯(lián)型非生長偶聯(lián)型 細胞生長時無產(chǎn)物形成，細胞生長時無產(chǎn)物形成，但細胞停止生長后，有大量產(chǎn)物積累，但細胞停止生長后，有大量產(chǎn)物積累，產(chǎn)物的形成量只與細胞的積累量有關(guān)產(chǎn)物的形成量只與細胞的積累量有關(guān)或或QP= +與生長偶聯(lián)的產(chǎn)物形成系數(shù)，與生長偶聯(lián)的產(chǎn)物形成系數(shù)，g/g細胞細胞非生長偶聯(lián)的比生產(chǎn)速率，非生長偶聯(lián)的比生產(chǎn)速率，g/(g細胞細胞.h)發(fā)酵方法發(fā)酵方法好氧發(fā)酵好氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵厭氧

8、發(fā)酵液體表面液體表面培養(yǎng)發(fā)酵培養(yǎng)發(fā)酵深層通深層通風發(fā)酵風發(fā)酵固體表固體表面培養(yǎng)面培養(yǎng)深層發(fā)酵深層發(fā)酵分批分批式操作式操作連續(xù)連續(xù)式操作式操作反復(fù)半分反復(fù)半分批式操作批式操作反復(fù)分反復(fù)分批式操作批式操作半分批半分批式操作式操作 分批式操作：底物一次裝入罐內(nèi)，在適分批式操作：底物一次裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種進行反應(yīng)，經(jīng)過一定時間宜條件下接種進行反應(yīng)，經(jīng)過一定時間后，將全部反應(yīng)物取出。后，將全部反應(yīng)物取出。 半分批式操作：也稱流加式操作。是指半分批式操作：也稱流加式操作。是指將一定量底物裝入罐內(nèi)，在適宜條件下將一定量底物裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種使反應(yīng)開始。反應(yīng)過程中，將特定接種使反應(yīng)開始。反應(yīng)過

9、程中，將特定的限制性底物送入反應(yīng)器，以控制罐內(nèi)的限制性底物送入反應(yīng)器，以控制罐內(nèi)限制性底物濃度在一定范圍，反應(yīng)終止限制性底物濃度在一定范圍，反應(yīng)終止將全部反應(yīng)物取出。將全部反應(yīng)物取出。 反復(fù)分批式操作：是指分批式操作完成反復(fù)分批式操作：是指分批式操作完成后，取出部分反應(yīng)系，剩余部分重新加入后，取出部分反應(yīng)系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作進行。底物，再按分批式操作進行。 反復(fù)半分批式操作：流加操作完成后，反復(fù)半分批式操作：流加操作完成后，取出部分反應(yīng)系，剩余部分重新加入一定取出部分反應(yīng)系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作。量底物，再按流加式操作。 連續(xù)式操作：反應(yīng)開始后，一方面

10、把底連續(xù)式操作：反應(yīng)開始后，一方面把底物連續(xù)地供給到反應(yīng)器中，同時又將反應(yīng)物連續(xù)地供給到反應(yīng)器中，同時又將反應(yīng)液連續(xù)不斷地取出，使反應(yīng)過程處于穩(wěn)定液連續(xù)不斷地取出，使反應(yīng)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，反應(yīng)條件不隨時間變化。狀態(tài)，反應(yīng)條件不隨時間變化。發(fā)酵方法發(fā)酵方法分批分批發(fā)酵法發(fā)酵法補料分補料分批發(fā)酵法批發(fā)酵法連續(xù)連續(xù)發(fā)酵法發(fā)酵法開放式開放式連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵封閉式封閉式連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵openopenopenopenopenopen 是指在一個密閉系是指在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)，投入有限數(shù)統(tǒng)內(nèi)，投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)后接量的營養(yǎng)物質(zhì)后接入少量微生物菌種入少量微生物菌種進行培養(yǎng)，使微生進行培養(yǎng)，使微生物生長繁殖，

11、在特物生長繁殖，在特定條件下只完成一定條件下只完成一個生長周期的微生個生長周期的微生物培養(yǎng)方法。物培養(yǎng)方法。closeclose概念概念 微生物所處的環(huán)境是微生物所處的環(huán)境是不斷變化的；不斷變化的； 可進行少量多品種的可進行少量多品種的發(fā)酵生產(chǎn)；發(fā)酵生產(chǎn)； 發(fā)生雜菌污染能夠很發(fā)生雜菌污染能夠很容易終止操作；容易終止操作； 對原料組成要求較粗對原料組成要求較粗放；放； 當運轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化當運轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化或需要生產(chǎn)新產(chǎn)品時，或需要生產(chǎn)新產(chǎn)品時，易改變處理對策。易改變處理對策。 特點特點概念概念 特點特點closeclose是指在分批培養(yǎng)過程是指在分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)地補中，間歇或連續(xù)地補加

12、新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法。方法。概念概念特點特點closeclose概念概念 特點特點closecloseG 可以解除培養(yǎng)過程中的底可以解除培養(yǎng)過程中的底物抑制、產(chǎn)物的反饋抑制和物抑制、產(chǎn)物的反饋抑制和葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)。葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)。A 對于好氧過程，可以避免對于好氧過程，可以避免在分批培養(yǎng)過程中因一次性在分批培養(yǎng)過程中因一次性投糖過多，造成細胞大量生投糖過多，造成細胞大量生長，耗氧過多，從而加劇氧長，耗氧過多，從而加劇氧的供需矛盾。的供需矛盾。B 微生物細胞可以控制在一微生物細胞可以控制在一系列連續(xù)的過渡態(tài)階段，可系列連續(xù)的過渡態(tài)階段，可用來控制細胞的質(zhì)量。用來控制

13、細胞的質(zhì)量。C 不會產(chǎn)生微生物菌種的老不會產(chǎn)生微生物菌種的老化和變異。化和變異。 是指以一定的速度向是指以一定的速度向培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)添加新鮮培培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時又以相同的養(yǎng)基，同時又以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而速度流出培養(yǎng)液，從而使培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng)液的使培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng)液的量維持恒定，微生物細量維持恒定，微生物細胞能在近似恒定狀態(tài)下胞能在近似恒定狀態(tài)下生長的發(fā)酵方式。生長的發(fā)酵方式。概念概念 提供了一個微生物在恒定狀提供了一個微生物在恒定狀態(tài)下高速生長的環(huán)境，便于進態(tài)下高速生長的環(huán)境，便于進行微生物的代謝、生理、生長行微生物的代謝、生理、生長和遺傳和遺傳特性的研究特性的研究。 減少了輔助操

14、作時間，提高減少了輔助操作時間，提高了生產(chǎn)效率。了生產(chǎn)效率。 產(chǎn)物質(zhì)量較穩(wěn)定。產(chǎn)物質(zhì)量較穩(wěn)定。 可作為分析微生物的生理、可作為分析微生物的生理、生態(tài)及反應(yīng)機制的有效手段。生態(tài)及反應(yīng)機制的有效手段。所需的設(shè)備和投資較少；便于所需的設(shè)備和投資較少；便于實現(xiàn)自動化；可節(jié)省人力、物實現(xiàn)自動化；可節(jié)省人力、物力。力。 在長時間的培養(yǎng)過程中，微在長時間的培養(yǎng)過程中，微生物菌種易發(fā)生變異，發(fā)酵過生物菌種易發(fā)生變異，發(fā)酵過程中易染菌。程中易染菌。特點特點 概念概念 特點特點closecloseG 分批發(fā)酵動力學分批發(fā)酵動力學A 補料分批發(fā)酵動力學補料分批發(fā)酵動力學B 連續(xù)發(fā)酵動力學連續(xù)發(fā)酵動力學 分批發(fā)酵的不

15、同階段分批發(fā)酵的不同階段 微生物分批培養(yǎng)的生長動力學微生物分批培養(yǎng)的生長動力學方程方程 分批培養(yǎng)時基質(zhì)的消耗速率分批培養(yǎng)時基質(zhì)的消耗速率 分批培養(yǎng)中產(chǎn)物的形成速率分批培養(yǎng)中產(chǎn)物的形成速率 分批培養(yǎng)過程的生產(chǎn)率分批培養(yǎng)過程的生產(chǎn)率c停滯期：接種物的停滯期：接種物的生理狀態(tài)和濃度是生理狀態(tài)和濃度是決定停滯期長短的決定停滯期長短的關(guān)鍵。關(guān)鍵。對數(shù)生長期對數(shù)生長期：單位時間內(nèi)：單位時間內(nèi)細胞的數(shù)目或質(zhì)量的增加細胞的數(shù)目或質(zhì)量的增加維持恒定并達到最大值。維持恒定并達到最大值。穩(wěn)定期：微生穩(wěn)定期：微生物的質(zhì)量基本物的質(zhì)量基本維持穩(wěn)定維持穩(wěn)定。衰亡期衰亡期dc(X)dt=c(X) 倍增時間倍增時間（td）：

16、）：微生物細胞濃度增加一微生物細胞濃度增加一倍所需要的時間。倍所需要的時間。td=ln2=o.693dc(X)dtc(X)= 當以碳氫化合物作為微生物的營養(yǎng)物質(zhì)時當以碳氫化合物作為微生物的營養(yǎng)物質(zhì)時其生長速率不符合對數(shù)規(guī)律。其生長速率不符合對數(shù)規(guī)律。lnct(X)c0(X)=t 19421942年，年，Monod提出了在特定溫度、提出了在特定溫度、pH、營養(yǎng)物類型、營養(yǎng)物濃度等條件下營養(yǎng)物類型、營養(yǎng)物濃度等條件下c(S)=mKs+c(S)Ks 其其物理意義：當比生長速率為最大比生長物理意義：當比生長速率為最大比生長速率一半時的限制性營養(yǎng)物質(zhì)濃度。它的速率一半時的限制性營養(yǎng)物質(zhì)濃度。它的大小表示

17、了微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收親合大小表示了微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收親合力大小。力大小。 KS越大，表示微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收越大，表示微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收親和力越??；反之就越大。親和力越?。环粗驮酱?。飽和常數(shù)，飽和常數(shù)，mg/L。 m 微生物的最大比生長速率，微生物的最大比生長速率，h h-1-1。 m隨微生物的種類和培養(yǎng)條隨微生物的種類和培養(yǎng)條件的不同而不同，通常件的不同而不同，通常為為0.00.086862.1h2.1h-1-1m/2mc(S)c(S) KS時時KS=mKSc(S)abcc(S) KS時時=KI+c(S)mKI 微生物生長過程的特征通常以得率系數(shù)微生物生長過程的特征通常以得率

18、系數(shù)來描述，即生成細胞或產(chǎn)物與消耗的營來描述，即生成細胞或產(chǎn)物與消耗的營養(yǎng)物質(zhì)之間的關(guān)系。養(yǎng)物質(zhì)之間的關(guān)系。細胞得率系數(shù)（細胞得率系數(shù)（YX/S g）：消耗）：消耗1g1g營養(yǎng)營養(yǎng)物質(zhì)生成的細胞的質(zhì)量。物質(zhì)生成的細胞的質(zhì)量。產(chǎn)物得率系數(shù)（產(chǎn)物得率系數(shù)（YP/S g）：消耗）：消耗1g1g營養(yǎng)營養(yǎng)物質(zhì)生成產(chǎn)物的質(zhì)量。物質(zhì)生成產(chǎn)物的質(zhì)量。YX/S=c(X)-c0(X)c0(S)-c(S)YP/S=c(P)-c0(P)c0(S)-c(S)=c(X)c(S)=c(P)c(S)YX/O=c(X)-c0(X)c0(O)-c(O)=c(X)c(O)-dc(S)dt=c(X)YX/Sdc(P)dt= YP/X

19、dc(X)dt-dc(S)dt=c(X)YG+mc(X)+YP1dc(P)dt+c(X) -dc(S)dt=c(X)YG+mc(X)+YP1dc(P)dt+c(X) c(X)c(X) v =YG+m +QPYP+則：則：v =YG+mv =dc(X)dtYX/Sc(X) =c(X)1YX/S=YG+m1=YX/SG產(chǎn)物形成與細胞生長相關(guān)dc(P)dt=YP/Xdc(X)dt=YP/Xc(X)A 產(chǎn)物形成與細胞生長無關(guān)聯(lián)dc(P)dt= c(X)B 產(chǎn)物形成與細胞生長部分相關(guān)dc(P)dt=YP/Xc(X)+ c(X)生產(chǎn)率生產(chǎn)率（P）=產(chǎn)物濃度產(chǎn)物濃度發(fā)酵時間發(fā)酵時間t =1mlnct(X)c0(X)+tc+t1tf+tc放罐清洗時間放罐清洗時間tf裝料消毒時間裝料消毒時間t1遲滯時間遲滯時間ct(X)細胞最終濃度細胞最終濃度令令 t tL L= = tc+t t1 1 則：則：tf+P =1mlnct(X)c0(X)ct(X) - c0(X)+tLG 單一補料分批培養(yǎng)單一補料分批培養(yǎng) 其特點是補料一直到培養(yǎng)液達到額定值為止，其特點是補料一直到培養(yǎng)液達到額定值為止，培養(yǎng)過程中不取出培養(yǎng)液。培養(yǎng)過程中不取出培養(yǎng)液。c0(S)初始培養(yǎng)基中限制性營養(yǎng)物質(zhì)的濃度初始培養(yǎng)基中限制性營養(yǎng)物質(zhì)的濃度F補料時培養(yǎng)基的流加速度補