微生物工程.ppt

求在该培养条件下，大肠杆菌的μmax，Ks和td?
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
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S S Ks
m m
μmax＝1.11 (h-1); Ks＝97.6 mg/L
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8．说教学评价方法 对学生，平时考查与期末考试相结合。
☺ 对教师，听取意见和建议，完善教学。
2019年8月29
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教学演示
2006-8
西北师大生科院
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2006-8
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X（菌体）
S（底物）
P（产物）
F（发酵）
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本章内容
第一节 工业化发酵的类型 第二节 分批培养的动力学 第三节 连续培养的动力学
例如：抗生素发酵。
菌体比生长 速率 碳源利用 比速率
产物形成 比速率
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时间/h
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二.分批培养动力学
分批培养 ------ 整个过程处于不稳定状态 （细胞浓度、基质浓度、产物浓度）
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1. 微生物生长动力学
微生物在一个密闭系统中的生长情况：
d X / d t= μ X
μ:比生长速率 （s-1） X：细胞干重浓度（ kg/m3） t：时间（s）
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5．说教法
直观演示法
举例说明法
2019年8月29
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6．说教学目标
熟悉微生物工程的基本原理及常用术语 了解发酵工业控制的特性及共性 深入理解发酵工程的过程优化与生产放大
2019年8月29
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7．说学法
课前简要预习
课中分析归纳
课后总结记忆
2019年8月29
发酵第一时期，菌体迅速 增长；第二时期，产物高速形 成。生长出现两个峰，碳源利 用在两个时期都很高。
例如：柠檬酸发酵
菌体比生长速率
碳源利用 比速率
产物形成 比速率
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时间/h
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第III类型:生长不相关型
产物是在基质消耗和菌体 生长达到稳定期，菌体利用中 间代谢反应来形成的，即产物 的形成和初级代谢是分开的。
建立和谐 的
师生关系
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1. 端正学习态度， 增强学习主动性
2. 正确的学习方法 提高学习效率
3. 利用丰富的学习 资源，拓展思维
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二、对所授课程的解说
2019年8月29
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说教学的重 难点
说教学内容
说学生
说教法
说教材
2019年8月29
说教学 评价方法
说学法
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说教学目标
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（二）按工艺流程分类
分批发酵：一次投料，一次接种，一次收获。
连续发酵：新鲜培养基连续加入，含产品的
发酵液以相同流速排出。
流加发酵： 需要中途进行补料。
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（三）按动力学类型分类
依菌体生长，碳源利用和产物生成的变化， Gaden将微生物发酵过程分为三种类型：
第I类型（生长相关型） 第II类型（生长部分相关型） 第III类型（生长不相关型）
《微生物工程 》
xx
西北师范大学 生命科学学院
2020/3/4
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教学情况及说课
2019年8月29
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一、对教学工作的理解及个人 教学工作情况介绍
2019年8月29
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1. 个人教学工作情况介绍
姓名：张爱梅 学位：博士 职称：副教授 学院：生命科学学院
2019年8月29
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小结：
发酵类型
分批培养过程反应速度的描述
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种子培养
琼脂斜面 接种
菌 种 提 纯
摇瓶
种 子 罐
无
菌
空 气
微生物反应
pH调节液
蒸汽
空 气无 过菌 滤空 器气
主发 酵罐
培养基原料
培养基 配料
培养基 配料罐
连消装置
锅炉
空气 压缩机
去菌体分离及后处理
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分批培养示意图
2019年8月29
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3．说教学的重难点
教学重点：微生物工程原理和微生物工程生产设备。 教学难点：微生物工程生产设备。
2019年8月29
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4．说学生
★ 2010级生物技术专业学生 ➢ 已修《微生物学》 ➢ 已修《高等数学》 ➢ 已修《物理化学》
2019年8月29
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在一定条件下(限制性基质)：
μ＝f (S)
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Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程
V V
1.2
μm V1m
0.8
0.6
μ /m 20V.m4/2
μ
0.2
0 0K m 200
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


max
S Ks S
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Hale Waihona Puke Baidu
米氏方程:
v

vmax
S Ks S
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max
S Ks S
μ：比生长速率（s-1)
S：限制性基质浓度(mol/m3) Ks：饱和常数(mol/m3)
μmax: 最大比生长速率（s-1)
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以产物生产率作为菌体生长率和菌体量的函 数（Luedeking和Piret模型）——
dP k1 dX k 2 X dt dt
K1： 与菌体生长关联的细胞生产能力 K2： 非生长关联比生长速率
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dP

dX k1
k2X
dt
dt
按k1，k2常数分
(1) k1>0，k2=0， 生长相关型 (2) k1>0，k2>0， 生长部分相关型 (3) k1=0， k2>0，生长不相关型
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2019年8月29
1．说教材
《微生物工程》 使用的教材是由曹军 卫主编的，由“科学 出版社”出版的21 世纪高等院校教材 （第二版）。
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2．说教学内容
微生物工程原理 微生物工程下游加工工程 微生物工程生产设备 微生物工程生产工艺和产品举例
2019年8月29
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主讲专业课：微生物学，微生物工程， 微生物及微生物工程实验
主讲综合教育类选修课：食品与生活，饮料加工
2019年8月29
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2. 对教学工作的理解
教师的“教”
Text教2 师与学T生ext 3
学生的“学”
1.认真踏实地备课 2. 热情饱满地上课 3. 客观合理地考核
2019年8月29
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一条主线：菌种——培养基——发酵过程控制——产品
两个基础：生物学基础；工程学基础
三大模块：微生物工程原理；微生物工程生产设备；生产工
艺和产品举例
四大内容：菌种（来源、选育、保藏、代谢调节）；培养基
（ 成分、配制、用途、灭菌）；发酵（工艺控制、参数检测、 动力学）；发酵相关设备（培养基灭菌设备、发酵设备、空气 除菌设备、产品纯化设备）
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第I类型：生长相关型
产物直接来源于产能的初 级代谢，菌体生长与产物形成 不分开。
菌体生长类型：终产物就是 菌体本身。
例如：酵母，蘑菇菌丝
代谢产物类型：产物的积累 与菌体增长平行。
例如：酒精，葡萄糖酸的发酵
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菌体比生长速率 碳源利用比速率
产物形成比速率
时间/h
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第II类型:生长部分相关型
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菌体浓度对数
减速期 稳定期 衰亡期
对数生长期 延迟期
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
稳定期： dx 0
dt
;X Xmax
衰亡期: dx 0
dt
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微生物的生长速度：
μ＝f (S ，M，T，pH，DO……)
YX/S：生长得率系数
（以消耗的基质为基准的细胞得率系数）
ΔX：干细胞的生长量 – ΔS：基质的消耗量
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产物得率系数： YP/S=-dP/dS 或 ΔP/ – ΔS
YP/S：产物得率系数
（相当于基质消耗的实际产物得率）
ΔP：产物生成量
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50
td＝ln2 / μmax＝0.64 h
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2. 基质消耗动力学
基质包括细胞生长与代谢所需的各种营 养成分，其消耗分为三个方面：
合成新细胞； 细胞维持生命； 合成代谢产物。
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dS 1 dX mX 1 dP
dt YX / S dt
YP / S dt
YX/S：生长得率系数 ►
YP/S：产物得率系数 ►
m：维持系数
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m：维持系数
单位质量干菌体在单位时间内因维持代 谢消耗的基质量，是微生物的一种特性值 (mol / g ·h)。
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3. 产物合成动力学
产物包括三大类： 菌体 酶制剂 代谢产物
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本节课内容
一. 工业化发酵的类型 ➢ 常见分类方式 ➢ 按工艺流程分类 ➢ 按动力学类型分类
二. 分批培养的动力学
➢ 微生物生长的动力学 ➢ 营养物质消耗的动力学 ➢ 产物合成的动力学
一. 工业化发酵的类型
（一）常见分类方式
按发酵原料分为：淀粉类物质发酵、废水发酵等 按发酵形式分为：固体发酵、液体深层发酵等 按氧气需求分为：需氧发酵、厌氧发酵等 按发酵产物分为：氨基酸发酵、抗生素发酵等
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Monod方程的参数求解


max
S Ks S
将Monod方程取倒数可得：
(双倒数法)
1 1 Ks 1 ×S S S Ks
m m S
m m
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例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：
S(mg/l) μ(h-1)
6 33 64 153 221 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70
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F,S0
流入速度=流出速度= F
X0
F,S,X,P
连续培养示意图
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倍增时间 ——细胞浓度增加一倍所需的时间。
积分
d X / d t= μ X
lnXt - lnX0 ＝ μ（t – t0)
td ln 2 0.693
m
m
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生长得率系数： YX/S= -dX / dS 或 ΔX/ – ΔS