微生物反应动力学0924
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第九章 微生物反应动力学
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二、发酵类型
发酵类型即动力学模型，为了描述 菌体生长、碳源利用与代谢产物形 成速度变化以及它们相互之间的动 力学关系。
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发酵类型
• Gaden‘s fermentation classification（按照菌体生 长，碳源利用和产物生成的变化）可分为： – 第一、二、三类型
根据产物形成与底物利用（基质消耗）的关系分类
结论
通过对分批发酵中细胞、基质和产物浓度变 化规律的实验研究，可以对分批发酵过程进 行模拟，进而进行优化控制，提高产率。
43
分批发酵的分类对实践的指导意义
从上述分批发酵类型可以分析： 如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级 代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条 件，延长与产物合成有关的对数生长期； 如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物）， 则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体 细胞后延长平衡期，以提高产量。
发酵动力学的研究正在为从实验室、中试到工业 生产数据的放大、为分批发酵过渡到连续发酵提 供理论依据。
7
四）发酵过程按进行过程有三种方式： 分批发酵(Batch fermentation) 补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation)
谢产物的积累逐渐下降。
30
Monod方程是典型的均衡生长模型
其基本假设如下： ①细胞的生长为均衡式生长，描述细胞生长的唯一变
量是细胞的浓度； ②培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其它
组分为过量，不影响细胞的生长； ③ 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞生长速率为
一常数。
Monod方程中: μ为比生长速率μ(h-1)；μm为最大比生长速率(h-1)； S为限制性基质浓度(g／L)；
二、发酵类型
发酵类型即动力学模型，为了描述 菌体生长、碳源利用与代谢产物形 成速度变化以及它们相互之间的动 力学关系。
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发酵类型
• Gaden‘s fermentation classification（按照菌体生 长，碳源利用和产物生成的变化）可分为： – 第一、二、三类型
根据产物形成与底物利用（基质消耗）的关系分类
结论
通过对分批发酵中细胞、基质和产物浓度变 化规律的实验研究，可以对分批发酵过程进 行模拟，进而进行优化控制，提高产率。
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分批发酵的分类对实践的指导意义
从上述分批发酵类型可以分析： 如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级 代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条 件，延长与产物合成有关的对数生长期； 如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物）， 则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体 细胞后延长平衡期，以提高产量。
发酵动力学的研究正在为从实验室、中试到工业 生产数据的放大、为分批发酵过渡到连续发酵提 供理论依据。
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四）发酵过程按进行过程有三种方式： 分批发酵(Batch fermentation) 补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation)
谢产物的积累逐渐下降。
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Monod方程是典型的均衡生长模型
其基本假设如下： ①细胞的生长为均衡式生长，描述细胞生长的唯一变
量是细胞的浓度； ②培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其它
组分为过量，不影响细胞的生长； ③ 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞生长速率为
一常数。
Monod方程中: μ为比生长速率μ(h-1)；μm为最大比生长速率(h-1)； S为限制性基质浓度(g／L)；
模块四 微生物反应动力学
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。
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
发酵第一类型
时间h
比生长速率，g/(g.h);
碳源利用比速率， g/(g.h)；
产物形成比速率， g/(g.h)。
12.1.2 第Ⅱ型（与部分生长相关型）
• 第一时期：细菌迅速生长，产物很少或全无； • 第二时期：产物高速形成，生长也可能出现 第二个高峰，碳源利用在这两个 时期都很高。 特点：从生源来看，发酵产物不是碳源的直接 氧化，而是细菌代谢的主流产物。 可分两种类型： 1.产物形成是经过连锁反应的过程。丙酮丁醇，先形 成乙酸和丁酸，再形成丙酮和丁醇。 2.产物形成不经过中间产物的积累。菌体生长与产物 积累明显分在两个时期。如柠檬酸。
发酵第三类型
时间h
比生长速率，g/(g.h); 碳源利用比速率， g/(g.h)； 产物形成比速率， g/(g.h)。
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
维持系数是微生物菌株的一种特征值。对于特定的菌 株、特定的基质和特定的环境因素（如温度、Ph值等） 是一个常数，故又称维持常数。维持系数越低，菌体 的能量代谢效率越高。其定义：单位质量干菌体在单 位时间内，因维持代谢消耗的基质量：
维持常数 m 定义： 单位质量干菌体在单位 时间内，因维持代谢消耗的基质量：
• 细胞浓度随时间呈指数生长，细胞浓度 增长一倍所需时间称倍增时间（doubling time, td), ln 2 0.693 td
m
m
细菌倍增时间：0.25~1h 酵母: 1.15~2h
霉菌: 2~6.9h
第四章 微生物反应动力学(简)
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1. 微生物生长中的能量转换
根据微生物获取能量的方式，可把微生物分 为： （1)自养微生物：不从有机化合物中获取能量 化能、光能自养微生物 （2）异养微生物：从有机化合物中获取能量
18
（1）自养微生物的生长
化能自养微生物通过氧化NO2- ，S等获 取能量，如亚硝酸细菌； 光能自养微生物，如绿色硫杆菌；
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。
基于有效电子数的细胞得率定义式为： ΔX Yave－＝ (34-8 ) −7 － 基质完全燃烧所需氧的摩尔数 × 4ave / mol氧 Yave－的计算方法：由表34-2 3可知，以葡萄糖为碳源，产生气杆菌的 − YX / S = 72.7 g / mol，葡萄糖的有效电子数为24ave－ / mol，所以产气 杆菌的Yave－＝72.7 / 24 ≈ 3g / ave−。
计算上述反应中的得率系数Y x/s和Y x/o
16
4.1.3 微生物反应中的能量衡算
培养过程的反应可用以下简式表示： C源＋N源＋O2→ 菌体＋产物＋CO2＋H2O
(-ΔS)+ (-ΔN) +(-ΔO2) →ΔX+ ΔP+ΔCO2+ΔH2O
微生物反应是放热反应，储存于碳源中能源，在 好氧反应中有40%~50%的能量转化为ATP，供微 生物的生长、代谢之需，其余的作为热量被排放。 进行微生物优化培养时，必须进行适宜的温度控 制，因此有必要从反应热的角度考虑反应过程中能 量代谢，并进行微生物反应过程的能量衡算。
1. 微生物生长中的能量转换
根据微生物获取能量的方式，可把微生物分 为： （1)自养微生物：不从有机化合物中获取能量 化能、光能自养微生物 （2）异养微生物：从有机化合物中获取能量
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（1）自养微生物的生长
化能自养微生物通过氧化NO2- ，S等获 取能量，如亚硝酸细菌； 光能自养微生物，如绿色硫杆菌；
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。
基于有效电子数的细胞得率定义式为： ΔX Yave－＝ (34-8 ) −7 － 基质完全燃烧所需氧的摩尔数 × 4ave / mol氧 Yave－的计算方法：由表34-2 3可知，以葡萄糖为碳源，产生气杆菌的 − YX / S = 72.7 g / mol，葡萄糖的有效电子数为24ave－ / mol，所以产气 杆菌的Yave－＝72.7 / 24 ≈ 3g / ave−。
计算上述反应中的得率系数Y x/s和Y x/o
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4.1.3 微生物反应中的能量衡算
培养过程的反应可用以下简式表示： C源＋N源＋O2→ 菌体＋产物＋CO2＋H2O
(-ΔS)+ (-ΔN) +(-ΔO2) →ΔX+ ΔP+ΔCO2+ΔH2O
微生物反应是放热反应，储存于碳源中能源，在 好氧反应中有40%~50%的能量转化为ATP，供微 生物的生长、代谢之需，其余的作为热量被排放。 进行微生物优化培养时，必须进行适宜的温度控 制，因此有必要从反应热的角度考虑反应过程中能 量代谢，并进行微生物反应过程的能量衡算。
第七章_微生物反应动力学课件
细胞体系 多组分 多反应体系 受基因调控 自适应 随机性 遗传不稳定性
�
底物 转化为 产物 。 细胞消耗营养成分，将培养环境中的 细胞消耗营养成分，将培养环境中的底物 底物转化为 转化为产物 产物。 热量 ，与此同时，通过设置培养环境 细胞在生命活动中产生 细胞在生命活动中产生热量 热量，与此同时，通过设置培养环境 的温度控制细胞的生长或产物合成。
�
第七章 微生物反应动力学
微生物反应动力学研究的内容
营养成分 底物 产物 热量 机械 相互作用
� � � � � � �
培养环境 多组分 液相反应 酸碱平衡 pH, T 等变化 T等变化 液体流变学变化 ) 多相 (气、固、液 气、固、液) 空间的非均一性
� � � � � �
细胞体系 多组分 多反应体系 受基因调控 自适应 随机性 遗传不稳定性
第七章 微生物反应动力学
第七章 微生物反应动力学
主要内容
第一节 发酵类型 动力学模型
第二节 微生物反应动力学
一.分批培养动力学 二.连续培养动力学
第七章 微生物反应动力学
微生物反应过程概论
1. 微生物反应动力学研究的内容 1.微生物反应动力学研究的内容 �反应动力学：研究发酵过程中菌体生长、 基质消耗、产物生成的动态平衡及其内 在规律。 �研究内容：包括了解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 及影响其反应速度的条件。
第七章 微生物反应动力学
第一节 发酵类型
一.第 I 型
指的是终产物就是菌体本身，菌体 菌体生长类型指的是终产物就是菌体本身，菌体 � 菌体生长类型 增加与碳源利用平行，且两者有定量关系。如酵 母、苏云金杆菌等的培养。
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。
第三章 微生物反应动力学
分类：界（ Kingdom ）、门（ Phylum ）、 纲 （ Class ） 、 目 （ Order ） 、 科 （ Family ） 、 属 （ Genus ） 、 种 （Species）。 种 以 下 有 变 种 （ Variety ） 、 型 （Form）、品系（Strain）等。 命名：“双名法”。 属名：大写字母开头，是拉丁词的名词， 用以描述微生物的主要特征； 种名：小写字母打头，是一个拉丁词的 形容词，用以描述微生物的次要特征。
例4-1
• 以葡萄糖为基质进行面包酵母(S. cerevisiae)培养， 培养的反应式可用下式表达，求计量关系中的系数 a、 b、c和d。
C6 H12O6 3O2 aNH3 bC6 H10 NO3 (面包酵母) cH2O dCO2
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好 氧培养中微生物生物代谢机能的重要指标之一 的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
四、pH • 不同微生物有其最适生长的 pH 值范围。大 多数自然环境的 pH值为 5～ 9，许多微生物 的最适生长 pH 也在此范围内，只有少数种 类可生长在pH值低于2或高于10的环境中。 大多数酵母与霉菌在微酸性（ pH5 ～ 6 ）环 境中生长最好，而细菌、放线菌则在中性 或微碱性条件下生长最好。
细胞生产量 细胞含碳量 YC YX 基质消耗量 基质含碳量
S
XC SC
• 式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式 （3-1）中的系数c实际就是Yc。
例4-4
• 乙醇为基质，好氧培养酵母，反应方程为
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO2 H 2 O
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
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。
第四章微生物反应动力学-推荐下载
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术通关，1系电过，力管根保线据护敷生高设产中技工资术艺料0不高试仅中卷可资配以料置解试技决卷术吊要是顶求指层，机配对组置电在不气进规设行范备继高进电中行保资空护料载高试与中卷带资问负料题荷试2下卷2，高总而中体且资配可料置保试时障卷，各调需类控要管试在路验最习；大题对限到设度位备内。进来在行确管调保路整机敷使组设其高过在中程正资1常料中工试，况卷要下安加与全强过，看度并22工且22作尽22下可22都能22可地护以缩1关正小于常故管工障路作高高；中中对资资于料料继试试电卷卷保破连护坏接进范管行围口整，处核或理对者高定对中值某资，些料审异试核常卷与高弯校中扁对资度图料固纸试定，卷盒编工位写况置复进.杂行保设自护备动层与处防装理腐置，跨高尤接中其地资要线料避弯试免曲卷错半调误径试高标方中高案资等，料，编试要5写、卷求重电保技要气护术设设装交备备置底4高调、动。中试电作管资高气，线料中课并敷3试资件且、设卷料中拒管技试试调绝路术验卷试动敷中方技作设包案术，技含以来术线及避槽系免、统不管启必架动要等方高多案中项；资方对料式整试，套卷为启突解动然决过停高程机中中。语高因文中此电资，气料电课试力件卷高中电中管气资壁设料薄备试、进卷接行保口调护不试装严工置等作调问并试题且技，进术合行，理过要利关求用运电管行力线高保敷中护设资装技料置术试做。卷到线技准缆术确敷指灵设导活原。。则对对：于于在调差分试动线过保盒程护处中装，高置当中高不资中同料资电试料压卷试回技卷路术调交问试叉题技时，术，作是应为指采调发用试电金人机属员一隔，变板需压进要器行在组隔事在开前发处掌生理握内；图部同纸故一资障线料时槽、，内设需，备要强制进电造行回厂外路家部须出电同具源时高高切中中断资资习料料题试试电卷卷源试切，验除线报从缆告而敷与采设相用完关高毕技中，术资要资料进料试行，卷检并主查且要和了保检解护测现装处场置理设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
发酵工程—5微生物反应动力学
批 影响，并以数学语言进行描述。
发
酵
动
力
学
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
研究发酵动力学的目的
通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调
二 控方式；
、 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的
分 批
工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；
发 酵
控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。
动
力
学
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
、 分 批 发 酵 动 力
学 该式即是微生物在对数生长期的增殖模式
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
μ因菌体所处的环境条件而改变；环境的恶 化，菌体增殖进入减数期。
二 1949年，莫诺发现细菌的比生长速率与单一
、 分
限制性基质之间存在一定关系；借助郎格谬
批 发 酵
尔方程，莫诺建立了被称为莫诺方程的经验 公式：
Yp dt
批
发 酵 动
ds X m X 1 dP
dt YG
Yp dt
力
学 式中：m为碳源维持常数
m 1 dS X dt M
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
于是
二 、
r
1 YG
m
1 Yp
qp
分
批
发 酵
r ：基质消耗比速
酵
动
力
学
Yx s
反反应应过过程程消中耗生基成质菌的体摩的尔质数量＝ddxs
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
用YG 表示菌体的理论得率：
二 YG 用于同 生化 成为 菌菌 体体 的碳 质源 量消耗＝ddxsG
微生物反应动力学20160924
第1章绪论
5.1 微生物与微生物反应
①基质利用 类似于化学 反应中的自 催化反应
微生物反 应的类型
②细胞生长
③细胞死亡/溶化 ④产物生成
第一类产物：基质分解代谢产物(如乙醇、乳酸，柠檬酸)。 第二类产物：由合成代谢生成的较复杂的物质（如胞外酶、 多糖、抗生素、激素、维生素、生物碱等） 第三类产物：一般指在碳源过量、氮源等受到限制的条件下 产生的一类物质（蓄能化合物，如多糖、储存于 细胞内的糖原、脂肪等。)
物的培养液具有非牛顿流体的性质
5.1 微生物与微生物反应
5.1.2 微生物反应及其在污染控制中的利用
5.1.2.1 微生物反应的特点
参与微生 物反应的 主要组分
复杂反应体系
基质、营养物、活细胞、 非活性细胞、分泌产物 等。
微生物反应的总反应式（概括式）
碳源＋氮源＋其它营养物质＋氧→细胞＋代谢产物＋CO2＋H2O
5.2
微生物反应的计量关系
计量学限制性基质：细胞生长过程中首先完全消耗掉的物质
生长速率限制性基质：在一定的环境条件下，向反应系统
中加入某一基质，能使微生物生长速率增加，则该基质 被称为生长速率限制性基质。（如：富营养化湖泊的营 养限制因子）
5.2
微生物反应的计量关系
5.2.2 细胞产率系数 5.2.2.1 以基质质量为基准的细胞产率系数Yx/s
原电位等）
第1章绪论
5.1 微生物与微生物反应
5.1.2.3 微生物反应在环境领域中的应用
污染物的生物分解与转化 • 污染水体、土壤的修复
• 城市污水及工业废水的生物处理 • 有机废气、挥发性有机物(VOCs)及还原 性无机气体的生物处理 • 有机废弃物的堆肥处理
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。
第六章微生物细胞反应动力学
1 D1 D2
CX1 0.85CX 2; 2 D
2
1 (1
CX1 CX 2
)
1 (1
0.85)
0.151
1
2
0.15
m
0.15
2
0.15
2
0.3
以上计算，表明用两个罐串联发酵（培 养）时间是单罐发酵时间的0.3倍，或说双 罐串联发酵罐体积是单罐体积的0.3倍。反 之，也可以说单罐串联发酵（培养）时间 是双罐串联发酵时间的3.33倍，或说单罐 发酵罐体积是双罐发酵罐体积的3.33倍。
mX mS
分批培养瞬时得率系数可写成：
YX
S
rX rS
• 总的细胞得率系数可写成：
YX
S
CXt CX 0 CS 0 CSt
㏑(CX/C0)
二、微生物间歇培养
1)延滞期 μ= 0 2)加速期 0＜μ＜μmax 3)对数期 μ= μmax 4)减速期
Monod方程：
max
CS Ks CS
rX
dcX dt
CX
生长比速率μ大小，与微生物种类、环境、 营养等有关。
对一定的微生物，在一定条件下，当营养 充足时， μ= μmax，是常数，积分得到：
ln CX t
CX 0
2、细胞反应过程的得率系数
（1）相对底物的细胞得率系数 YX S
定义：
YX
S
生成细胞的质量 消耗底物的质量
假定用两个罐(等体积）串联连续发酵，第一个罐 的菌体浓度为第二个罐的0.85倍。即：CX1=0.85CX2
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5.1 微生物与微生物反应
本节思考题
(1) 为什么说微生物反应类似于化学反应中的自催化反应？
(2) 微生物反应一般可分为哪几类反应？ (3) 微生物反应中的基质的利用主要有哪些作用？ (4) 微生物反应的产物有哪几类？ (5) 有机物的微生物分解反应中产生的能量有哪些用途？
5.2
微生物反应的计量关系
(5.2.1)
产物产率系数(product yield)。
细胞产率系数(cell yield)
Hale Waihona Puke 好氧微生物反应： CHmOn＋a NH3＋bO2 = Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp/c)CO2＋cH2O
(5.2.2)
a=zYx/c+wYp/c b=(1-Yx/c-Yp/c+m/4-n/2)+(Yp/c/4)(-u+2v+3w)+(Yx/c/4)(-x+2y+3z) c=m/2+( Yp/c/2)(-u+3w)+ (Yx/c/2)(-x+3z)
反应系统中细胞的生长量（细胞干燥质量）与反应消耗 掉的某一种基质的质量之比[单位：kg (细胞) /kg (基质) ]
细胞的生长量 X ＝ 反应消耗的基质量 －S
YX/S
(5.2.6)
YX/S值的大小：可能小于1，也可能大于1
5.2
微生物 Saccharomyces cereviside Saccharomyces cereviside Aerobacter aerogenes Aerobacter aerogenes Aerobacter aerogenes Escherichia Coli Candida utilis
5.2
微生物反应的计量关系
计量学限制性基质：细胞生长过程中首先完全消耗掉的物质
生长速率限制性基质：在一定的环境条件下，向反应系统
中加入某一基质，能使微生物生长速率增加，则该基质 被称为生长速率限制性基质。（如：富营养化湖泊的营 养限制因子）
5.2
微生物反应的计量关系
5.2.2 细胞产率系数 5.2.2.1 以基质质量为基准的细胞产率系数Yx/s
第1章绪论
5.1 微生物与微生物反应
①基质利用 类似于化学 反应中的自 催化反应
微生物反 应的类型
②细胞生长
③细胞死亡/溶化 ④产物生成
第一类产物：基质分解代谢产物(如乙醇、乳酸，柠檬酸)。 第二类产物：由合成代谢生成的较复杂的物质（如胞外酶、 多糖、抗生素、激素、维生素、生物碱等） 第三类产物：一般指在碳源过量、氮源等受到限制的条件下 产生的一类物质（蓄能化合物，如多糖、储存于 细胞内的糖原、脂肪等。)
微生物反应的计量关系
基准基质 葡萄糖（好氧） Y X/S ［g•g-1］ 0.53
表5.2.3 细菌的细胞产率系数
葡萄糖（厌氧）
葡萄糖（好氧） 乳酸
0.14
0.40 0.18
丙酮酸
NH4+ NH4+
0.20
3.5 10~22
5.2
微生物反应的计量关系
间歇培养过程中的细胞产率 总产率系数(overall cell yield)
第五章 微生物反应动力学
第五章 微生物反应动力学 本章主要内容
5.1 微生物与微生物反应
微生物反应的特点及其在环境中的应用
5.2 微生物反应的计量关系
基质消耗、细胞生长、代谢产物之间的定量关系
5.3 微生物反应动力学
基质消耗过程及细胞生长速率的定量式（影响因素）
5.1 微生物与微生物反应
本节的主要内容
本节的主要内容
5.2.1 微生物反应综合方程 5.2.2 细胞产率系数 5.2.3 代谢产物的产率系数
5.2
微生物反应的计量关系
5.2.1 微生物反应综合方程
5.2.1.1 微生物浓度的表达方式
一般用质量浓度表示：单位体积培养液中所含细 胞的干燥质量来表示[单位：g（细胞）/L]。
5.2.1.2 微生物细胞的组成式
物的培养液具有非牛顿流体的性质
5.1 微生物与微生物反应
5.1.2 微生物反应及其在污染控制中的利用
5.1.2.1 微生物反应的特点
参与微生 物反应的 主要组分
复杂反应体系
基质、营养物、活细胞、 非活性细胞、分泌产物 等。
微生物反应的总反应式（概括式）
碳源＋氮源＋其它营养物质＋氧→细胞＋代谢产物＋CO2＋H2O
5.1.1 微生物及其分类
5.1.2 微生物反应及其在污染控制中的应用
5.1 微生物与微生物反应
5.1.1 微生物及其分类 （一）微生物的分类 • 原核微生物（如细菌、放线菌） • 真核微生物（如酵母菌和霉菌等真菌、藻类、 原生动物、后生动物） • 古细菌 • 非细胞微生物（如病毒）
5.1 微生物与微生物反应
第1章绪论
5.1 微生物与微生物反应
①合成反应
②维持细胞的活性 ATP 维持能（不 用于细胞合 成以及第二 和第三类产 物的生成）
基质分解 所产生的 能量及其 消耗途径
③保持细胞内外的浓度梯度 ④用于细胞内各类转化反应
⑤热能（释放到环境）
第1章绪论
5.1 微生物与微生物反应
5.1.2.2 微生物反应的影响因素 • 微生物的种类 • 营养物质的种类和浓度(注意抑制作用) • 环境条件（温度、pH、溶解氧、氧化还
在一定条件下，同一类 微生物的细胞元素组成 可以视为相对稳定。
活性污泥：C5H7O2N
C60H87O23N12P C118H170O51N17P C7H10O3N 大肠杆菌：C4.2H8O1.3N
表5.2.1
表5.2.2
5.2
微生物反应的计量关系
5.2.1.3 微生物反应的综合计量式
S＝YxX＋YpP
5.1.1 微生物及其分类 （二）微生物的特性 • 菌体成分（水分含量、元素组成） • 细菌细胞的物理性质（大小与大小分布、密度） • 微生物培养液的性质
单细胞微生物的悬浊液在微生物浓度较低的情况下可 视为流体，当微生物大量分泌多糖等高分子化合物时， 培养液的黏度增加，具有非牛顿流体的性质；丝状微生
原电位等）
第1章绪论
5.1 微生物与微生物反应
5.1.2.3 微生物反应在环境领域中的应用
污染物的生物分解与转化 • 污染水体、土壤的修复
• 城市污水及工业废水的生物处理 • 有机废气、挥发性有机物(VOCs)及还原 性无机气体的生物处理 • 有机废弃物的堆肥处理
工业微生物反应与环境微生物反应的 不同目的、微生物种类、规模