第五章 微生物反应动力学

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第五章微生物生长动力学

第五章微生物生长动力学

max
S1 K S1 S1
S2 KS2 S2
X
带有两个生长期 两种碳源(S1和S2) 的二次生长
S1
S2
4、环境对生长的影响
微生物的发育、生长及代谢等物理学性质 受到各种环境条件的促进或阻碍的影响 很大。可以说,培养工程的主要问题是 控制环境因素,使所培养的微生物反应 成为最合适。
(1)温度
大多数情况下生长是以物质的增加来衡
量的,因而符号 μ 得到应用。μX 为单
位体积生长速率。
对上式积分得: 若μ为常数,则:
此式可在△t=td时求得,td即在X2=2X1时所需时间,
于是
td=ln2/μ=0.693/μ
例5-1 某微生物的μ=0.125 h-1 ,求td。 解: td=ln2/μ= 0.693/0.125=5.544 h
③ 细胞的生长视为简单的单一反应,细胞得率 为一常数。
细胞的比生长速率与限制性基质浓度 的关系
S
当限制性基质浓度很低时,S << Ks,此 时若提高限制性基质浓度,可以明显提 高细胞的生长速率。此时有:
max S
KS
细胞比生长速率与基质浓度为一级动力学关系。
当S >> Ks时,μ=μm,若继续提高基质 浓度,细胞生长速率基本不变。此时细 胞的比生长速率与基质浓度无关,为零 级动力学特点。
细菌的最适pH一般在中性或微碱性范围 (6.5~8.0),霉菌、酵母的最适pH为微 碱性(4.0~6.0)。但是,乳酸菌、醋酸 菌等产酸菌例外,他们对低pH有抗性。
(3)氧及氧化还原电位
氧以溶解于水的状态(溶解氧dissolved oxygen, 简称:DO)被微生物利用。微生物的生长随 溶解氧浓度的变化而变化。DO水平低到用氧 电极难以检定的程度时,以培养基的氧化还 原电位Eh来代替DO。因为在一定的pH下, 溶解氧水溶液的Eh与DO的对数成比例。对于 厌氧菌,用Eh表示氧的动态,更为正确。

微生物反应动力学及过程分析

微生物反应动力学及过程分析

在有氧、无氧条件下均能生活。如酒精酵母,在缺氧条 件下进行厌气性发酵积累酒精,而在有氧条件下则进行好 氧发酵,大量繁殖菌体细胞。
• 生物反应类型: • 简单反应:以酶、固定化酶、细胞、固定 细胞等为催化剂。 • 复杂反应:以增殖细胞为催化剂,将培养 基转化为新的细胞和代谢产物。 • 生物反应动力学以反应过程的物料平衡为 基础,研究细胞生长、底物(营养物)消 耗和产物生产率之间的关系和特点。
• (4)反复半分批式操作 流加操作完成后,取出 部分反应系,剩余部分重新加入一定量底物, 再按流加式操作进行。 • (5)连续式操作 反应开始后,一方面把底物连 续地供给到反应器中,另一方面又把反应液连 续不断地取出,使反应条件不随时间变化。
5.2.1分批发酵法
• 发酵工业中常见的分批方法是采用单罐 深层培养法,每一个分批发酵过程都经 历接种,生长繁殖,菌体衰老进而结束 发酵,最终提取出产物。 • 这一过程中在某些培养液的条件支配下, 微生物经历着由生到死的一系列变化阶 段,在各个变化的进程中都受到菌体本 身特性的制约,也受周围环境的影响。
P200
• 由上可知: • YX/S 是对于全部消耗的碳源为基准的细胞 得率系数;YG是以用于生长所消耗的碳源 为基准的细胞得率系数;Y'G则是以用于生 长中产生能量的那部分碳源为基准的细胞 得率系数。
• 如果随细胞生长有产物形成:则由
• (-ΔS)=(-ΔS)M+(-ΔS)G+(-ΔS)A+(-ΔS)P
• 如果各种营养物质均大大过量的话,则μ =μ m, 这时便是指数生长期。也就是说,处于指数生 长期的微生物,其生长繁殖不受营养物质的限 制,因而具有最大比生长速率。如果发酵的目 的是为了获得微生物菌体的话,则应尽量设法 维持指数生长期。

微生物生长反应动力学

微生物生长反应动力学

微生物生长反应动力学
微生物生长反应动力学是研究微生物在特定环境条件下,生长速率与环境因素之间的关系的学科。

这一领域的研究主要涉及到生长速率的定量描述和预测,以及微生物对环境因素的敏感性分析。

微生物生长反应动力学的研究内容广泛,包括微生物生长速率的测定方法、微生物生长方程的建立和应用、微生物生长受限因素的分析以及微生物代谢路径调控等方面。

通过对微生物生长反应动力学的研究,可以为微生物生产和环境保护等领域提供重要的理论指导和应用基础。

- 1 -。

生化工程第五章微生物培养及发酵动力学

生化工程第五章微生物培养及发酵动力学

转化为CO2的碳为72-48=24(g) 故: 12e=24 e=2 解平衡方程中其他未知数,得: b=0.78; d=3.85; 故平衡方程为: C6H12O6+1.47O2+0.78NH3 →0.91(C4.4OH7.3N0.86O1.2)+3.85H2O+2CO2 a=1.47
YX/S=0.91×(12×4.4+16+7.3+14×0.86+16×1.2) / 180=0.46(g/g)(以细胞/葡萄糖计)

注:
1 )一般情况下,在微生物生长的各阶段,细 胞增值规律均符合指数生长定律,但μ值随 时间变化; 2)在指数生长期,μ值达最大μm ,且保持稳 定;其他生长期, μ值随时间变化。 3)表示微生物生长快慢的另一方法: 倍增时间td:菌体细胞质量增加一倍所需的时间 td =0.693/μ
例: 以乙醇为碳源进行产气杆菌培养,菌体初 始浓度X0=0.1kg/m3,培养至3.2h,菌体浓 度为8.44kg/m3 ,若不考虑延迟期, 而且μ 一定,求td
Monod方程的参数求解(双倒数法): Ks与μm
max
S Ks S
将Monod方程取倒数可得:
Ks 1 m m S 1 1
或:
S


S
m

m
Ks
这样通过测定不同限制性基质浓度下,微生物的比 生长速度,就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个 参数。
例:在一定条件下培养大肠杆菌,得如下数据:
第二节
微生物反应过程的得率系数
研究得率系数的意义: 对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力 进行定量评价的重要参数。 分为以下几类:
部分菌体得率与产物得率
得率 定义单位
YX/S消耗1g或1mol基质获得的干菌体克数,g/g, g/mol YATP消耗1molATP获得的干菌体克数,g/mol YKJ消耗1KJ热量获得的干菌体克数, g/KJ YX/O消耗1gO2获得的干菌体克数,g/g YX/H 1mol氢受体产生的干菌体克数,g/mol YX/N 消耗1g氮产生的干菌体克数,g/mol YX/NO3-消耗1mol NO3-获得的干菌体克数,g/mol YCO2/S消耗1mol基质产生的CO2的摩尔数,mol /mol YCO2/O消耗1mol O2产生的CO2的摩尔数,mol /mol YATP/S消耗1mol基质获得的ATP的摩尔数,mol /mol

微生物反应动力学

微生物反应动力学
细胞,或细胞结构较为简单的多细胞,或没有细胞结构的 低等生物的通称。
• 不具细胞结构:病毒、类病毒、朊病毒 • 原核微生物:细菌、放线菌、立克次氏体、支原体、衣原体、蓝细菌
等; • 真核微生物:酵母菌、霉菌、担子菌、藻类等.
Eubacteria (真细菌界)
Archaebacteria (古细菌界)
2.1 研究计量学的目的及计量学特点
ADP ATP
碳源 能源、细胞材料
中间产物 丙酮酸
ATP ADP
ATP ADP
构成细胞材料 氨基酸、核苷酸等
细胞
厌氧
代谢产物 乙醇、CO2
异化 好氧
(H)
H2O
最低培养基时微生物对碳源的利用
细胞材料 氨基酸等
碳源 能源
ATP ADP
异化
中间产物 丙酮酸
ATP ADP
Eukarya (真核生物界)
Carl Woese利用 rRNA建立分子进化树
分类单元及其等级
域 (Domain) 界 (Kingdom)
根据Carl Woese的 理论,现在还在界之
门 (Phylum)
上使用域(domain)
纲(Class) 目(Order) 科(Family)
把全部生物先分为古 生菌域、细菌域和真 核生物域;只有真核 生物域下再分为原生
2.4 细胞反应过程中的得率系数
细胞反应过程中两种速率之比,得率系数可用于对细 胞反应过程中碳源等物质生成细胞或其它产物的潜力进行
定量评价,最常用的得率系数有对底物的细胞得率Yx/s, 对碳的细胞得率Yc,对氧的细胞得率系数Yx/O等。
对底物的细胞得率Yx/s 消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长

生物反应动力学

生物反应动力学

生物反应动力学•一、微生物生长动力学•1、生长速率γx=dX/dt=μX;(1)式中,X为菌体浓度,g·L-1;μ为比生长速率,h-1;【例题】以乙醇为唯一碳源进行产气气杆菌培养,细胞初始浓度X0=0.1kg/m3,培养至3.2h,细胞浓度为8.44kg/m3,如果不考虑延迟期,比生长速率一定,求倍增时间td。

【解】dX/dt=μX (1)当t=0,X=X0,积分(1)得lnX=μt+lnX变形为ln(X/X0)=μt (2)倍增时间是指X/X0=2所需时间,因此ln2=μtd(3)由(2)和(3),可得到t d=............= 0.5(h)•练习•下面为某微生物的生长数据,求此微生物的μ,1小时和2小时时候的生长速率。

•时间/h 0 0.5 1.0 1.5 2.0•细胞干重/(g/L) 0.1 0.15 0.23 0.34 0.512、生长的非结构模型确定论的非结构模型,是一种理想状况,不考虑细胞内部结构,每个细胞之间无差别,细胞群体作为一种溶质;•目前,常使用确定论的非结构模型是Monod方程•μ=μmax[S]/(K s+[S]) (2)•式中,μmax是最大比生长速率,[S]是某限制性营养物的浓度,K s为基质利用常数,相当于μ=μmax /2时的基质浓度.g·I-1,这是菌对基质的亲和力的一种度量。

【例题】乙醇为唯一碳源进行面包酵母培养,获得如下数据:[S]/(g/L) 0.4 0.33 0.18 0.10 0.07 0.049 0.038 0.020 0.014μ/(h-1) 0.161 0.169 0.169 0.149 0.133 0.135 0.112 0.0909 0.0735求μmax 和KS。

•3、基质消耗动力学•以菌体得率为媒介,可确定基质的消耗速率与生长速率的关系。

基质的消耗速率γS可表示为•-γS=d[S]/dt=γX/Y X/S (3)•基质的比消耗速率指基质的消耗速率除以菌体的量,以q S来表示,即qS=γS/X (4)•-q S=μ/Y X/S (5)•【例题】葡萄糖为唯一碳源进行酵母培养,反应式为:• 1.11C6H12O6+2.10O2→C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O•μ为0.42h-1,求(1)Y X/S,(2)基质的比消耗速率•练习:•在啤酒酵母的生长试验中,消耗了0.2kg葡萄糖0.0672kgO2,生成0.0746kg酵母细胞和0.12lkg CO2,请计算酵母得率YX/S•μ由Monod 方程表示时,(5)式可变形为:•-q S =(-q S ,max )[S]/(K S +[S]) (6)•当以氮源、无机盐类、维生素等为基质时,由于这些成分只能组成菌体的构成成分,不能成为能源,Y X/S 近似一定,所以式(6)能够成立,但当基质既作为能源又是碳源时,就应考虑维持代谢所消耗的能量。

发酵工程(5)第五章 微生物发酵过程原理

发酵工程(5)第五章 微生物发酵过程原理

Yx / s
dX dS
➢ 若△S是只与细胞生长有关的那部分基质消耗(不包 括维持代谢和产物合成消耗),则:
Ygs
X
S G
Ygs——相对于基质消耗的纯生长得率,是理论生长得率。
dX ➢ 菌体生长速率
x
dt ➢ 菌体比生长率()
菌体比生长率( ,g(或mo1)/g菌体·h)——每克 菌体在一小时内合成菌体的量,它表示细胞合成 菌体的速度或能力。
维持代谢——用于维持的物质代谢。维持代谢没有物质
的净合成,是完全用于产生能量的分解代谢。
维持因素——单位质量干菌体在单位时间内因维持代
谢消耗的基质量。
ms
1 X
dS dt
M
ms——以基质消耗为基准的维持因素,mol/(g·h); X——菌体干重, g; S——基质量, mol; t——发酵时间, h.
1 dX
X dt
➢ 产物得率 产物得率——指每消耗1g(或mo1)基质所合成的
产物g数(或mol数)。
实际产物得率
Yp / s
P S
理论产物得率 (常数)
Yps
P
S P
➢ 产物生产速率
p
dP dt
CO2
dCO2 dt
➢产物比生产率
产物比生产率(qP,g(或mo1)/g菌体·h)—— 每克菌体在一小时内合成产物的量,表示细胞
m
pj j 1
dPj dt
dO2 dt
r是化合物完全燃烧需氧量(mol/mol)
进行当量归一化处理,并取比变化率形式,得:
呼吸需氧量
sqs x pqp qO2
净消耗的基质完 全燃烧需氧量
净生成的菌体完 净生成的产物完 全燃烧需氧量 全燃烧需氧量

微生物生理生化反应动力学研究

微生物生理生化反应动力学研究

微生物生理生化反应动力学研究当我们在日常生活中使用乳酸菌、酵母菌等微生物制作饮料或者面包等食品时,常常不注意到微生物内部发生了怎样的生理生化反应。

而这些反应往往是微生物产生效应的重要因素。

因此,微生物生理生化反应动力学研究成为了当前微生物学领域的一个重要分支。

一、微生物动力学背景1. 微生物在日常生活和工业生产中的应用微生物是一类对人类生活和工业生产具有重大影响的生物。

除了生态环境方面的应用(如水土保持、生态修复和资源再生等),微生物在食品、制药、环境保护、能源等领域也有着广泛应用。

例如,乳酸菌用于制造酸奶;酵母菌用于制造啤酒;细菌用于制造干酪等。

2. 微生物动力学的研究背景微生物动力学是微生物生理学的一个重要分支。

它研究微生物种群的生长和代谢动力学,包括微生物种群动态平衡、生长速率和细胞分裂周期等方面。

这些研究有助于探究微生物群体的行为规律,从而开拓微生物的应用领域,提高其产业化和经济效益。

二、微生物生理生化反应动力学研究的核心内容1. 微生物的代谢反应微生物的代谢反应是微生物内部发生的生化反应。

根据其耗氧量和CO2排放量的不同,可以分为变硫菌、光合细菌、厌氧细菌、好氧细菌等类型。

例如,厌氧细菌常常是在无氧环境下进行代谢反应的,其代谢路径是不同于好氧细菌的。

2. 微生物的生长动力学微生物的生长动力学研究是微生物学的一个重要分支。

它探究微生物种群的生长速率和生长周期等参数。

由于微生物生态系统复杂,因此需要考虑人工选药、背景群与生态群、营养、温度等因素。

根据不同生长因素,生长动力学分为单因素生长动力学和综合生长动力学。

3. 微生物酶动力学微生物酶动力学研究是关于微生物体内酶反应的研究。

它研究酶的特性、酶的功能、酶的组成和酶的操作等。

例如,我们在制作酒、醋、酱油等发酵食品时经常使用的酸性蛋白酶,就是一种酶动力学方面研究的对象。

三、微生物生理生化反应动力学研究的意义1. 微生物动力学是应用微生物学的重要基础微生物在食品、制药、环境保护、能源等领域具有广泛应用。

微生物反应动力学

微生物反应动力学

4 微生物反应动力学教学基本内容:微生物反应的特点;微生物反应的质量衡算,包括碳素衡算、碳源衡算、氧衡算;微生物反应的能量衡算。

微生物反应动力学,包括生长动力学、基质消耗动力学和产物生成动力学4.1 微生物反应的特点4.2 微生物反应过程的质量与能量衡算4.2.1 碳素衡算4.2.2 碳源衡算4.2.3 氧衡算4.2.3 能量衡算4.3 微生物反应动力学4.3.1 生长动力学4.3.2 基质消耗动力学4.3.3 产物生成动力学授课重点:1. 微生物反应与酶促反应的比较。

2. 微生物反应式及微生物反应平衡式的概念。

3. 菌体实验化学式的概念与测定方法。

4. 微生物反应中的动力学变量。

5. 微生物反应的得率系数的概念。

6. 微生物反应的维持常数的概念。

7. 碳素衡算。

8. 碳源衡算。

9. 氧衡算。

10. 能量衡算。

11. 莫诺方程。

12. 产物的Gaden模型。

难点:1. 微生物反应涉及到的动力学变量和参数远多于酶促反应。

2.微生物反应过程中碳源衡算、氧衡算和能量衡算间的关系。

3. 自由能消耗对菌体得率Y KJ的计算。

本章主要教学要求:1. 理解微生物反应与酶促反应的区别。

2. 掌握菌体实验化学式的测定方法。

3. 掌握微生物反应式中系数的确定方法。

4. 掌握微生物反应中动力学变量及参数的数学定义。

5. 理解碳素衡算式。

6. 理解碳源衡算式。

7 理解氧衡算式。

8. 理解碳源衡算与氧衡算、能量衡算之间的内在联系。

9. 掌握有效电子转移的概念,掌握Y KJ的计算方法。

10. 了解生长模型的分类。

11. 理解莫诺方程与米氏方程的区别。

掌握莫诺方程中动力学参数的测定方法。

12. 理解产物的Gaden模型。

4 微生物反应动力学19世纪生物学家巴斯德坚持由糖变为酒精的发酵过程是由细胞产生的,而毕希纳却发现磨碎了的酵母仍能使糖发酵产生酒精,认为发酵是由活细胞产生的非生命物质引起的,称为酶。

可见微生物反应与酶促反应在催化作用的实质看是一致的。

微生物反应动力学

微生物反应动力学

•6500万年前 恐龙突然灭迹,小型脊椎动物和哺乳动物得以繁衍;
•600∼700万能前 古猿人与古人类分离;
•50万年前
周口店北京直立人出现;
•30-10万年前 非洲智人出现(Nature,03.06.12);
•2万年前
周口店山顶洞人(Homo sapiens)出现;
•公元前221
秦始皇统一中国(至今才百代);
基质 (碳源)
细胞
产物
•方法: 用数学模型定量地描述生物反应过程中细 胞生长速率、基质利用速率和产物生成速 率等因素变化,达到对反应过程有效控制。
已发展出好几种动力学模型,我们介绍一 种“发酵过程动力学分型”。
·课程的叙述方法:
一、微生物发酵过程分型 二、分批培养动力学
1. 细胞生长动力学 2. 基质消耗动力学 3. 产物生成动力学 三、连续培养动力学 1.单级连续培养动力学 2.多级串联连续培养动力学 3.细胞循环使用单级连续培养动力学 四、连续培养的实施
• 目的:
微生物工程的基本任务是高效地利用 微生物所具有的内在生产力,以较低的 能耗和物耗最大限度地生产生物产品, 因此必须对微生物反应的整个过程实现 有效的控制。微生物动力学为这一目的 提供了部分理论依据。
•内容:
微生物反应动力学是研究生物反应速度 的规律,即细胞生长速率、基质利用速 率和产物生成速率的变化规律。
菌高碳峰产 。
1.细菌生长类型(指终产物就是菌
体源物 生利形
体本身); 如酵母、蘑菇菌丝、苏 云金杆菌等的培养。
长 用成
细菌产量/碳源消耗—“产量常数”
、、
2.代谢产物类型;指产物积累与
同时出
菌体增长相平行,并与碳源消耗
现高峰

发酵工程工艺原理:5微生物发酵动力学

发酵工程工艺原理:5微生物发酵动力学
Ks=0.02(kg/m3)
μm=0.18(h-1)
微生物在一个密闭系统中的生长情况:
菌体浓度
减速期
平衡期 衰亡期
延迟期
对数生长期
时间
延迟期:dx 0 dt
对数生长期: max
倍增时间:td 减速期: d 0
dt 平衡期:dx 0 ; X Xmax
dt
衰亡期: dx 0 dt
二、分批培养中基质消耗动力学
基,接种微生物,通过其代谢活动,使发酵原料转化成发 酵产品。有表面发酵和深层发酵两种形式。
深层发酵:是微生物的菌体或菌丝体均匀分散在液体培养
基中,通过向培养液强制通气或不通气以及搅拌进行产物 合成。
优点:设备占地面积少,生产规模大;发酵速度快,生产
效率高;生产机械化,易于自动控制,劳动生产率高;发 酵设备密闭,传热传质良好,生产便于管理;副产物少, 有利于产品提取,所得产品质量高。
若D>μ,则dX/dt<0,系统内细胞浓度不断减
少,营养物的消耗也减少,从而S增大,μ随之
上升,直至μ= D。
二、限制性营养物的物料衡算
流入的 流出的 用于菌体合 积累的 营养物 - 营养物 - 成的营养物 = 营养物
F S 0 F S X dS
V
V
YX / S dt
S0、S—流入和流出的营养物浓度(g/L) YX/S—细胞得率系数(g/g营养)
固态发酵
优点:设备简单,能耗低,原料粗放,不易污染, 产物回收所耗溶剂和所生废水均少。
缺点:设备占地面积多,劳动强度大,传质和传 热困难,副产物多,培养过程中进行检测困难。
现状:随着设备和技术改善更新,问题逐步被解 决,以上缺陷已不是严重问题。
2.液体发酵生产 液体发酵是将发酵原料制成液体培养

第五章发酵动力学

第五章发酵动力学

率μmax,相当于分批培养的减速期。
A点:限制性基质浓度到达A点时,比生长速
μmax 和Ks的求解
微生物反应动力学
(1)Monod方程建立的基本假设
微生物生长中,生长培养基 中只有一种物质的浓度(其 它组分过量)会影响其生长 速率,这种物质被称为限制 性(生长)基质。并且认为微 生物为均衡生长且为简单的 单一反应。
根据这些假说,μ仅取决于 限制性基质的浓度S,此时, 微生物生长速率随着限制性 基质的浓度的变化而呈抛物 线型变化
(3)Monod方程的解析(Monod model )
温度和pH恒定时,对于某一特定培养基组分的浓度S,
Monod方程为∶
max
S Ks
S
式中: max称为最大比生长速率(h-1),Ks称为半饱和常 数(g/L),表示( μ=1/2μmax)时限制营养物浓度。
Monod方程
Ks,微生物对底物的半饱和常数,与亲和力成反比。 当μ= 1/2μmax,S=KS 当S<< KS,基质浓度很低时,
(2)
3、生长的非结构模型
根据T suchiya理论可分类 确定论的非结构模型 确定论的结构模型 概率论的非结构模型 概率论的结构模型 从工程角度看,理想的微生物生长模型应具备下列条件 要明确建立模型的目的 明确地给出建立模型的假定条件 希望所含有的参数,能够通过实验逐个确定 模型应尽可能地简单
有各自的最佳反应条件。 (2)微生物反应有多种代谢途径。 (3)微生物反应过程中,细胞形态、组成要经历生长、繁
殖、维持、死亡等若干阶段,不同菌龄,有不同的活性。
二、微生物反应动力学的描述方法
细胞生长动力学 反应基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 发酵过程:包括细胞内的生化反应,胞内与胞外的物
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菌体的生长比速:
dx
(h-1)
dt X
每克菌体在一小时内的生长量,它表示细胞繁殖的 速度或能力。
产物的形成比速: dp
(h-1)
dt X
每克菌体在一小时内合成产物的量,它表示细胞合
成产物的速度或能力,可以作为判断微生物合成代
谢产物的效率。
得率(或产率,转化率,Y):指被消耗的物质和所合 成产物之间的量的关系。包括生长得率(Yx/s)和产物 得率(Yp/s)。 生长得率:是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源) 所产生的菌体重(g),即Yx/s=ΔX/一ΔS。 提高微生物生长得率的措施: 1 要筛选优良的菌种,其本身就应具备高的生长得率。 2 要选择合适的培养基配方,提供略微过量的其它营 养物质,使碳源成为最终的限制性物质。 3 还须选择和控制合适的培养条件,使得微生物的代 谢按所需方向进行。 4 在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染。
细胞所生存的环境恶化,细胞开始死亡,活细胞数量不断 下降。
二 细胞生长速率与底物浓度的关系
1、莫诺方程 当培养液中不存在抑制细胞生长的物质时,细胞的生长速
率是限制性底物浓度 s 的函数:
dx f s
dt
莫诺方程(Monod):
s m Ks s
描述比生长速率与单一限制性底 物之间的关系。
——比生长速率,hr-1 Ks——细胞对底物的半饱和常数,g/L s——单一限制性底物的浓度,g/L
x
x x0 et 或
x 1 dx
t
dt
x0 x
0
x ln t
x0
③世代时间td:
也称倍增时间(doubling time),是细胞浓度增长一倍 所需要的时间,也即细胞分裂一次,繁殖一代所用的时间。
t=0开始至t=td,即经过一个世代时间,细胞繁殖一代,细
胞浓度 x 由 x0 变为 2x0:
x ln x0 mt
ln 2 代入 td
x x0 et
世代数n
t n
td
得: x x0 2n
3、减速期 细胞大量繁殖,培养基中的营养物质迅速消耗,同时有害代
谢产物开始积累,细胞的生长速率逐渐下降,进入减速期。
比生长速率不再是最大常数,而是逐渐减小。
4、静止期
营养物质耗尽或有害代谢产物的大量积累,使细胞比生长速 率下降至0,细胞浓度达到了最大值,并且不再增加。 5、衰亡期
▪ 如果在发酵罐中进行搅拌,则培养液中各 处的组成相同,与流出液的组成也相同。 各种物质的物料平衡可按下式计算:
▪ 流入速率=流出速率+消耗速率+累积速率
对连续培养系统进行物料衡算:
⑴对菌体细胞:
积累的细胞=(进入-流出)细胞+(生长-死亡)细胞
dx V dt F(x0 x) V( )x
▪ 对于细胞的浓度x的变化而言,在分批培养中要 经历延迟期、对数生长期、减速期、稳定期和衰 亡期各阶段。
▪ 在发酵工业生产中,使用的种子应处于对数生长 期,把它们接种到发酵罐新鲜培养基时,几乎不 出现调整期,这样可在短时间内获得大量生长旺 盛的菌体,有利于缩短生产周期。
▪ 在研究和生产中,时常需要延长细胞对数生长阶 段。
▪ 对于特定的微生物而言,其比生长速率μ只与三个因 素有关。限制性营养物质的浓度S、最大比生长速率 μm、底物相关常数Ks。
▪ 假定营养物质进入细胞后,立即被利用而不积累,则 存在以下关系式:
Ks —底物相关常效,即μ为 1/2μm时限制性营养物质的 浓度。
▪ 如果各种营养物质均大大过量的话,则μ=μm, 这时便是指数生长期。也就是说,处于指数生 长期的微生物.其生长繁殖不受营养物质的限 制,因而具有最大比生长速率。如果发酵的目 的是为了获得微生物菌体的话,则应尽量设法 维持指数生长期。
(二)指数生长期
▪ 对细菌、酵母等单细胞微生物来讲,单位时 间内其细胞数目将成倍增加。
▪ 而对于丝状微生物而言,单位时间内其生物 量将加倍。
▪ 此时,如以细胞数目或生物量的对数对时间 作一半对数图,将得一直线,因而这一时期 称作指数生长期。
指数生长期细胞特点
▪ 细胞保持均恒生长。 ▪ 不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质,
并不断向培养基中分泌代谢产物。 ▪ 由于此时培养基中的营养成分远远过量,且积累
的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖, 因而微生物的生长速率不受这些因素的影响,而 仅与微生物本身的比生长速率μ及发酵液中的生 物量浓度X(g/L)相关。
▪ 对于单细胞的微生物来说,还可进一步简化为
N—培养基中的细胞密度。
三、第III型
▪ 这一型的特点是产物形成一般在菌体生长接 近或达到最高生长时期,即稳定期,产物形 成与碳源利用无准量关系,产量远低于碳源 的消耗量。所以也称与生长不相关型。如抗 生素和维生素的发酵属于此类。
第二节 分批培养动力学
▪ 分批培养:指的是一次投料,一次接种,一次收获 的间歇培养方式。这种培养方式发酵液中的细胞 浓度、基质浓度和产物浓度均随时间不断变化。
①比生长速率:
细胞以自我复制的方式繁殖,培养液中细胞浓度越大,其 增长速率也就越大,即细胞的生长速率与细胞浓度成正比:
dx rx dt x
x——细胞浓度,g/L
微生物的基本生长动力学方程
1 dx x dt
比生长速率为单位质量的细胞在单位时 间内的增量。
注意:生长速率&比生长速率
影响比生长速率的因素:
dx — 细 胞的 积 累速 率 dt x — 细 胞生 长 速率 x — 细胞死亡速率 —细胞比死亡速率
①加入的新鲜培养液中不含细胞,x0=0; ②比死亡速率比细胞比生长速率小得多;
③培养液体积V不变;
dx F
F
x x ( )x
dt V
V
( D)x
稀释率D:培养液流率F与培养液体积V的比值,F/D,hr-1
▪ 连续培养一般分两种方式:一种是罐式或搅拌发 酵罐,另一种是管式反应器。
一、连续培养的优点
▪ 在分批培养中,微生物要经过延迟期、对数 生长期、减速期、稳定期和衰亡期五个时期, 但对特定的发酵产物合成仅在一个时期,其 余时期都是多余的。
▪ 连续培养与分批培养相比有许多优点:
▪ 1 可以使发酵过程保持在一个期的稳定状态, 提高设备的利用率和单位时间产量。
Ks:细胞比生长速率达到最大值一半时所需要的底物浓度
莫诺方程的应用前提条件:
①细胞的生长为均衡生长,描述细胞生长的唯一变量是 细胞的浓度。 ②培养基中只有一种底物是生长限制性因素。 ③细胞的生长视为简单的单一反应。
2、莫诺方程的分析
①s<Ks时,增加底物浓度可以 明显的提高细胞的比生长速率
s ﹥﹥Ks时,底物浓度对比生长 速率的影响不再明显。
▪ 2 发酵中各参数趋于恒值,便于自动控制。
▪ 3 可以在不同发酵罐中控制不同的条件,易于 分期控制。
▪ 连续培养从设备上分为罐式和管式;从控制方 法上分为恒成分培养和恒浓度培养;从使用的 菌种分为循环式和非循环式;还可分为单级和 多级连续培养方式。
二、单级连续培养
▪ 进行连续培养时,要先做分批培养,在微 生物生长繁殖到合适的时期,才开始以恒 定的流量向发酵罐流加培养基,同时以相 同的流速排放培养液,使发酵罐内的培养 液体积保持恒定。
▪ 这时,以生存细胞的数目的对数对时间作半对 数图,可得一直线,这说明微生物细胞的死亡 呈指数比率增加。
▪ 在发酵工业生产中.在进入死亡期之前应及时 将发酵液放罐处理。
细胞生长动力学
研究对象:细胞群体
①将细胞视为均衡生长,胞内成 分均以相同比例增加。
②不考虑细胞之间的差别,而取 其性质的平均。
2、对数生长期 定义:在营养物质充足、有害代谢产物很少的条件下,细 胞开始生长,且生长不受限制,细胞浓度随培养时间呈指 数增长的时期。
▪ 发发酵酵过过程程反的应反的应描描述述及速度概念
X S(底物) ─→ X(菌体) + P(产物)
发酵研究的内容:
菌种的来源——找到一个好的菌种 发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力
发酵过程反应速度的描述
X
S(底物) ─→ X(菌体) + P(产物)
基质的消耗速度: r ds dt
(g.L-1.s-1)
第五章 微生物反应动力学
▪ 微生物反应动力学是研究各种环境因素与微 生物代谢活动之间相互作用随时间变化(即 生物反应速度)的规律。
研究内容:微生物生长过程中的质量和能量 平衡;发酵过程中菌体生长速率、基质消耗 速率和产物生成速率的相互关系;环境因素 对三者的影响以及影响反应速度的条件。
研究方法:用数学模型定量地描述发酵过程 中细胞生长规律、基质利用速率和产物生成 速度等因素的变化,达到对发酵过程有效的 控制,从而提高产品的产率及达到降低生产 成本的目的。
ds
基质的消耗比速: dt X (h-1、s-1)
单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物(菌体)的量称 为比速,是生物反应中用于描述反应速度的常用─→ X(菌体) + P(产物)
ds
基质的消耗比速: dt X
(h-1)
指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它 表示细胞对营养物质利用的速率或效率。在比较 不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。
当接近饱和时(≈m),细 胞比生长速率与底物浓度无关
细胞的生长速率rx:
dx
s
rx dt x m K s s x
s﹥﹥Ks 时:rx≈mx
第三节 连续培养动力学
▪ 连续培养或连续发酵是指在培养过程中,连续地 向发酵罐中加入培养基,同时以相同流速从发酵 罐中排出含有产品的培养基,这种操作方式称为 连续培养。
▪ 此时,有的细胞开始老化、裂解,形成芽孢, 并向培养基中释放出新的碳水化合物和蛋白质 等,这些物质可以用来维持生存下来的细胞的 缓慢生长。
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