分批发酵动力学概述

衰亡期: dx 0
dt
二、微生物的生长动力学、Monod方程
微生物的生长速度：
μ＝f(s,p,T,pH,……,)
在一定条件下(基质限制)：
μ＝f(S)
Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程(1949)
1.2 V1m
0.8
00V..μm46/2
0.2 0 0K m 200
物料衡算： ds ds1 ds2 ds3 dt dt dt dt
m
YX YP
s
s
m: 维持消耗系数 YX/s: 细胞对基质的理论得率系数 YP/s: 产物对基质的理论得率系数
产物形成动力学
➢ 生长关联型 ➢ 生长部分关联型 ➢ 非生长关联型
产物形成动力学的基本概念
一、初级代谢产物和次级代谢产物
max
S Ks S
μ：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数 μmax: 最大比生长速度
单一限制性基质：就是 指在培养微生物的营养 物中，对微生物的生长 起到限制作用的营养物。
Monod方程的参数求解(双倒数法)：
max
S Ks S
将Monod方程取倒数可得：
1 1 Ks 1
初级代谢产物：微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。 如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级 代谢产物。
次级代谢产物：还有一类产物，对细胞的代谢功能没有明显 的影响，一般是在稳定期形成，如抗生素等， 这一类化合物称为次级代谢产物。
二、Gaden对发酵的三分类与Pirt方程：
p x
〖一类发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
td＝ln2/ μmax＝0.64 h
基质消耗动力学的基本概念
S1 菌体
维ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ消耗(m) ：
S
S2 产物
指维持细胞最低活性所 需消耗的能量，一般来
讲，单位重量的细胞在
S3 维持
单位时间内用于维持消 耗所需的基质的量是一
个常数。
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
p x
〖二类发酵〗 产物的形成和菌体的生长部分偶联
p x
〖三类发酵〗 产物的形成和菌体的生长非偶联偶联
〖Pirt方程〗
π＝a + bμ
a=0、b≠0： 可表示一类发酵 a≠0、b=0： 可表示二类发酵 a≠0、b≠0：可表示三类发酵
产物的生成动力学
发酵类型Ⅰ： 发酵类型Ⅱ 发酵类型Ⅲ=
分批发酵动力学
➢ 生长动力学 ➢ 基质消耗动力学 ➢ 代谢产物消耗动力学
微生物生长动力学的基本概念
一、微生物在一个密闭系统中的生长情况：
菌体浓度
减速期
静止期 衰亡期
延迟期
指数生长期
时间
延迟期： dx 0
dt
指数生长期: max 倍增时间：td
减速期: d 0
dt
静止期： dx 0
dt
; X Xmax
解：将数据整理：
S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221
S S Ks
m m
/s
400
300
200
100
0 0
ks m 108.4
100
s
S S Ks
m m
1 m
0.9
200
μmax，＝1.11 (h-1); Ks＝97.6 mg/L
m m S
或：
S S Ks
m m
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：
S(mg/l) 6 33 64 153 221 μ(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70 求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?
dP
dX
YP / X
dt
dt
dP dX X
dt dt
dP X
dt
Ⅱ
Ⅰ
Ⅲ
分批发酵的优缺点
➢ 优点：
操作简单、周期短、染菌机会减少、生产过程及产品 容易控制。
➢ 缺点：
不利于测定生长动力学。
400 S 600
800 1000
1.2 V1m
0.8 0.6 0V.m4/2 0.2
0 0K m 200
400 S 600
800 1000
V
V
max
S Ks S
米氏方程:
v
vmax
S Ks S
V
1.2 V1m
0.8
μ 0.6
0V.m4/2 0.2
0 0K m
200
400 S 600
800
1000