第四章微生物反应动力学
北科大环境工程微生物学课件第4章 微生物对污染物的降解和转化
被动扩散： 营养物质顺浓度梯度，以扩散方式进 入细胞的过程。 特点： 1)微生物的细胞膜不是半透膜，是差异 膜，影响物质进出细胞的速度；2)微生物中的 部分细胞具有将营养物质转移功能或及时在酶系 统作用下转化功能，避免积累，保持内外的物质 浓度梯度，保证了物质运输的不断进行。 被动扩散分类： 包括简单扩散(不需要载体)和 促进扩散(需要载体)。
本章要点：
酶催化进行的反应称为酶促反应(Enzymatic reaction)，发生化学反 应的物质称为底物 (Substrate)物质称为产物(Product)。
酶(Enzyme)---在活 细胞内合成的具有高 度专一性和催化效率 的蛋白质，具有催化 生物化学反应的功 能，并传递电子、原 子和化学基团，又称 为生物催化剂。
( 1 )微生物酶的定义、分类、组成、固定化及影响酶活力的因素 (2)营养物质进入微生物细胞的方式和原理 (3)含碳、氮、硫、磷各自化合物以及难降解物质的微生物降解转化机理 (4)微生物降解动力学过程及其影响因素 (5)微生物的合成代谢过程和机制
第四章 微生物对污染物的降解转化
(Biological catalyst)
一、 基本概念：
反应生成的
二、 酶的催化特点：
按酶促反应的类型分类氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类、合成酶类 按酶在细胞的部位分类按酶在细胞的不同部位，分为胞内酶、胞外酶和表面酶 按酶蛋白结构的特点分类多酶复合体系、寡聚酶、单体酶 按酶生成与底物是否存在的关系分类组成酶(Constitutive enzymes)和诱导酶(Inducible enzymes)
活性中心：酶蛋白分子发生化学反应的小部分氨基酸微区
酶活性中心与底物作用
第四章、搅拌和溶氧
根据亨利定律：P＝HC* ;
在式中， (C*—C) 是可以测定的， C)是可以测定的 在式中 ， (C* C) 是可以测定的 ， 但是由于界面面 积不能测量， 积不能测量， 每单位界面上每小时的传氧量仍然不 能测量。 能测量。若在式两边各乘以单位体积培养液中气液 两相的总接触面积α则得： 两相的总接触面积α则得： Nv＝ (C*—C) Nv＝kLα(C* C) 式中，Nv一体积溶氧速率; kLα以(C*—C)为推动力 式中，Nv一体积溶氧速率; (C* C)为推动力 一体积溶氧速率 C) 的体积溶氧系数，简称体积溶氧系数； 的体积溶氧系数，简称体积溶氧系数；α一单位体 积培养液中气液两相的总接触面积。 积培养液中气液两相的总接触面积。
二、双膜理论与传氧方程式
（—）氧溶解过程的双膜理论 ） 双膜理论基本论点是： 双膜理论基本论点是： 在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面， 1、 在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面 ， 在界面的两旁具有两层稳定的薄膜， 在界面的两旁具有两层稳定的薄膜 ， 即气泡一侧 存在着一层气膜， 液体一侧存在着一层液膜。 在 存在着一层气膜 ， 液体一侧存在着一层液膜 。 任何流体动力学条件下， 任何流体动力学条件下 ， 气膜内的气体分子和液 膜中的液体分子都处于滞( 流状态， 膜中的液体分子都处于滞 ( 层 ) 流状态 ， 分子间无 对流运动． 因而氧气分子只能以扩散方式， 对流运动 ． 因而氧气分子只能以扩散方式 ， 即借 浓度差而透过双膜。 浓度差而透过双膜。
由于气液界面处的氧分压Pi和浓度Ci均无法测量 由于气液界面处的氧分压Pi和浓度Ci均无法测量： Pi和浓度Ci均无法测量： (P—P*) (C*—C) C)； N＝KG(P P*) ＝KL(C* C)； 式中， 以氧分压为总推动力的总传质系数； 式中，KG以氧分压为总推动力的总传质系数； KL 一 以氧浓度差为总推动力的总传质系数；P*一与液相 以氧浓度差为总推动力的总传质系数； P*一与液相 主体中氧浓度C 相平衡的氧分压； C*一与气相主体 主体中氧浓度 C 相平衡的氧分压 ； C* 一与气相主体 中氧分压P相平衡的氧浓度。 中氧分压P相平衡的氧浓度。
模块四 微生物反应动力学
研究对象：在各种环境因素下，微生物代谢活动（生命活动）随时间
而变化的规律。
从宏观的角度，定量分析菌体的生长、基质的消耗、产物的形成。 研究方法：用数学模型 研究目的： 达到对发酵过程有效控制，提高产品的产率及降低生产成本的目的。
一、分批培养Βιβλιοθήκη P198-205）2. 生产生长部分相关型 （Ⅱ型发酵）
分批发酵中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系
（b）部分生长连动型
Ⅱ型发酵特点：
发酵第一时期菌体迅速生长， 而产物形成很少或全无；
第二时期产物高速形成， 生长也可能出现第二高峰。
碳源利用在这两个时期都很高
一类是经过连锁反应如丙酮丁醇； 一类是不经过中间产物的积累，如柠檬酸等。
2、连续培养的应用（P210~216）
（1）细胞的生产； （2）代谢产物的生产； （3）细胞生理特性的研究； （4）发酵动力学的研究； （5）培养基的改进； （6）菌种的筛选和富集； （7）微生物遗传稳定性的研究。
3. 补料（流加）分批培养（P216）
补料分批培养是介于分批培养和连续 培养之间的操作方式 补料分批培养与连续培养之间的区别：随着补料操作的进行 培养液的体积是逐渐增大的，到一定时候即须结束陪。 随着补料的进行，培养液体积不断增大，达到一定 程度时，将部分培养液从反应器中放出，剩下部分 继续进行补料分批培养，如此反复进行。 在培养过程的中间放出部分培养液的操作，
（1）生产生长相关型（Ⅰ型发酵）
分批工艺中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系
（a）生长生产联动型
在Ⅰ类型的发酵中，菌体的生长、碳水化合物的利用 和产物的形成几乎是平行进行的。
微生物反应动力学
什么是发酵动力学？
发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间
动态定量关系，定量描述微生物 生长 和 产物形成 过程。
主要研究：
1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成 速率、底物消耗速率及其转化率、效率等； 2、影响发酵动力学参数的各种理化因子； 3、发酵动力学的数学模型。
0
x0 （0<t<t1)
µm
x0e µm t (t1<t<t2)
µ = ms
Ks s
0 -a
x= x0e µm(t2-t1) e µt (t2<t<t3)
xm (t3<t<t4) xme -a t (t4<t<t5)
分批发酵动力学-细胞生长动力学
其它模型1
在无抑制作用情况下（但有底物限制存在）
m 1 exp S KS
产物比生成速率
qP
1 dP x dt
（6-17）
qS
YG
m
qP YP
ds x mx 1 dp
dt YG
YP dt
qS
YX / S
qs qp YP / S
ds 1 dx x
dt YX / S dt YX / S
ds 1 dp dt YP/ S dt
分批发酵动力学-基质消耗动力学
③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。
分批发酵动力学-基质消耗动力学
产物得率系数：
Yp/s ,YP / O2 ,YATP / s ,YCO2 / s ：
消耗每克营养物（s）或每克分子氧(O2)生 成的产物(P)、ATP或CO2的克数。
第四章_微生物发酵动力学(1)
第四章微生物发酵动力学Kinetics of Microbial Fermentation微生物发酵动力学：是研究发酵过程中微生物菌体的生长、营养物质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律的科学。
发酵动力学中的常用术语1.生长得率系数：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体干重(g)，=ΔX/ΔS。
Productivity即Yx/s2.产物得率系数：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或mol数)。
这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质=ΔP/ΔS。
量(S。
-S)。
Yp/s3.转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。
Conversion rate.4.基质比消耗速率(q s，g(或mo1)／g菌体·h)：系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。
Specific consumption rate.5.比生长速率μ，(h-1):即单位重量菌体在单位时间内的增量g/(g·h), Specific growth rate.在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。
6．产物比生成速率(q p，g(或mo1)／g菌体·h)：系指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。
Specific production rate.7．发酵周期：实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。
XS（底物）X（菌体）＋P（产物）第一节发酵类型固体发酵(浅层发酵、深层固体发酵)发酵液体发酵（表面发酵、深层发酵）1．固体发酵生产固体发酵生产是将纯种微生物接种、培养在固体培养基上，通过微生物的代谢活动，使发酵原料转化成发酵产品。
按物料和产物进出方式不同，可分为以下几种类型⑴分批培养（batch culture）指在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物进行发酵的方法。
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 -。
《生物反应工程》课程笔记
《生物反应工程》课程笔记第一章绪论1.1 定义、形成与展望生物反应工程，简称BRE（Bioreaction Engineering），是一门应用化学工程原理和方法，研究生物反应过程和生物系统的科学。
它涉及到生物学、化学、物理学、数学等多个学科，是一门典型的多学科交叉领域。
生物反应工程的研究对象包括微生物、细胞、酶等生物催化剂，以及它们在生物反应器中的行为和相互作用。
生物反应工程的形成和发展与生物技术的快速崛起密切相关。
生物技术是指利用生物系统和生物体进行物质的生产、加工和转化的技术。
随着生物技术的不断发展，生物反应工程逐渐成为生物技术领域的一个重要分支，为生物制品的生产提供了重要的理论支持和实践指导。
展望未来，生物反应工程将继续在生物技术领域发挥重要作用。
随着科学技术的进步和生物产业的发展，生物反应工程将不断完善和发展，为人类的生产和生活带来更多的便利和福祉。
特别是随着合成生物学、系统生物学等新兴学科的发展，生物反应工程将面临新的机遇和挑战，有望在生物制造、生物医药、生物能源等领域取得更大的突破。
1.2 生物反应工程的主要内容生物反应工程的主要内容包括以下几个方面：（1）生物反应动力学：研究生物反应过程中反应速率、反应机理和反应物质量的变化规律。
包括酶促反应动力学、微生物反应动力学、细胞反应动力学等。
（2）生物反应器设计：根据生物反应的特性和要求，设计合适的生物反应器，使其能够高效、稳定地进行生物反应。
包括反应器类型的选择、反应器尺寸的确定、反应器内部构件的设计等。
（3）生物反应器操作：研究生物反应器中生物反应的运行规律，优化操作条件，提高生物反应的效果。
包括分批式操作、流加式操作、连续式操作等。
（4）生物反应器优化：通过对生物反应器的设计和操作进行优化，提高生物反应的产率和质量。
包括过程优化、参数优化、控制策略优化等。
（5）生物反应器控制：研究生物反应过程中的控制策略和方法，实现对生物反应过程的稳定控制。
第四章 微生物反应动力学(简)
YC =
X 细胞生产量 × 细胞含碳量 ＝Y X S ⋅ C 基质消耗量 × 基质含碳量 SC
（4－7）
式中：XC和SC——单位质量细胞和单位质量基质中所含碳元素量。 YC值一般小于1，为0.4-0.9。 方程式（4－1）中的系数c实际就是YC 。 [例题]4-4
11
（3）基于有效电子数的细胞得率系数
α1 − ΔS C = ⋅ ΔX α2
− ΔS A = (−ΔS − (−ΔS C ))
α1 ΔX = −ΔS (1 − ⋅ ) α 2 − ΔS α1 = −ΔS (1 − ⋅ YX S ) α2
25
A
26
【例4－6】 产气气杆菌在以葡萄糖为唯一碳源的基 本培养基中连续培养时，YX/S＝ 26.1g/mol glu，若α1 ＝0.45 (gC/g cell) ， 求异化代谢的利用分率。
α1 − ΔHc = (− ΔH S )( − Δ[ S ] − ΔX ) − ∑ (− ΔH P )(Δ[ P ]) α2
微生物反应的特点之一是通过呼吸链(电子传递)氧化磷酸化生成ATP。 在氧化过程中，可通过有效电子数来推算碳源的能量。当1mol碳源完全氧 化时，所需要氧的摩尔数的4倍称为该基质的有效电子数。若碳源为葡萄糖， 其完全燃烧时每摩尔葡萄糖需要6mol氧，有效电子数＝6×4＝24。
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。
第四章 化学反应动力学基础—反应速率与反应机理反应速率与反应机理
第四章化学反应动力学基础——反应速率与反应机理4.1 什么是化学动力学？4.2 化学反应速率的含义及其表示法4.3 浓度与反应速率：微分速率方程与反应级数4.4 温度与反应速率：活化能与反应速率理论4.5 反应机理4.6 催化作用4.7 化学动力学前沿话题Ahmed Zewail (Caltech, USA) 1999 年度诺贝尔化学奖获得者"for his studies of the transition states of chemical reactions usingfemtosecond spectroscopy ”http://nobelprize .org/4.1 什么是化学动力学瞬间完成的炸药爆炸反应大西洋底泰坦尼克号船首的腐蚀过程1/2N2(g) + CO2 (g)？●化学动力学的任务：1) 化学反应的速率问题2) 化学反应的机理问题●净反应速率和初速率化学反应有可逆性，所以实验测定的反应速率实际上是正向速率和逆向速率之差，即净反应速率。
有些化学反应逆速率非常小，可看作是单向反应。
可逆反应到达平衡状态时，正向反应速率和逆向反应速率相等，此时净反应速率等于零，平衡浓度不再随时间变化。
我们把反应刚开始一霎那的瞬时速率称为初速率，记作v(2) 基元反应和非基元反应化学反应速率与路径有关。
有些反应的历程很简单，反应物分子相互碰撞，一步就起反应变成生成物。
这种反应叫基元反应。
多数反应的历程较为复杂，反应物分子要经过几步，才能转化为生成物，叫非基元反应。
化学平衡常数式中平衡浓度的方次和化学方程式里的计量系数总是一致的，按化学方程式即可写出平衡常数式，因为化学平衡只取决于反应的始态和终态而与路径无关。
但化学反应速率与路径密切相关，速率式中浓度的方次一般要由实验确定，不能直接按化学方程式的计量系数写出。
k = 6.23 ×10−4 s −1N 2O5分解反应的lg(N2O5)−t图N2O5分解反应的(N2O5)−t图)●半衰期(t1/2将一级反应速率方程改写为：lg[(A)/(A)0] = −kt/ 2.303/2时，此刻的反应时间t= t1/2，也就是反应进行一半当(A) = (A))。
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。
第四章-微生物的生理
到体外，这个过程称为新陈代谢（简称代谢）。
新陈代谢包括同化作用（物质合成，吸收能量）和异化作用 （物质分解，释放能量）。 两者是相辅相成的：异化作用为同化作用提供物质基础和能 量，同化作用为异化作用提供基质。
了解微生物的营养及其所需营养物的种类和数量，首先要了
解微生物的化学组成、元素组成和生理特性。
2013-7-7
第二节 微生物的营养
营养物质:能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所 需要的物质. 营养:微生物获得和利用营养物质的过程。
营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持 和延续其生命形式的一种生理过程。
新陈代谢过程：微生物从外界不断地摄取营养物质，经过一系 列的生物化学反应，转变成细胞的组分，同时产生废物并排泄
无机盐的生理功能： 细胞内一般分子成分(如P，S，Ca， Mg，Fe等) 大量 元素
一般功能
生理调节物质
维持渗透压 酶的激活剂 pH的稳定
无 机 盐
微量 元素
特殊功能
化能自养菌的能源(S、Fe2+ 、NH4+ 、 NO2-) 无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-)
酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等） 特殊分子结构成分（Co、Mo等）
凡能供给微生物碳素营养的物质，称为碳源。
碳源的主要作用:是构成微生物细胞的含碳物质(碳架)和供给微 生物生长、繁殖及运动所需要的能量。 充当碳源的物质，往往同时又是能量的提供者（自然界中含碳的 有机物，一般都含有较高的能量，在被分解时能释放出来，为微 生物所利用）。
碳源种类: 无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。
（2）利用无机氮作为氮源的微生物
能利用氨(NH3)、铵盐(NH4+)、亚硝酸盐(NO2-)、硝酸盐 (NO3-)的微生物有亚硝化细菌、硝化细菌、大肠杆菌、产气杆 菌、枯草杆菌、铜绿色假单胞菌、放线菌、霉菌、酵母菌及藻 类等。
第四章微生物反应动力学
习题与答案2．简要回答微生物反应与酶促反应的最主要区别？答：微生物反应与酶促反应的最主要区别在于，微生物反应是自催化反应，而酶促反应不是。
此外，二者还有以下区别：（1）酶促反应由于其专一性，没有或少有副产物，有利于提取操作，对于微生物反应而言，基质不可能全部转化为目的产物，副产物的产生不可避免，给后期的提取和精制带来困难，这正是造成目前发酵行业下游操作复杂的原因之一。
（2）对于微生物反应，除产生产物外，菌体自身也可是一种产物，如果其富含维生素或蛋白质或酶等有用产物时，可用于提取这些物质。
（3）与微生物反应相比，酶促反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制。
微生物反应是利用活的生物体进行目的产物的生产，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞因素的影响，并且微生物会发生遗传变异，因此，实际控制有一定难度。
（4）酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应相比，在经济上有时并不理想。
4．Monod 方程建立的几点假设是什么？Monod 方程与米氏方程主要区别是什么？ 答：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（其他组分过量）会影响其生长速率，这种物质被称为限制性基质，并且认为微生物为均衡生长且为简单的单一反应。
Monod 方程与米氏方程的主要区别如下表所示： Monod 方程与米氏方程的区别Monod 方程：SK SS +=m ax μμ 米氏方程：SK Sr r m +=m ax经验方程理论推导的机理方程 方程中各项含义： μ：生长比速(h -1)μmax ：最大生长比速(h -1) S: 单一限制性底物浓度(mol/L) K S :半饱和常数(mol/L) 方程中各项含义： r ：反应速率(mol/L.h) r max ：最大反应速率(mol/L.h) S ：底物浓度(mol/L) K m ：米氏常数(mol/L)适用于单一限制性基质、无抑制 的微生物反应。
微生物工程-反应动力学-连续发酵
1 TL D
理论-单级连续发酵（续）
细胞的物料衡算（µ和D的关系）
积累的细胞（净增量）= 流入的细胞-流出的细胞+生长的细 胞-死亡的细胞
dx F F dx x0 x x dt V V dt G Dx0 Dx x x
复习思考题
1、发酵过程中需检测的参数类型及检测方法有
哪些？
2、单级连续发酵过程中物料如何衡算？ 3、细胞回流连续和不回流连续发酵缺点？
菌体最终被洗出，即x=0 时，达到“清洗点”。
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
产物的物料衡算
产物变化率=细胞合成产物速率+流入-流出-分解项
dP dP DP0 DP k D P dt dt 细胞合成 qP x D( P0 P) k D P
dP ( )总变化 0 ， 当连续发酵处于稳态， dt
且加料中不含产物，即 P 0 得
0 ，P分解速率可忽略。
DP qP x
理论-细胞回流单级连续发酵
进行细胞回流的单级连续发酵
概念：进行单级连续发酵时，把发酵罐流出的发酵液 进行分离，经浓缩的细胞悬浮液送回发酵罐中。
• 优点：提高了发酵罐 中的细胞浓度，也有 利于提高系统的操作 稳定性。
两级连续发酵示意图
发酵装置-多级串联（续）
培养基输入 培养基进入 下一级发酵罐
培养基进入 后处理或到 下一级发酵罐
多级罐式连续发酵装置示意图
罐式连续发酵实现方法
恒浊法：通过调节营养物的流加速度，利用浊度计检测细胞浓度 ，使之恒定。 恒化法：保持某一限制性基质在一恒定浓度水平，使菌的比生长 速率µ保持一定。
生化工程知识点
生物反应工程知识点第一章绪论*生物反应过程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。
技术产品的生产过程。
生物反应过程最重要特征：有生物催化剂的参与*由四部分组成：原材料的预处理---生物催化剂的制备---生物反应器及反应条件的选择与监控---产品的分离纯化。
整个生物反应过程以生物反应器为核心把反应前与后称为上游加工和下游加工。
重点内容：1）建立生物反应过程动力学，以确定包括传质因素影响在内的生物反应过程的宏观速率；2）建立与设计生物反应器，以保证为生物反应过程提供适宜的物理和化学环境，实现反应过程的优化。
反应过程的特点：1）采用可再生资源为主要原料，来源丰富，价格低廉，原料成分难以控制。
2）反应条件温和。
3）生物催化剂易失活，难以长期使用。
4）生产设备较简单、能耗较低。
5）反应基质与产物浓度不能太高，生产效率较低。
6）反应机理复杂，较难检测与控制。
7）反应液杂质多，分离提纯困难1.2.2.1生物反应动力学①本征动力学：（微观动力学）它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。
该速率除反应本身的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。
②宏观动力学：（反应器动力学）它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。
研究方法（细胞反应动力学模型--数学模型方法）：机理模型（结构模型）、半经验模型、经验模型生物技术的最终目的：建立工业生产过程，并且又以生化反应过程为核心。
第二章均相酶催化反应动力学酶催化作用的特点：高效的催化活性；高度的专一性；催化作用条件温和；酶活性的不稳定性（易变性失活）；常需要辅因子的参与（金属离子、辅酶、辅底物）；酶活性的可调节性（酶浓度调节、共价修饰调节、抑制调节、反馈调节、神经体液调节、别构调节）酶催化反应类型：氧化还原酶类；转移酶类；水解酶类；裂合酶类；异构酶类；合成酶类（连接酶类）酶的转化数Kcat:每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，是酶催化效率的一个指标催化周期T=1/KcatKm 是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关，可用于鉴定酶。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
YX / S
=
ΔX − ΔS
=
0.0746 0.2
=
0.373(kg / kg)
0.121 RQ = ΔCO2 = 44 = 1.3
− ΔO2 0.0672 32
10.微生物物繁殖过程中分裂一次生成两个子细胞，也有 4 分裂或 8 分裂的，试证明
当 n 分裂时，有如下式子： td / t g = ln 2 / ln n ，式中： td 为倍增时间， t g 为世代时间。
α=6 β = 10
γ =1 δ=3 酵母菌体的化学组成为 C6 H10 N 1O3 。
16. 一个新发现的微生物在每一次细胞分裂时，可产生 3 个新细胞，由下列生长数据求： （1）此微生物理学的比生长速率 μ(h−1 ) ；（2）此微生物细胞的平均世代时间。
时间 / h
0
0.5
1.0
1.5
2.0
细胞干重（g/L） 0.10
∑ YKJ
=
(−ΔH a )YX / S
+ ⎜⎜⎝⎛1 −
YX / S
α2k α1
YX
/
S
⎟⎟⎠⎞(−ΔH
S
)
−
YP / S (−ΔH P )YP / S
=
8.0
22.15 × 8.0 + ⎜⎛1 − 0.45 × 0.48 × 8.0⎟⎞ × 2816 − (1.6 × 1368 + 0.2 × 1363)
1 μ max′
=
2.44
， 解 得 ， μmax′
= 0.41(h−1 ) ，
K S′ = 0.28( g / L) 。
K S′ ≈ K S ，二者差异可能是由实验误差所导致。由此可以判断上述生长模型属
于非竞争性抑制。即： μ =
μ max S
= μmax′ S ，
(1 + C I / K I )(K S + S ) K S + S
aC6 H12O6 + bO2 → cCHβOδ + dCO2 + eH 2O
则： a = 0.2 × 1000 = 1.11 12 × 6 + 12 + 16 × 6
b = 0.0672 × 1000 = 2.1 32
d = 0.121× 1000 = 2.75 12 + 16 × 2
e = (0.2 + 0.0672 − 0.0746 − 0.121) × 1000 = 4 18
∴1+ CI
/ KI
=
μ max
μ
′
max
当CI
=
20
g
/
L
，
μ
′
max
=
0.41(h−1 )
，
∴ KI
=
CI
μ max μ max′
−1
=
20 0.48 − 1 0.41
= 100( g / L)
因此，生长速率方程可表示为： μ =
0.48S
(1 + C I / 100)(0.27 + S )
18．以甲醇为基质，进行某种微生物好氧分批培养，获得如下数据：
培养基
基本 合成 复合
YX/S（g/mol）
YP/S（mol/mol）
YP/S（mol/mol） 菌体中由葡萄糖
（以细胞/葡萄糖计） （以乙醇/葡萄糖计） （以乳酸/葡萄糖计） 所来碳元素的量
4.1
1.5
0.2
1.0
5.0
1.5
0.2
0.62
8.0
1.6
0.2
0.48
解：由化工手册可知， ΔHG = −2816KJ / mol，ΔHE = −1368KJ/mol， ΔHL = −1363KJ / mol，ΔHa = −22.15KJ / g
（2）该微生物每次分裂产生 3 个新细胞，故
t
=
tg ,
X X0
=
3
（16-3）
tg
=
ln 3 μ
=
ln 3 0.82
=
1.34(h)
（16-4）
17．在一连续进出料的搅拌罐中，进行以葡萄糖为碳源生成乙醇的动力学研究，反应方
程式可表示为：S（葡萄糖）
P（乙醇）+X（酵母），试验结果见下表。已知 Pmax=120g/L，
t/h
0
0.5
1.0
1.5
2.0
X（g/L）
0.10
0.15
0.23
0.34
0.51
ln (X/X0)
0
0.405
0.833
1.22
1.63
1.8
1.6
1.4
ln (X/X0) 1.2
y = 0.8167x R2 = 0.9999
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
t/h
由图中可知，直线斜率为 0.82，因此 μ = 0.82(h−1 ) 。
μS
14
12
y = 0.5582x + 2.0814
R2 = 0.9734
10
14
y = 0.6808x + 2.44
12
R2 = 0.9944
10
8
8
6
6
4
4
2
2
0
0
0
5
10
15
20
0
5
10
15
20
由图中可知：当 P=0，即不存在乙醇抑制时， 1 ~ 1 为直线，直线斜率为 0.56， μS
截距为 2.08。根据双倒数法，有 K S μ max
0.15
0.23
0.34
0.51
解：（1） μ = dX Xdt
（16-1）
边界条件： t = 0, X = X 0 对（16-1）式积分，得 ln( X / X 0 ) = μt
（16-2）
以 ln( X / X 0 ) ~ t 作图，将得一条直线，直线斜率为 μ 。
根据已知数据，计算 ln( X / X 0 ) ，列入表中，并绘制 ln(程 方程中各项含义： r：反应速率(mol/L.h) rmax：最大反应速率(mol/L.h) S：底物浓度(mol/L) Km：米氏常数(mol/L)
适用于单底物、无抑制的酶促反应。
5．举例简要说明何为微生物反应的结构模型？ 答：由于细胞的组成是复结的，当微生物细胞内部所含有的蛋白质、脂肪、碳水化合物、
⎝
72
⎠
= 0.0080(g / KJ )
（2）采用合成培养基进行运动发酵单胞菌厌氧培养时，葡萄糖既作碳源，又作能源， 菌体中碳元素部分来自葡萄糖，即 k=0.62。
∑ YKJ
=
(−ΔH a )YX / S
+ ⎜⎜⎝⎛1 −
YX / S
α2k α1
YX
/
S
⎟⎟⎠⎞(−ΔH
S
)
−
YP / S (−ΔH P )YP / S
⎝
72
⎠
= 0.017(g / KJ )
12．葡萄糖为碳源进行酿酒酵母培养，呼吸商为 1.04，氨为氮源。消耗 100mol 葡萄糖 和 48mol 氨，生成菌体 48mol、二氧化碳 312mol 和水 432mol。求氧的消耗量和酵母菌 体的化学组成。 解：根据题意，可假定反应的质量平衡式为：
100C6 H12O6 + bO2 + 48NH 3 → 48Cα H β N γ Oδ + 312CO2 + 432H 2O
时间 / h 0
2
4
8
10
12
14
16
18
X / (g/L) 0.2
0.211 0.305 0.98 1.77 3.2
5.6
6.15 6.2
S / (g/L) 9.23 9.21 9.07 8.03 6.8
Monod 方程与米氏方程的区别
Monod 方程： μ = μmax S KS + S
米氏方程： r = rmax S Km + S
经验方程 方程中各项含义：
μ：生长比速(h-1)
μmax：最大生长比速(h-1) S: 单一限制性底物浓度(mol/L) KS:半饱和常数(mol/L) 适用于单一限制性基质、无抑制 的微生物反应。
=
5.0
22.15 × 5.0 + ⎜⎛1 − 0.45 × 0.62 × 5.0⎟⎞ × 2816 − (1.5 × 1368 + 0.2 × 1363)
⎝
72
⎠
= 0.0091( g / KJ )
（3）采用复合培养基进行运动发酵单胞菌厌氧培养时，根据题意，葡萄糖既作碳源， 又作能源，菌体中碳元素部分来自葡萄糖，即 k=0.48。
根据元素平衡式，有 C： 1.11× 6 = c + 2.75 H： 1.11× 12 + cβ + 4 × 2
O： 1.11× 6 + 2 × 2.1 = cδ + 2.75 × 2 + 4 联立求解，得
c = 3.91 β = 1.36
δ = 0.35 所以，可确定该反应的质量量平衡式为： 1.11C6 H12O6 + 2.1O2 → 3.91CH O 1.36 0.35 + 2.75CO2 + 4H 2O
（4）酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应相比，在 经济上有时并不理想。