微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第1頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六我們從哪里來(lái)?

宇宙從哪里來(lái)?

第2頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六宇宙起源于一次天體大爆炸第3頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六科學(xué)依據(jù)：20世紀(jì)20年代比利時(shí)喬治·勒梅特提出的宇宙大爆炸假想。蘇聯(lián)伽莫夫推算了宇宙大爆炸理論。1965貝爾實(shí)驗(yàn)室阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜正在使用大型通信天線，本底的噪音無(wú)法克服；普林斯頓大學(xué)羅伯特·迪克；艾倫·古思（不斷膨脹的宇宙）比喻：彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)，把我們從帝國(guó)大廈100層樓看的離地面不到1厘米的距離。第4頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六辯證自然觀：宇宙是由混沌中產(chǎn)生—大爆炸！

此后，

一條以宇觀鏈，即天體演化和地質(zhì)演變；

一條以微觀、宏觀鏈，后又以物理進(jìn)化、化學(xué)進(jìn)化、生物進(jìn)化和社會(huì)進(jìn)化四階段發(fā)展。

第5頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六物質(zhì)場(chǎng)實(shí)物微觀宏觀鏈宇觀宏觀鏈夸克總星系基本粒子原子核原子分子生物大分子細(xì)胞生物個(gè)體種群人類人類社會(huì)精神物理進(jìn)化化學(xué)進(jìn)化生物進(jìn)化社會(huì)進(jìn)化微觀鏈引力場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)弱場(chǎng)電磁場(chǎng)宏觀鏈星系團(tuán)星系恒星行星（地球）物質(zhì)凝聚態(tài)原材料工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品（計(jì)算機(jī)）人工智能機(jī)器人信息天體演化地質(zhì)演化宇觀鏈人工自然進(jìn)化宏觀鏈第6頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六地球發(fā)展自然史137億年前宇宙起源于“大爆炸”(1965貝爾實(shí)驗(yàn)室阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜；普林斯頓大學(xué)羅伯特·迪克；蘇聯(lián)喬治.伽莫夫）49億年前形成太陽(yáng)系和地球;39億年前地球上出現(xiàn)原始生命;27億年前出現(xiàn)會(huì)進(jìn)行光合作用細(xì)胞;大氣中氧積累17億年前出現(xiàn)多細(xì)胞生物;5.5億年前（寒武紀(jì)）物種大爆發(fā)（1500萬(wàn)年);4.3億年前(志留紀(jì))物種大爆發(fā),海洋生物登陸;2.5億年前（二疊紀(jì)末）大量物種滅絕（中科大,沈延安)6500萬(wàn)年前恐龍突然滅跡,小型脊椎動(dòng)物和哺乳動(dòng)物得以繁衍;600～700萬(wàn)能前古猿人與古人類分離;50萬(wàn)年前周口店北京直立人出現(xiàn);30-10萬(wàn)年前非洲智人出現(xiàn)（Nature,03.06.12);2萬(wàn)年前周口店山頂洞人(Homosapiens)出現(xiàn);公元前221秦始皇統(tǒng)一中國(guó)(至今才百代);第7頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一切物質(zhì)是統(tǒng)一的，它們有同一個(gè)起源。第8頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六什么是生命?恩格斯（20世紀(jì)初）：生命是蛋白質(zhì)的存在形式—以蛋白質(zhì)為中心的生命觀；薛定鄂（40年代）：生命特征在于生命系統(tǒng)不斷增加負(fù)熵。生命依賴于生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性?！獑l(fā)人們從生命系統(tǒng)的遺傳信息方面來(lái)探索生命的奧秘；沃森(J.Watson)和克里克(F.Crick)（50年代）：核酸、蛋白質(zhì)是生命的存在形式，其中核酸是遺傳信息分子，蛋白質(zhì)是執(zhí)行功能的分子。第9頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六生命的定義能自我長(zhǎng)大、自我復(fù)制、與外界有能量和信息交換，并能自我完善和進(jìn)化的系統(tǒng)才具備生命的特征。弗里德里希·克拉默：一個(gè)通過(guò)不斷汲取外部能量來(lái)維持甚至擴(kuò)展其有序結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。第10頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六病毒是種特殊生命病毒不具備細(xì)胞結(jié)構(gòu)，在侵入寄主細(xì)胞前，既不能繁殖，也沒有新陳代謝，不與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)與能量交流，甚至可以像無(wú)機(jī)物一樣獲得結(jié)晶，看起來(lái)似乎更像非生命物質(zhì)。但病毒卻具有生命物質(zhì)組成中最重要的兩種生物大分子——核酸和蛋白質(zhì)。當(dāng)它入侵寄主細(xì)胞后，又可以借助寄主細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成自身所需要的蛋白質(zhì)及核酸分子，從而完成自我復(fù)制，進(jìn)行大量繁殖，這又是非生命物質(zhì)所不具備的特征。第11頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六熵（Etropy)Clausius:熱力學(xué)第二定律或其中，Q是熱量傳遞值，S是熵。熵是那些不可避免要損失的能量的量度，也是這個(gè)過(guò)程的不可逆性的量度。第12頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六熱力學(xué)第二定律：在孤立系統(tǒng)中，任何自發(fā)過(guò)程總是朝熵增加方向變化，即物質(zhì)總是朝消滅信息，產(chǎn)生混亂方向演化。生命物質(zhì)：其演化過(guò)程正好相反，是一個(gè)由簡(jiǎn)單、低級(jí)向復(fù)雜、高級(jí)、更有序化方向發(fā)展趨勢(shì)。它們矛盾嗎？不！

生命體是遠(yuǎn)離平衡條件的開放系統(tǒng)，通過(guò)外界引進(jìn)負(fù)熵流，而抵消體系的熵產(chǎn)生，并在一定條件下，可以形成新的有序結(jié)構(gòu)。生命體是高度有序的！也可以說(shuō)：非平衡是生命體的有序根源和信息根源。第13頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六形態(tài)：每一個(gè)生命都有其典型的形狀和形態(tài)，這使我們能將其從周圍的世界中識(shí)別出來(lái)并加以分類。雖然這些形態(tài)彼此之間或多或少都有所不同，但其基本模式總是分明的，事實(shí)上，自然似乎是用特定的圖形拼接出來(lái)的。科學(xué)也許可以定義為：力圖尋找不同形態(tài)之間的組織原則，并理想的情況下，用數(shù)學(xué)描述這些形態(tài)和它們之間的相互關(guān)系。培根：數(shù)學(xué)是通往科學(xué)的道路和鑰匙！

第14頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六大量物理過(guò)程可以用方程來(lái)描述，即線性微分方程來(lái)描述，如：萬(wàn)有引力定律（伽利略）；行星運(yùn)動(dòng)(牛頓）；白熾金屬發(fā)出的輻射（普朗克）。生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過(guò)程如何用數(shù)學(xué)方程來(lái)描述？生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過(guò)程相互作用并形成網(wǎng)絡(luò)，顯然要復(fù)雜得多。我們今天要學(xué)習(xí)的課程就是用線性微分方程來(lái)描述微生物工程中的一種動(dòng)力學(xué)過(guò)程，當(dāng)然它是一種近似的描述。第15頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

—微生物工程（曹軍衛(wèi)馬輝文編著，科學(xué)出版社，2002年出版）

21世紀(jì)高等院校教材(生命科學(xué)類)目的：微生物工程的基本任務(wù)是高效地利用微生物所具有的內(nèi)在生產(chǎn)力，以較低的能耗和物耗最大限度地生產(chǎn)生物產(chǎn)品，因此必須對(duì)微生物反應(yīng)的整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)有效的控制。微生物動(dòng)力學(xué)為這一目的提供了部分理論依據(jù)。第16頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六內(nèi)容：微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究生物反應(yīng)速度的規(guī)律，即細(xì)胞生長(zhǎng)速率、基質(zhì)利用速率和產(chǎn)物生成速率的變化規(guī)律。基質(zhì)（碳源）細(xì)胞產(chǎn)物第17頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六方法：用數(shù)學(xué)模型定量地描述生物反應(yīng)過(guò)程中細(xì)胞生長(zhǎng)速率、基質(zhì)利用速率和產(chǎn)物生成速率等因素變化，達(dá)到對(duì)反應(yīng)過(guò)程有效控制。已發(fā)展出好幾種動(dòng)力學(xué)模型，我們介紹一種“發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)分型”。第18頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六·課程的敘述方法：

一、微生物發(fā)酵過(guò)程分型

二、分批培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

1.細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

2.基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)

3.產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)

三、連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

1.單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

2.多級(jí)串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

3.細(xì)胞循環(huán)使用單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

四、連續(xù)培養(yǎng)的實(shí)施第19頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.1發(fā)酵動(dòng)力學(xué)分型這種動(dòng)力學(xué)分型方法討論的是產(chǎn)物形成與底物利用的關(guān)系,即產(chǎn)物形成速度與碳源利用關(guān)系。它將微生物發(fā)酵過(guò)程分為三個(gè)類型：Ⅰ.產(chǎn)物形成直接與碳源利用有關(guān)Ⅱ.產(chǎn)物形成間接與碳源利用有關(guān)Ⅲ.產(chǎn)物形成表面上與碳源利用無(wú)關(guān)第20頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.1.1第Ⅰ型（與生長(zhǎng)相關(guān)型）菌體生長(zhǎng)、碳源利用和產(chǎn)物形成幾乎同時(shí)出現(xiàn)高峰。產(chǎn)物形成、碳源利用、菌體生長(zhǎng)同時(shí)出現(xiàn)高峰1.細(xì)菌生長(zhǎng)類型(指終產(chǎn)物就是菌體本身);如酵母、蘑菇菌絲、蘇云金桿菌等的培養(yǎng)。細(xì)菌產(chǎn)量/碳源消耗—“產(chǎn)量常數(shù)”2.代謝產(chǎn)物類型；指產(chǎn)物積累與菌體增長(zhǎng)相平行，并與碳源消耗有準(zhǔn)量關(guān)系。如酒精、乳酸、山梨糖、葡萄糖酸、α-酮戊二酸等。第21頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六發(fā)酵第一類型比生長(zhǎng)速率，g/(g.h);碳源利用比速率，g/(g.h)；產(chǎn)物形成比速率，g/(g.h)。時(shí)間h第22頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.1.2第Ⅱ型（與部分生長(zhǎng)相關(guān)型）第一時(shí)期：細(xì)菌迅速生長(zhǎng)，產(chǎn)物很少或全無(wú)；第二時(shí)期：產(chǎn)物高速形成，生長(zhǎng)也可能出現(xiàn)第二個(gè)高峰，碳源利用在這兩個(gè)時(shí)期都很高。特點(diǎn)：從生源來(lái)看，發(fā)酵產(chǎn)物不是碳源的直接氧化，而是細(xì)菌代謝的主流產(chǎn)物。可分兩種類型：1.產(chǎn)物形成是經(jīng)過(guò)連鎖反應(yīng)的過(guò)程。如丙酸發(fā)酵。2.產(chǎn)物形成不經(jīng)過(guò)中間產(chǎn)物的積累。菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物積累明顯分在兩個(gè)時(shí)期。如檸檬酸。第23頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六發(fā)酵第二類型比生長(zhǎng)速率，g/(g.h);碳源利用比速率，g/(g.h)；產(chǎn)物形成比速率，g/(g.h)。時(shí)間h第24頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.1.3第Ⅲ型(與生長(zhǎng)不相關(guān)型)特點(diǎn):產(chǎn)物形成一般在菌體生長(zhǎng)接近或達(dá)到最高生長(zhǎng)時(shí)期,即穩(wěn)定期。產(chǎn)物形成與碳源利用無(wú)準(zhǔn)量關(guān)系。產(chǎn)量遠(yuǎn)低于碳源的消耗。（最高產(chǎn)量一般不超過(guò)碳源消耗量的10%。如抗生素、維生素屬此類。第25頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六發(fā)酵第三類型比生長(zhǎng)速率，g/(g.h);碳源利用比速率，g/(g.h)；產(chǎn)物形成比速率，g/(g.h)。時(shí)間h第26頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六·課程的敘述方法：

一、微生物發(fā)酵過(guò)程分型

二、分批培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

1.細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

2.基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)

3.產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)

三、連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

1.單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

2.多級(jí)串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

3.細(xì)胞循環(huán)使用單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

四、連續(xù)培養(yǎng)的實(shí)施第27頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2分批培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)分批培養(yǎng)指的是一次投料，一次接種，一次收獲的間歇式培養(yǎng)方式。這種培養(yǎng)方式操作簡(jiǎn)單。發(fā)酵液中的細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均隨時(shí)間變化。第28頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2.1分批培養(yǎng)中細(xì)胞的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)在分批培養(yǎng)中細(xì)胞濃度X要經(jīng)歷延遲期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、減速期、穩(wěn)定期和衰亡期五個(gè)階段。第29頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六分批培養(yǎng)中細(xì)胞濃度的變化1.延遲期；2.對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期；3.減速期；4.穩(wěn)定期；5.衰亡期12345tlnX第30頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2.1.1延遲期微生物接種后，細(xì)胞在新環(huán)境中有一個(gè)適應(yīng)期。適應(yīng)期的長(zhǎng)短與菌齡、接種量、輔助酶（活化劑）、以及一些小分子、離子有關(guān)。第31頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2.1.2對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期在這階段中，由于培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)豐富，有毒物質(zhì)少，細(xì)胞迅速生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速率與細(xì)胞濃度成正比：式中：X—細(xì)胞濃度(kg/m3);t—時(shí)間(s);

μ--比生長(zhǎng)速率(s-1)。積分：第32頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)數(shù)的概念設(shè)ab=N，如果要用a、N表示b，則記作logaN=b，a叫做底數(shù)，N叫做真數(shù)，b叫做以a為底的N的對(duì)數(shù)。例如，24=16，要表示16是2的多少次冪，可以記作log216=4。根據(jù)對(duì)數(shù)的定義，有：alogaN=N(對(duì)數(shù)恒等式)；零和負(fù)數(shù)沒有對(duì)數(shù)；logaa=1；loga1=0；logaaN=N。第33頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

ab=NlogaN=b底數(shù)指數(shù)真數(shù)對(duì)數(shù)冪第34頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)數(shù)運(yùn)算法則對(duì)數(shù)換底公式記憶為：N/aN/b乘b/a以10或e為底數(shù)的分別寫成：lg或lne=2.71828…通常將eA寫成expA第35頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六返回式中比生長(zhǎng)速率μ與微生物種類、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)基成分及限制性基質(zhì)濃度等因素有關(guān)。(μ是一個(gè)變量！?。┰趯?duì)數(shù)生長(zhǎng)階段，細(xì)胞的生長(zhǎng)不受限制因此比生長(zhǎng)速率達(dá)到最大值μm，如在時(shí)間t1時(shí)的細(xì)胞濃度為X1，則在t2時(shí)的細(xì)胞濃度為X2

第36頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第37頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第38頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六細(xì)胞濃度隨時(shí)間呈指數(shù)生長(zhǎng)，細(xì)胞濃度增長(zhǎng)一倍所需時(shí)間稱倍增時(shí)間（doublingtime,td),

細(xì)菌倍增時(shí)間：0.25~1h酵母:1.15~2h霉菌:2~6.9h第39頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2.1.3減速期經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞的大量繁殖，培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)迅速消耗，有害物質(zhì)逐漸積累，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率逐漸下降，進(jìn)入減速期。無(wú)抑制性基質(zhì)時(shí)式中:S限制性基質(zhì)濃度;Km飽和常數(shù)。該式稱Monod方程式，是經(jīng)驗(yàn)公式。當(dāng)限制性基質(zhì)濃度很低時(shí)，增加基質(zhì)濃度可以提高細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率；但，若限制性基質(zhì)濃度接近Km時(shí)，再增加其濃度就不能提高比生長(zhǎng)速率。第40頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)插入米氏方程推導(dǎo)E+SESP+E（1）濃度escpe此處：

E,S,ES,P分別代表酶、底物、復(fù)合物、產(chǎn)物；k+1,k-1為正逆反應(yīng)的速度常數(shù)；k2為復(fù)合物分解為產(chǎn)物與酶的反應(yīng)速度常數(shù)K+1K-1k2第41頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六設(shè)底物濃度s比酶濃度e大多時(shí)，達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，此時(shí)物料平衡關(guān)系：產(chǎn)物生成速率：（2）（3）酶總濃度為反應(yīng)開始時(shí)的酶濃度則，(4)(4)代入(2)又從（2）可得：第42頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六從（3）得到：Michaelis--menten方程:式中最大反應(yīng)速度，米氏常數(shù)。產(chǎn)物生成的速率第43頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.有抑制性基質(zhì)時(shí)，發(fā)生抑制現(xiàn)象。如以醋酸為基質(zhì)培養(yǎng)產(chǎn)阮假絲酵母，用亞硝酸鹽培養(yǎng)硝化桿菌等。這時(shí)細(xì)胞比生長(zhǎng)速率：式中：Kis抑制常數(shù)。還有一些產(chǎn)物抑制經(jīng)驗(yàn)公式：式中：P—產(chǎn)物濃度；k,k1,k2–-是常數(shù)。第44頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2.1.4靜止期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)耗盡，有害物質(zhì)大量積累，細(xì)胞濃度達(dá)到最大值，不再增加。此時(shí)細(xì)胞比生長(zhǎng)速率為零。9.2.1.5衰亡期細(xì)胞開始死亡，式中：Xm—靜止期細(xì)胞濃度；—細(xì)胞比死亡率；t—進(jìn)入衰亡期時(shí)間第45頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六·課程的敘述方法：

一、微生物發(fā)酵過(guò)程分型

二、分批培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

1.細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

2.基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)

3.產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)

三、連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

1.單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

2.多級(jí)串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

3.細(xì)胞循環(huán)使用單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

四、連續(xù)培養(yǎng)的實(shí)施第46頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2.2分批培養(yǎng)中基質(zhì)的消耗動(dòng)力學(xué)9.2.2.1得率系數(shù)微生物細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)極為復(fù)雜，總的反應(yīng)可以用下式表示：碳源+氮源+氧細(xì)胞+產(chǎn)物+CO2+H2O菌體生長(zhǎng)量相對(duì)于基質(zhì)消耗量的收得率稱生得率,其定義為：式中相對(duì)于基質(zhì)消耗的實(shí)際生長(zhǎng)得率(g/g,g/mol)；干細(xì)胞的生長(zhǎng)量(g)；基質(zhì)消耗量(mol,g)。對(duì)于氧，細(xì)胞得率系數(shù)為：第47頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六在培養(yǎng)過(guò)程中，細(xì)胞產(chǎn)生除二氧化碳和水之外，還產(chǎn)出產(chǎn)物。以消耗基質(zhì)的產(chǎn)物得率系數(shù)為式中,相對(duì)于基質(zhì)消耗的實(shí)際產(chǎn)物得率(g/mol,g/g)；產(chǎn)物生成量(mol,g)。9.2.2.2基質(zhì)消耗速率分批培養(yǎng)時(shí)，基質(zhì)的減少是因?yàn)榧?xì)胞和產(chǎn)物的生成。根據(jù)物料衡算有第48頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六如果限制性基質(zhì)是碳源，所消耗掉的碳源中一部分形成細(xì)胞物質(zhì)，一部分產(chǎn)生能量，一部分形成產(chǎn)物，則式中細(xì)胞生長(zhǎng)得率系數(shù)(g/mol)；(只用于細(xì)胞生長(zhǎng)所消耗基質(zhì)）

細(xì)胞的維持系數(shù)(mol/g.h)；

產(chǎn)物得率系數(shù)(mol/mol)。(只用于產(chǎn)物生成所消耗基質(zhì)）

維持系數(shù)是微生物菌株的一種特征值。對(duì)于特定的菌株、特定的基質(zhì)和特定的環(huán)境因素（如溫度、Ph值等）是一個(gè)常數(shù)，故又稱維持常數(shù)。維持系數(shù)越低，菌體的能量代謝效率越高。其定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)，因維持代謝消耗的基質(zhì)量：第49頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六式中，以基質(zhì)消耗為基準(zhǔn)的維持系數(shù)(mol/g.h)；細(xì)胞干重(g)；限制性基質(zhì)濃度(mol,g)；發(fā)酵時(shí)間(h)；表示維持(maintain)。維持常數(shù)定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)，因維持代謝消耗的基質(zhì)量：第50頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六和是對(duì)基質(zhì)(碳源)的總消耗而言，和則分別對(duì)用于(只用于)生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成所消耗的基質(zhì)而言。如果用比速率來(lái)表示基質(zhì)消耗和產(chǎn)物生成，則和分別為基質(zhì)比消耗速率和產(chǎn)物比生成速率，因此上兩個(gè)式子可改寫成：第51頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六若產(chǎn)物生成可以忽略不計(jì)，則可以合并，得細(xì)胞生長(zhǎng)得率和細(xì)胞維持系數(shù)是很難直接測(cè)量，而是很容易測(cè)出(利用連續(xù)培養(yǎng)法，很容易求出與關(guān)系）。只要測(cè)出細(xì)胞在不同比生長(zhǎng)速率下的就可以求出和方程組應(yīng)用的一個(gè)例子第52頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六５１０１５２０２５３０３５５４３２１DNA重組的大腸桿菌

與，m關(guān)系第53頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六·課程的敘述方法：

一、微生物發(fā)酵過(guò)程分型

二、分批培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

1.細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

2.基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)

3.產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)

三、連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

1.單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

2.多級(jí)串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

3.細(xì)胞循環(huán)使用單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

四、連續(xù)培養(yǎng)的實(shí)施第54頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2.3產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物生成情況比較復(fù)雜，對(duì)于三種發(fā)酵類型必須分別加以討論。Ⅰ.產(chǎn)物生成與細(xì)胞相關(guān)，產(chǎn)物生成速率為：式中，是以細(xì)胞為基準(zhǔn)的產(chǎn)物得率系數(shù)。Ⅱ.產(chǎn)物生成與細(xì)胞生長(zhǎng)部分相關(guān)，

與生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)的細(xì)胞生產(chǎn)能力；非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)的比生長(zhǎng)速率。第55頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

Ⅲ.產(chǎn)物生成與細(xì)胞生長(zhǎng)不相關(guān)聯(lián)。在細(xì)胞處于生長(zhǎng)期，無(wú)產(chǎn)物積累，當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)停止時(shí)，產(chǎn)物開始大量積累，其生成速率：若用比速率表示，則上式可寫成：式中，k是不穩(wěn)定產(chǎn)物的失活常數(shù)（限制性基質(zhì)特性）。第56頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六以上由細(xì)胞生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物生成的微分方程構(gòu)成的微分方程組。小結(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)：基質(zhì)消耗：或用基質(zhì)比消耗速率和產(chǎn)物比生成速率表示：第57頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六產(chǎn)物生成：Ⅰ.Ⅱ.Ⅲ.第58頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六小結(jié)上述方程反映了分批發(fā)酵過(guò)程中細(xì)胞、基質(zhì)和產(chǎn)物濃度的變化。對(duì)各種不同的微生物分批發(fā)酵過(guò)程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究這三參量的變化規(guī)律，建立適合的微分方程組，就可以對(duì)分批發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行模擬，進(jìn)行優(yōu)化控制，最終達(dá)到大大提高生產(chǎn)效率。第59頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六·課程的敘述方法：

一、微生物發(fā)酵過(guò)程分型

二、分批培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

1.細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

2.基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)

3.產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)

三、連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

1.單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

2.多級(jí)串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

3.細(xì)胞循環(huán)使用單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)

四、連續(xù)培養(yǎng)的實(shí)施第60頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.3連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)連續(xù)培養(yǎng)（連續(xù)發(fā)酵）是指在培養(yǎng)過(guò)程中，連續(xù)地向發(fā)酵罐中加入培養(yǎng)基，同時(shí)以相同流速?gòu)陌l(fā)酵罐排出含有產(chǎn)品的培養(yǎng)基。有兩種方式：罐式（或攪拌發(fā)酵罐）；管式反應(yīng)器。第61頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.3.1連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)分批培養(yǎng)中，微生物細(xì)胞群體都經(jīng)過(guò)五個(gè)階段：延遲期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、減速期、穩(wěn)定期和衰亡期。其實(shí)對(duì)特定微生物發(fā)酵過(guò)程，目標(biāo)產(chǎn)物只僅僅在某一個(gè)期間合成。如第Ⅰ型的發(fā)酵，產(chǎn)物積累出現(xiàn)在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期；而屬于第Ⅲ型的發(fā)酵，產(chǎn)物積累則在穩(wěn)定期。其它幾期是多余的，浪費(fèi)時(shí)間。同時(shí)分批培養(yǎng)中輔助時(shí)間很長(zhǎng)，所以設(shè)計(jì)了連續(xù)培養(yǎng)。優(yōu)點(diǎn)如下：提高設(shè)備利用率和單位時(shí)間產(chǎn)量，只保持一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)酵中各參數(shù)趨于穩(wěn)定，便于自動(dòng)控制。易于分期控制?？梢栽诓煌墓拗锌刂撇煌臈l件。還有多種分類：（以設(shè)備分類或控制方法分類）恒成分培養(yǎng)；恒濃度培養(yǎng)、循環(huán)式、非循環(huán)式、單級(jí)和多級(jí)連續(xù)培養(yǎng)等。第62頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.3.2單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)在進(jìn)行任何連續(xù)培養(yǎng)的開始，都要先進(jìn)行分批培養(yǎng)，讓微生物在接種后生長(zhǎng)繁殖達(dá)到一定細(xì)胞濃度，并進(jìn)入產(chǎn)物合成時(shí)期，然后才開始以恒定的流量向發(fā)酵罐加入培養(yǎng)液，同時(shí)以同樣的流量排放出培養(yǎng)液，使發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)液的體積保持恒定，微生物能持續(xù)生長(zhǎng)并合成產(chǎn)物。如果在發(fā)酵罐中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，則培養(yǎng)液中各處的組分均勻，與流出液的組分相同，即為連續(xù)流動(dòng)攪拌發(fā)酵罐。第63頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六各種物質(zhì)的物料平衡按下式計(jì)算：流入速率=流出速率+消耗速率+積累速率由于加入的培養(yǎng)基中不含有細(xì)胞，因此有式中：液體流量(m3/s)；發(fā)酵罐培養(yǎng)液體積(m3)；因細(xì)胞生長(zhǎng)造成的細(xì)胞濃度變化率；培養(yǎng)液中細(xì)胞濃度變化率。第64頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六上式可以整理成：式中流量與培養(yǎng)液體積比稱為稀釋率，用D表示單位為1/s,其含義是單位時(shí)間內(nèi)加入的培養(yǎng)基體積占發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)基體積的分率；D的倒數(shù)t表示培養(yǎng)液在發(fā)酵罐內(nèi)的平均停留時(shí)間（s）。因此第65頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六開始連續(xù)培養(yǎng)一段時(shí)間，（大約為平均停留時(shí)間的3~5倍）以后，過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。培養(yǎng)液中的細(xì)胞、基質(zhì)和產(chǎn)物濃度保持恒定，不再隨時(shí)間變化。所以連續(xù)培養(yǎng)亦稱恒化培養(yǎng)。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，，。單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)的一個(gè)重要特性，就是進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率與稀釋率相等。此外分批培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率是無(wú)法人為控制的；而連續(xù)培養(yǎng)時(shí)，穩(wěn)態(tài)下細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率可以通過(guò)改變培養(yǎng)基的流量速率而加以改變。但稀釋率的大小有一定的限制。即有一個(gè)臨界稀釋率。第66頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六前面講分批培養(yǎng)中細(xì)胞動(dòng)力學(xué)時(shí)，進(jìn)入“減速期”,即接近穩(wěn)定態(tài)時(shí)有一個(gè)Monod方程(或米氏方程)第67頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2.1.3減速期經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞的大量繁殖，培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)迅速消耗，有害物質(zhì)逐漸積累，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率逐漸下降，進(jìn)入減速期。無(wú)抑制性基質(zhì)時(shí)式中:S限制性基質(zhì)濃度;Km飽和常數(shù)。該式稱Monod方程式，是經(jīng)驗(yàn)公式。當(dāng)限制性基質(zhì)濃度很低時(shí)，增加基質(zhì)濃度可以提高細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率；但，若限制性基質(zhì)濃度接近Km時(shí)，再增加其濃度就不能提高比生長(zhǎng)速率。第68頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六若假設(shè)加入的限制性基質(zhì)濃度為S0，則臨界稀釋率：若稀釋率超過(guò)臨界稀釋率，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率小于稀釋率，隨著時(shí)間的延續(xù)，細(xì)胞的濃度不斷降低，最后細(xì)胞從發(fā)酵罐中被洗清。當(dāng)時(shí)，發(fā)酵罐中限制性基質(zhì)的穩(wěn)態(tài)濃度為第69頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六關(guān)于限制性基質(zhì)，可以有以下物料平衡關(guān)系：式中因細(xì)胞消耗造成的限制性基質(zhì)濃度變化率；培養(yǎng)液中限制性基質(zhì)變化率。經(jīng)整理得：第70頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六細(xì)胞的生產(chǎn)速率為：穩(wěn)態(tài)時(shí)，發(fā)酵罐中的細(xì)胞濃度為：方程組應(yīng)用的一個(gè)例子（9.35）此時(shí)（即穩(wěn)態(tài)時(shí)），D=第71頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖9-5是S0=10g/L,μ=1h-1(2.78x10-4s-1),Yx/s=0.5kg細(xì)胞/kg基質(zhì)，Ks=0.2g/L時(shí)，細(xì)胞濃度X、限制性基質(zhì)S、細(xì)胞生產(chǎn)率DX與稀釋率、D（h-1）的關(guān)系。當(dāng)d(DX)/dD=0,即時(shí)，細(xì)胞的生產(chǎn)速率最大，為如果，則（9.39）第72頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第73頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六有的微生物連續(xù)培養(yǎng)的結(jié)果會(huì)與圖9-5所示情況發(fā)生差異。例如，當(dāng)限制性基質(zhì)為碳源時(shí)，消耗的碳源中有一部分用于能量釋放以供細(xì)胞維持生命活動(dòng)之需，因此在低稀釋率時(shí)，細(xì)胞濃度明顯偏低（圖9-6(a)）。以氮或硫?yàn)橄拗菩曰|(zhì)時(shí)，細(xì)胞在低稀釋率下可能積累多糖、脂肪或β-羥基丁酸，細(xì)胞濃度會(huì)偏高（圖9-6(b)）。以鎂、磷或鉀作為限制性基質(zhì)時(shí)，與上述情況類似，只是起因不一樣（圖9-6（c））。在復(fù)合培養(yǎng)基時(shí)，往往難以確定哪一種是限制性基質(zhì)，并且隨著比生長(zhǎng)速率的變化，限制性基質(zhì)可能發(fā)生改變。因此細(xì)胞濃度隨稀釋率增大而下降（圖9-6(d)）。第74頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第75頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六關(guān)于產(chǎn)物，有如下物料恒算式：式中由細(xì)胞合成產(chǎn)物引起的產(chǎn)物濃度變化率[kg/(m3s)];培養(yǎng)液中產(chǎn)物濃度變化速率[kg/(m3s)];當(dāng)連續(xù)培養(yǎng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí),且加料中不含產(chǎn)物P0=0時(shí)第76頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.3.3多級(jí)串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)把多個(gè)發(fā)酵罐串聯(lián)起來(lái),第一罐的情況與單罐培養(yǎng)相同,以后下一罐的進(jìn)料便是前一發(fā)酵罐的出料,這樣就組成了多級(jí)串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)。第77頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第78頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六如果各級(jí)發(fā)酵罐的培養(yǎng)體積相同,并且第二級(jí)以后的各級(jí)發(fā)酵罐中不加新培養(yǎng)基,那么根據(jù)各級(jí)發(fā)酵罐的物料平衡,可得出穩(wěn)態(tài)下個(gè)發(fā)酵罐中的細(xì)胞濃度、比生長(zhǎng)速率、限制性基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí):第79頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六由于前一級(jí)發(fā)酵罐流出液中的限制性基質(zhì)濃度已經(jīng)有所下降，因此在后一級(jí)發(fā)酵罐中細(xì)胞的增長(zhǎng)就不多了，這樣從第二級(jí)開始，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率不再與稀釋率相等。在第二級(jí)發(fā)酵罐中細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率為：根據(jù)Monod方程：（9.47）（9.48）（9.49）第80頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六合并式（9.35）、（9.47）、（9.48）和（9.49）可得解此方程可得第二級(jí)發(fā)酵罐中穩(wěn)態(tài)時(shí)限制性基質(zhì)濃度，再有式（9.48）確定。第81頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.3.4細(xì)胞循環(huán)使用的單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)時(shí)，有細(xì)胞循環(huán)使用和不循環(huán)使用兩種方法。經(jīng)連續(xù)培養(yǎng)后，流出的培養(yǎng)液進(jìn)行固液分離，經(jīng)濃縮后的細(xì)胞懸浮液再被送回發(fā)酵罐中，也稱為細(xì)胞回流的連續(xù)培養(yǎng)（圖9.8）。第82頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六FS0(1+α)FXFαF,cX圖9.8細(xì)胞回流的單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)示意圖第83頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期六