第一章生物反應(yīng)器基礎(chǔ)微生物生長動(dòng)力學(xué)演示文稿

第一章生物反應(yīng)器基礎(chǔ)微生物生長動(dòng)力學(xué)演示文稿第一頁，共六十七頁。優(yōu)選第一章生物反應(yīng)器基礎(chǔ)微生物生長動(dòng)力學(xué)第二頁，共六十七頁。微生物的作用：微生物是生物反應(yīng)過程的催化劑，催化原料轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品；微生物如同一個(gè)微小的容器，原料中的反應(yīng)物透過微生物細(xì)胞周圍的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入微生物體內(nèi)，把反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，接著這些產(chǎn)物又被釋放出來。第三頁，共六十七頁。

一、生長現(xiàn)象與繁殖方式

微生物可分為成三大類：Ⅰ、非細(xì)胞型微生物學(xué)（病毒）；Ⅱ、是原核細(xì)胞型微生物，僅有原始細(xì)胞核，如細(xì)菌、放線菌等；Ⅲ、是真核細(xì)胞型微生物，霉菌、酵母菌和單細(xì)胞藻類，原生動(dòng)物。

第四頁，共六十七頁。表5-1微生物的生長現(xiàn)象與繁殖方式類別生長特征繁殖方式細(xì)菌個(gè)體增重和增大

分裂繁殖放線菌、霉菌菌絲伸長和分支霉菌----無性孢子、有性孢子酵母菌個(gè)體增重和增大

出芽生殖放線菌----無性孢子第五頁，共六十七頁。微生物細(xì)胞在生長過程中的變化：其形態(tài)、組成、活性都處在動(dòng)態(tài)變化過程中，使其經(jīng)歷生長、繁殖、維持、死亡等階段。并使反應(yīng)系統(tǒng)中的環(huán)境條件也處在動(dòng)態(tài)變化之中。微生物細(xì)胞的基本組成：蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、核酸等。

第六頁，共六十七頁。二、生長的測(cè)定

微生物生長的測(cè)定，通常是測(cè)群體的重量或細(xì)胞數(shù)，而不是測(cè)細(xì)胞個(gè)體的重量或大小。生長測(cè)定的常用理化方法，分為測(cè)定細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞重量兩類。第七頁，共六十七頁。1、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)法

濁度計(jì)比濁法測(cè)定稀的細(xì)胞懸液的透光量，間接測(cè)出細(xì)胞數(shù)量的生長計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)法在顯微鏡下用血球計(jì)數(shù)器直接數(shù)出酵母菌或霉菌孢子數(shù)目，以及用細(xì)菌計(jì)數(shù)片直接測(cè)出細(xì)菌數(shù)的生長第八頁，共六十七頁。2、測(cè)定細(xì)胞重量

細(xì)胞干重稱量法直接測(cè)定單位體積培養(yǎng)物的細(xì)胞干重，由此代表菌體細(xì)胞物質(zhì)總量的生長細(xì)胞堆積容積測(cè)量法

用錐形刻度管測(cè)量經(jīng)離心的細(xì)胞沉淀物的容積，由此間接表示細(xì)胞重量的生長細(xì)胞組成分析法測(cè)定一種大分子的細(xì)胞組成(蛋白質(zhì)、RNA、DNA等)，間接地算出細(xì)胞重量的生長

第九頁，共六十七頁。營養(yǎng)物消耗分析法測(cè)定培養(yǎng)基中不用于合成代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)物（磷酸鹽、硫酸鹽等）的消耗，由此間接表示細(xì)胞重量的生長產(chǎn)物重量分析法測(cè)定培養(yǎng)中途形成的二氧化碳，氫，ATP等產(chǎn)物，由此間接地?fù)Q算出細(xì)胞重量的生長第十頁，共六十七頁。第二節(jié)微生物生長動(dòng)力學(xué)

什么是微生物生長動(dòng)力學(xué)？微生物生長動(dòng)力學(xué)是研究微生物生長過程的速率及其影響速率的各種因素，從而獲得相關(guān)信息。微生物生長動(dòng)力學(xué)可反映細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境變化的能力。

第十一頁，共六十七頁。一、微生物生長曲線

細(xì)胞的生長過程可以用細(xì)胞濃度的變化來描述和表達(dá)。若取細(xì)胞濃度的對(duì)數(shù)值與細(xì)胞生長時(shí)間對(duì)應(yīng)作圖，可得到分批培養(yǎng)時(shí)的細(xì)胞濃度變化曲線。第十二頁，共六十七頁。分批培養(yǎng)細(xì)胞的五個(gè)生長階段延遲期：細(xì)胞濃度無明顯變化對(duì)數(shù)期：細(xì)胞濃度隨時(shí)間呈指數(shù)生長減速期：細(xì)胞的生長速率開始減緩靜止期：細(xì)胞濃度不再增加，為最大值衰亡期：細(xì)胞開始死亡，細(xì)胞生長速率為負(fù)值第十三頁，共六十七頁。二、微生物生長動(dòng)力學(xué)1、比生長速率若細(xì)胞物質(zhì)或細(xì)胞數(shù)目增長一倍的時(shí)間間隔是常數(shù)，則微生物是以指數(shù)速率增長，可用數(shù)學(xué)模型來描述。（1）

（2）式（1）表明，細(xì)胞物質(zhì)隨時(shí)間的增加而增加式（2）表明，細(xì)胞數(shù)目隨時(shí)間的增加而增加第十四頁，共六十七頁。

若μ為常數(shù)，則：

對(duì)式（1）積分得：

在大多數(shù)情況下，生長是以物質(zhì)的增加衡量的，因而得到應(yīng)用。

此式可在△t=td（td為倍增時(shí)間）時(shí)求得，td即在時(shí)所需時(shí)間，于是td=ln2/μ=0.693/μ。

為比生長速率，單位是h-1。第十五頁，共六十七頁。

例題：某微生物的＝0.125h-1，求td。第十六頁，共六十七頁。

比生長速率的意義

比生長速率是菌體繁殖速率與培養(yǎng)基中菌體濃度之比，它與微生物的生命活動(dòng)有聯(lián)系

在對(duì)數(shù)生長期，是一個(gè)常數(shù)，這時(shí)

第十七頁，共六十七頁。

2、無抑制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)

——Monod方程

現(xiàn)代細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)的奠基人Monod在1942年指出，在培養(yǎng)基中無抑制劑存在的情況下，細(xì)胞的比生長速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系可用下式表示：第十八頁，共六十七頁。

Monod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設(shè)如下：①細(xì)胞的生長為均衡式生長，因此描述細(xì)胞生長的唯一變量是細(xì)胞的濃度；②培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，而其它組分為過量，不影響細(xì)胞的生長；③

細(xì)胞的生長視為簡(jiǎn)單的單一反應(yīng)，細(xì)胞生長速率為一常數(shù)。

第十九頁，共六十七頁。

Monod方程中為比生長速率(h-1)；為最大比生長速率(h-1)，S為限制性基質(zhì)濃度(g／L)；Ks為飽和常數(shù)(g/L)，其值等于比生長速率為最大比生長速率一半時(shí)的限制性基質(zhì)濃度。

第二十頁，共六十七頁。細(xì)胞的比生長速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系第二十一頁，共六十七頁。

將Monod方程變?yōu)?/p>

并作圖。通過該圖，即可以獲得兩個(gè)重要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。第二十二頁，共六十七頁。第二十三頁，共六十七頁。Ks和μm值隨菌種、限制性基質(zhì)種類的變化微生物限制生長基質(zhì)Ksμm（hr）大腸桿菌葡萄糖0.22--大腸桿菌乳糖0.58--啤酒酵母乳糖2.6~3.00.18啤酒酵母葡萄糖0.56--纖維素分解菌葡萄糖0.860.125固氮菌葡萄糖0.16~0.330.13青霉菌氧氣0.0070.35第二十四頁，共六十七頁。

Monod方程雖然表述簡(jiǎn)單，但它不足以完整地說明復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，并且已發(fā)現(xiàn)它在某些情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，因此人們又提出了另外一些方程,歸納于下表

第二十五頁，共六十七頁。單基質(zhì)限制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)模型第二十六頁，共六十七頁。第三節(jié)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)與發(fā)酵

過程控制發(fā)酵動(dòng)力學(xué)是研究生物反應(yīng)過程的速率及其影響因素，是生物反應(yīng)工程學(xué)的理論基礎(chǔ)之一。發(fā)酵過程動(dòng)力學(xué)包括兩個(gè)層次的動(dòng)力學(xué)第二十七頁，共六十七頁。1、本征動(dòng)力學(xué)（又稱微觀動(dòng)力學(xué)）在沒有傳遞等工程因素影響時(shí)，生物反應(yīng)固有的速率。該速率除反應(yīng)本身的特性外，只與各反應(yīng)組分的濃度、溫度、催化劑及溶劑性質(zhì)有關(guān)，而與傳遞因素?zé)o關(guān)。

第二十八頁，共六十七頁。2、反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)（又稱宏觀動(dòng)力學(xué)）在一反應(yīng)器內(nèi)所觀測(cè)得到的總反應(yīng)速率及其影響因素，這些影響因素包括反應(yīng)器的形式和結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動(dòng)與混合、傳質(zhì)與傳熱第二十九頁，共六十七頁。一、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)是研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動(dòng)之間的相互作用隨時(shí)間變化的規(guī)律的科學(xué)。研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的目的在于按人們的需要控制發(fā)酵過程。

第三十頁，共六十七頁。1、產(chǎn)物合成動(dòng)力學(xué)在連續(xù)培養(yǎng)的條件下，由生長、基質(zhì)利用和產(chǎn)物形成的物料平衡方程，可以看出產(chǎn)物的形成與生長和細(xì)胞濃度的關(guān)系

第三十一頁，共六十七頁。1.1、細(xì)胞的生長細(xì)胞量的積累速率=細(xì)胞生長速率－細(xì)胞的消失速率第三十二頁，共六十七頁。1.2、基質(zhì)的利用基質(zhì)的消耗速率=補(bǔ)料中基質(zhì)的添加速率－生長消耗的基質(zhì)速率－產(chǎn)物合成用去的基質(zhì)速率－維持所消耗的基質(zhì)速率－基質(zhì)的移去速率第三十三頁，共六十七頁。1.3、產(chǎn)物的形成產(chǎn)物形成的速率=產(chǎn)物合成速率－產(chǎn)物移去速率－產(chǎn)物被破壞速率第三十四頁，共六十七頁。二、代謝產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)模型

Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生長速率之間的關(guān)系，將其分為三種類型：類型Ⅰ稱為相關(guān)模型，或稱伴隨生長的產(chǎn)物形成模型；類型Ⅱ稱為部分相關(guān)模型，或稱不完全伴隨生長的產(chǎn)物形成模型；類型Ⅲ稱為非相關(guān)模型或稱不伴隨生長的產(chǎn)物形成模型。

第三十五頁，共六十七頁。第三十六頁，共六十七頁。類型Ⅰ是指產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長相關(guān)的過程(上圖a)，此時(shí)產(chǎn)物通常是基質(zhì)的分解代謝產(chǎn)物，代謝產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長是同步的。動(dòng)力學(xué)方程為：第三十七頁，共六十七頁。類型Ⅱ反應(yīng)產(chǎn)物的生成與細(xì)胞生長僅有間接關(guān)系（上圖b）。在細(xì)胞生長期內(nèi)，基本無產(chǎn)物生成。動(dòng)力學(xué)方程為：或第三十八頁，共六十七頁。第三十九頁，共六十七頁。

與μ之間的關(guān)系圖第四十頁，共六十七頁。第四節(jié)發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律一、分批發(fā)酵1.概念分批發(fā)酵是指在一封閉培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)具有初始限制量基質(zhì)的一種發(fā)酵方式第四十一頁，共六十七頁。2.分批發(fā)酵過程的典型類型

簡(jiǎn)單反應(yīng)a、生長型：如產(chǎn)氣桿菌（AerobacterCloacae）的生長

b、非生長型：如黑曲霉（Aspegillusniger）轉(zhuǎn)化葡萄糖成為葡萄糖酸

并行反應(yīng)：如粘紅酵母（Rhodotorubaglutirus）

相繼反應(yīng)：如假單孢菌（PseudomonoasOualis）

分段反應(yīng)：。如大腸桿菌（E.Coli）的二階段式生長

第四十二頁，共六十七頁。3.分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率體積生產(chǎn)率是以每升發(fā)酵液每小時(shí)產(chǎn)生的產(chǎn)物克數(shù)（g/Lh）表示的，是對(duì)發(fā)酵過程總成果的一種衡量?？偵a(chǎn)率:第四十三頁，共六十七頁。第四十四頁，共六十七頁?？偵a(chǎn)率第四十五頁，共六十七頁。其中發(fā)酵過程總的運(yùn)轉(zhuǎn)周期為：第四十六頁，共六十七頁。絲狀微生物發(fā)酵的

產(chǎn)物產(chǎn)率和基質(zhì)的利用霉菌和其它絲狀微生物的發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)率和基質(zhì)利用的動(dòng)力學(xué)是很復(fù)雜的，典型的例子是青霉素發(fā)酵第四十七頁，共六十七頁。絲狀微生物發(fā)酵過程獲得高產(chǎn)的

一般規(guī)律

(1)在一固定的分批發(fā)酵時(shí)間內(nèi)，存在一種得到最佳產(chǎn)率的最適的基質(zhì)起始濃度。如果基質(zhì)濃度太高，菌絲體生長過度，消耗大量基質(zhì)導(dǎo)致“短周期發(fā)酵”現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成產(chǎn)物生成量減少；如果基質(zhì)濃度太低，菌絲體生長差，到產(chǎn)物生產(chǎn)期便沒有足夠的菌絲體制造產(chǎn)物。

第四十八頁，共六十七頁。（2）為了提高產(chǎn)物形成速率，對(duì)菌絲分枝程度也須加以優(yōu)化。如果菌絲體分枝過少，停滯期和發(fā)酵周期均延長。目前已知菌絲體的分枝程度與種子的生長狀況有關(guān)，因此需尋找最適的種子培養(yǎng)條件。

第四十九頁，共六十七頁。（3）為了提高氧的傳遞速率，對(duì)深層發(fā)酵過程似乎宜采用劇烈的攪拌，但是對(duì)于青霉素等利用絲狀微生物的發(fā)酵過程來說，中等程度的攪拌對(duì)高產(chǎn)有利。對(duì)此有幾種解釋，普遍的認(rèn)為是劇烈的攪拌所施加的剪切力會(huì)影響霉菌的形態(tài)，促進(jìn)菌絲過多分枝，而使產(chǎn)量下降。第五十頁，共六十七頁。二、連續(xù)發(fā)酵把新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)地供給均勻混合的發(fā)酵系統(tǒng)，同時(shí)又以相同的速度把含有細(xì)胞和產(chǎn)物的發(fā)酵液從發(fā)酵系統(tǒng)中抽出便可使發(fā)酵過程連續(xù)化

第五十一頁，共六十七頁。在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中，微生物細(xì)胞的濃度、比生長速率和環(huán)境條件（如營養(yǎng)物質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度），均處于不隨時(shí)間而變化的穩(wěn)定狀態(tài)之下

第五十二頁，共六十七頁。連續(xù)培養(yǎng)的原理1、基于細(xì)胞量的物料平衡細(xì)胞的進(jìn)入速率－細(xì)胞的流出速率＋細(xì)胞的生長速率－細(xì)胞的死亡速率＝細(xì)胞的積累速率第五十三頁，共六十七頁。簡(jiǎn)化后：在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，上式可變?yōu)椋旱谖迨捻摚擦唔?。在連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)中被稱為稀釋速率，用符號(hào)“D”表示

（等于培養(yǎng)液在罐中平均停留時(shí)間的倒數(shù)）在穩(wěn)定狀態(tài)下，細(xì)胞的比生長速率等于稀釋速率。第五十五頁，共六十七頁。2、基于限制性營養(yǎng)成分的物料平衡養(yǎng)分進(jìn)入系統(tǒng)的速率－養(yǎng)分流出系統(tǒng)的速率－用于生長的養(yǎng)分消耗的速率－用于維持的養(yǎng)分消耗的速率－用于產(chǎn)物形成的養(yǎng)分消耗的速率＝養(yǎng)分在系統(tǒng)中積累的速率第五十六頁，共六十七頁。在穩(wěn)定狀態(tài)下

，則以代入上式，得第五十七頁，共六十七頁。上式須符合以下假定細(xì)胞的得率系數(shù)假定與生長速率或稀釋速率無關(guān)

假定細(xì)胞濃度的絕對(duì)值與除限制性營養(yǎng)成分以外的所有營養(yǎng)成分無關(guān)

限制性營養(yǎng)成分的細(xì)胞得率系數(shù)只受限制性養(yǎng)分的影響，但是其它環(huán)境因素如pH、溫度和溶解氧必須維持恒定產(chǎn)率第五十八頁，共六十七頁。達(dá)到最大的細(xì)胞產(chǎn)率的稀釋率，并不等于達(dá)到最大的細(xì)胞得率時(shí)的稀釋率。因此，過程的最佳化往往必須采取折衷的方法，要同時(shí)考慮到產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和流出液的殘留基質(zhì)濃度。第五十九頁，共六十七頁。分批培養(yǎng)過程與連續(xù)培養(yǎng)過程產(chǎn)率的比較第六十頁，共六十七頁。分批和連續(xù)培養(yǎng)產(chǎn)率的比較分批培養(yǎng)中最大比生長速率（h）

分批培養(yǎng)中最大比生長速率（h）0.050.090.804.60.100.211.06.80.200.53