第七章 生物反应动力学及过程分析

Organism E. coli Yeast Hybridoma Insect Cells
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质的消耗比速：
ds dt dx dt dp dt
X
(h-1)
菌体的生长比速：
X
(h-1)
产物的形成比速：
(h-1)
X
第二节 发酵反应动力学的研究内容
研究反应速度及其影响因素并建 立反应速度与影响因素的关联
反应动力学模型
+
延迟期：
减速期
静止期
衰亡期
dx 0 dt
菌体浓度
指数生长期: max
倍增时间：td
指数生长期 延迟期
减速期:
d 0 dt
时间
dx 静止期： dt 0
;
X X max
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,……,)
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：
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。
本章小节
了解发酵反应动力学研究的基本 内容及其中的基本概念
掌握MONOD方程，及其参数的求解
了解连续培养的特性
dx dt
x
max
xt ln max t x0
td ln 2
max
典型微生物的生长速度
Growth Rate µ [h-1] 2 0.3 0.05 0.06 Doubling time [h] 0.35 2.3 13.9 11.6
例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：
S(mg/l) 6 μ(h-1) 0.06 33 64 153 221 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?
解：将数据整理：
S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221
第七章 生物反应动力学及过程分析
发酵过程的反应描述及速度概念
发酵过程动力学研究的基本内容 菌体生长、产物形成、基质消耗 动力学的基本概念 反应动力学的应用—连续培养的 操作特性
第一节 发酵过程的反应描述及速度概念
发酵过程反应的描述
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
V
V
max
S Ks S
米氏方程:
v vmax
S Ks S
1.2 V1 m 0.8 0.6 V m /2 0.4
μ
V
0.2 0 0 K
m
200
400
S
600
800
1000
max
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
S Ks S
DX S
D
连续培养的操作特性
连续培养富集微生物的原理
当只有B时建立稳态：
μ
μB=D,对应S0 如果引入微生物A：
s0
连续培养中，最终在此 培养体系中生存下来的 微生物都是此时刻对该 种底物表现出最大生长 的微生物（或一个微生 物生态）。
μ= μA (S0) μA >D x增加 s下降 μA μB下降 μB<D被洗出
稀释率(D): 补料速度与 反应器体积 的比值(h-1)
稳态
dx 0 dt
xV Fx
F D V
物料衡算（连续培养的反应器特性）
o
ds V Fx0 xV Fx 对基质: dt
稀释率(D): 补料速度与 反应器体积 的比值(h-1)
稳态
ds 0 dt
D( s0 s ) x

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 0.6 Vμ/2 m 0.4 0.2 0 0 Km 200 400 S 600 800 1000
1.2 V1m 0.8 0.6 V m /2 0.4 0.2 0 0 Km 200 400 S 600 800 1000
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：
ds r dt
X
(g.L-1.s-1)
ds 基质的消耗比速： dt
(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概念
发酵过程反应速度的描述
S


S
m

m
Ks
400
S
300


S
m

m
Ks
/s
200
1
100
m 0.9
ks
0 0
m 108.4
100 200
μmax，＝1.11 (h-1); Ks＝97.6 mg/L
s
td＝ln2/ μmax＝0.64 h
第四节 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
连续培养操作的模型分析
D
D( s0 s ) x
D↑
μ↑
σ↑
S ↑
x↓


YX
s
max
最大
S0 max K s S0
max
S Ks S
D>μmax时会造成菌体的洗出
12 10
X
S , X , DX
8 6 4 2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
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


YX
s


YP
s
m
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
第六节 反应动力学的应用——连续培养的操作特性
o
连续反应器： 流入速度=流出速度=F
反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等
物料衡算（连续培养的反应器特性）
o
对菌体:
dx V xV Fx dt
维持消耗(m) ：
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 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
物料衡算：
ds ds1 ds2 ds3 dt dt dt dt
反应器特性
反 应 器 的 操 作 模 型
操作条件与反应结 果的关系，定量地 控制反应过程
已建立动力学模型的类型
机制模型： 根据反应机制建立
几乎没有 目前大多数模型 现象模型（经验模型）：
能定量地描述发酵过程
能反映主要因素的影响
第三节 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：
p
x
〖二类发酵〗 产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
第五节 基质消耗动力学的基本概念
S1 S S2 S3
菌体 产物 维持