生物反應(yīng)動力學(xué)課件

生物反應(yīng)動力學(xué)菌體生長基質(zhì)消耗產(chǎn)物生成最佳工藝條件的控制

菌體生長速率

基質(zhì)消耗速率

代謝產(chǎn)物的生成速率第一節(jié)生物反應(yīng)過程動力學(xué)描述碳源+氮源+氧細胞+產(chǎn)物+CO2+H2O△X+△P+△CO2+△H2O細胞得率系數(shù)：即每消耗1g基質(zhì)所生成的細胞克數(shù)YX/S=X-X0S0-S=△X△S基質(zhì)的消耗速率vsvs=dc(s)dt-=-vxYX/S=μc(X)YX/SS0-SX-X0△S△N△O2++vsc(X)當(dāng)基質(zhì)既是能源又是碳源時，就應(yīng)考慮維持能量，即：碳源總消耗量=用于生長的消耗速率+用于維持代謝的消耗速率1YG·c(X)菌體生長得率系數(shù)m菌體維持代謝的維持系數(shù)+=v=vvx代謝產(chǎn)物的生成速率vp：單位體積、單位時間內(nèi)，產(chǎn)物形成的量。vp=dc(P)dt產(chǎn)物的比生成速率Q：Q=vpc(X)發(fā)酵動力學(xué)分類分類依據(jù)及類型判斷因素根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗關(guān)系Ⅰ產(chǎn)物形成直接與基質(zhì)消耗有關(guān)Ⅱ產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗間接有關(guān)Ⅲ產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗無關(guān)根據(jù)生長有否偶聯(lián)偶聯(lián)型產(chǎn)物形成速度與生長速度密切相關(guān)混合型產(chǎn)物形成速度與生長部分相關(guān)非偶聯(lián)型

產(chǎn)物形成速度與生長速度無關(guān)根據(jù)反應(yīng)進程簡單型營養(yǎng)成分以固定的化學(xué)量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，無中間物積累并行型營養(yǎng)成分以不定的化學(xué)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，也無中間物積累串聯(lián)型形成產(chǎn)物前積累有一定程度的中間物的積累分段型營養(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)類型Ⅰ這是一種產(chǎn)物合成與利用糖類有化學(xué)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)物合成速率的變化是平行的。類型Ⅱ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，糖既提供細胞生長所需的能量，又充當(dāng)產(chǎn)物合成的碳源。類型Ⅲ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(zhǔn)量關(guān)系，產(chǎn)物合成在菌體生長停止才開始以菌體細胞量為基準(zhǔn)的產(chǎn)物生成系數(shù)，g/g偶聯(lián)型合成的產(chǎn)物通常是分解代謝的直接產(chǎn)物，這類初級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)速率與生長直接相關(guān)vP=dc(P)dt=YP/Xdc(X)dt=YP/Xμc(X)QP=YP/XvPc(X)=μc(X)c(X)=YP/Xμ混合型生長與產(chǎn)物形成部分相關(guān)dc(P)dt=αdc(X)dt+βc(X)發(fā)酵方法好氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵液體表面培養(yǎng)發(fā)酵深層通風(fēng)發(fā)酵固體表面培養(yǎng)深層發(fā)酵分批式操作連續(xù)式操作反復(fù)半分批式操作反復(fù)分批式操作半分批式操作分批式操作：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)終止將全部反應(yīng)物取出。發(fā)酵方法分批發(fā)酵法補料分批發(fā)酵法連續(xù)發(fā)酵法開放式連續(xù)發(fā)酵封閉式連續(xù)發(fā)酵openopenopen

是指在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)，投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)后接入少量微生物菌種進行培養(yǎng)，使微生物生長繁殖，在特定條件下只完成一個生長周期的微生物培養(yǎng)方法。close概念微生物所處的環(huán)境是不斷變化的；可進行少量多品種的發(fā)酵生產(chǎn)；發(fā)生雜菌污染能夠很容易終止操作；對原料組成要求較粗放；當(dāng)運轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化或需要生產(chǎn)新產(chǎn)品時，易改變處理對策。

特點概念

特點close是指在分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法。概念特點close概念

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

不會產(chǎn)生微生物菌種的老化和變異。

分批發(fā)酵動力學(xué)

補料分批發(fā)酵動力學(xué)

連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)第三節(jié)微生物發(fā)酵動力學(xué)

分批發(fā)酵的不同階段

微生物分批培養(yǎng)的生長動力學(xué)方程

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)過程的生產(chǎn)率c停滯期：接種物的生理狀態(tài)和濃度是決定停滯期長短的關(guān)鍵。對數(shù)生長期：單位時間內(nèi)細胞的數(shù)目或質(zhì)量的增加維持恒定并達到最大值。穩(wěn)定期：微生物的質(zhì)量基本維持穩(wěn)定。衰亡期1942年，Monod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μc(S)=μmKs+c(S)Ks

其物理意義：當(dāng)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。它的大小表示了微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收親合力大小。

KS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。飽和常數(shù)，mg/L。μm

微生物的最大比生長速率，h-1。μm隨微生物的種類和培養(yǎng)條件的不同而不同，通常為0.086～2.1h-1μμm/2μmc(S)c(S)﹤﹤KS時KSμ=μmKS．c(S)abcc(S)﹤﹤KS時μ=KI+c(S)μmKIc(X)·-dc(S)dt=μc(X)YG+mc(X)+YP1·dc(P)dt+…c(X)·c(X)c(X)·v=μYG+m+QPYP+…則：v=μYG+mv=dc(X)dtYX/S·c(X)·=μc(X)1YX/S=YG+m1μ=μYX/S產(chǎn)物形成與細胞生長相關(guān)dc(P)dt=YP/X·dc(X)dt=YP/Xμc(X)

產(chǎn)物形成與細胞生長無關(guān)聯(lián)dc(P)dt=βc(X)

產(chǎn)物形成與細胞生長部分相關(guān)dc(P)dt=YP/Xμc(X)+βc(X)生產(chǎn)率（P）=產(chǎn)物濃度發(fā)酵時間t=1μmlnct(X)c0(X)+tc+t1tf+tc放罐清洗時間tf裝料消毒時間t1遲滯時間ct(X)細胞最終濃度令tL=tc+t1則：tf+P=1μmlnct(X)c0(X)ct(X)-c0(X)+tL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，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F補料時培養(yǎng)基的流加速度(L·h-1)V培養(yǎng)基的體積(L)FV稀釋比(D)c(X)=c0(X)+YX/S［c0(S)-c(S)]則：當(dāng)c(S)=0時，微生物細胞的最終濃度為cmax(X)如果cmax(X)>>c0(X)，則cmax(X)=YX/Sc0(S)在c(X)=c0(X)時，開始以恒速補加培養(yǎng)基此時D<μmFμc

(X)′YX/S培養(yǎng)液中微生物細胞總量c'(

X)=c(X)Vc0(S)≈時間t時培養(yǎng)基的體積，LFμc

(X)′YX/Sc0(S)=由知dc(S)dt=0dc(X)dt=0μ≌D在準(zhǔn)恒定狀態(tài)下，由c(S)≈DKSμm-Dc

(X)′=c0

(X)′+Fc0(S)·tYX/Sμ==Dμmc(S)KS+c(S)

重復(fù)補料分批培養(yǎng)：是指在培養(yǎng)過程

中，每隔一定的時間，取出一定體積的培

養(yǎng)液，同時又在同一時間間隔內(nèi)加入相同

體積的培養(yǎng)基，如此反復(fù)進行的培養(yǎng)方式。

單罐連續(xù)培養(yǎng)的動力學(xué)細胞的物料平衡流入細胞流出細胞生長細胞死去細胞-=-+積累細胞Fc0(X)VFVc

(X)μc(X)kc(X)dc(X)dt-+-=c0(X)流入發(fā)酵罐的細胞濃度，g/Lc

(X)流出發(fā)酵罐的細胞濃度，g/Lk比死亡速率，h-1普通單級恒化器c0(X)=0μ>>kFVc

(X)μc(X)+dc(X)dt=-dc(X)dt=0FVc

(X)=μc(X)FV=μ限制性營養(yǎng)物質(zhì)的物料平衡流入的營養(yǎng)物質(zhì)流出的營養(yǎng)物質(zhì)生長消耗的營養(yǎng)物質(zhì)維持生命需要的營養(yǎng)物質(zhì)-=--形成產(chǎn)物消耗的營養(yǎng)物質(zhì)積累的營養(yǎng)物質(zhì)-=DFVc

(S)c0(S)FVμc(X)YX/S·c(X)mQPc(X)YP/Sdc(S)dtFVc

(S)c0(S)FVμc(X)YX/S·c(X)mQPc(X)YP/Sdc(S)dt----=c0(S)流入發(fā)酵罐的營養(yǎng)物的濃度，g/Lc

(S)流出發(fā)酵罐的營養(yǎng)物的濃度，g/L一般條件下：·c(X)m<<μc(X)/YX/Sdc(S)dt=0FVc

(S)c0(S)FVμc(X)YX/S--=0D[]c0(S)-c

(S)=μc(X)/YX/Sc(X)=YX/S[]-c

(S)c0(S)細胞濃度與稀釋率的關(guān)系D=Dcc(S)Ks+c(S)=c(S)μmKs+c(S)Dc臨界稀釋率，即在恒化器中可能達到的最大稀釋率。c(X)=YX/S[]-c0(S)DKsμm-D分別表示了c(S)和c(X)對培養(yǎng)基稀釋率的依賴關(guān)系。當(dāng)D小時營養(yǎng)物被細胞利用c(S)→0，細胞濃度c(X)=c0(S)YX/S。D增加開始c(X)呈線性緩慢下降，隨著D的不斷增加，當(dāng)D=Dc=μm時，c(X)下降到0開始，c(S)隨D的增加而緩慢增加當(dāng)D=μm時，c(S)→c0(S)。當(dāng)c(X)=0時達到“清洗點”，即有：c0(S)=DKsμm-D則：D=μmc0(S)Ks+c0(S)因c0(S)Ks+c0(S)=1，所以D=μm當(dāng)D＞μm時，系統(tǒng)不可能達到恒定狀態(tài)。D只稍微低于μm,整個系統(tǒng)對外界環(huán)境變化非常敏感。隨著D的微小變化，c(X)將發(fā)生巨大變化。連續(xù)培養(yǎng)生產(chǎn)率與分批培養(yǎng)生產(chǎn)率的比較P=Dc(X)c(X)=YX/S[]-c0(S)DKsμm-DP=DYX/S[]-c0(S)DKsμm-DDm=μm[1-]KsKs+c0(S)cm(X)=YX/S{}Ks[Ks+c0(S)]-[Ks+c0