最新第8章-微生物反应动力学课件ppt

1. 长时间的培养，微生物及变异， 发酵易染菌 2. 新加入的培养基与原有的不完全 混合，影响培养基的利用率 3. 必须和整个作业的其他工序一致 4. 收率与产物浓度较分批法稍低 5. 有可能被杂菌污染及变异，诸因 素对生物反应的研究和动力学关系 不能充分解释
第二节 分批培养动力学
连续发酵（continuous fermentation)即连续培养 类型
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。
第二节 分批培养动力学
发酵按 照操作 方法分
分批发酵 补料分批发酵 连续发酵
第二节 分批培养动力学
分批发酵（batch fermentation)即分批培养 定义：
指一次投料、一次接种、一次收获的间歇培养 方式。即是在一封闭系统内含有初始限量基质的 发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及 控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。 发 酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。
第二节 分批培养动力学
一、分批培养中细胞的生长动力学
2、对数生长期 ：细胞浓度的变化率与细胞浓度成正比
dX dt
=
µX
细胞生长不受限制
dX dt
=
µmX
（X:细胞干重浓度kg/m3； t:时间s； µ:比生长速率 s-1
Xt X0et 或 Nt N0ent
时间t1时细胞浓度为X1，则t2时细胞浓度X2为：
定义： 在培养过程中（一般是微生物培养到对数生长期）
，一方面连续地向发酵罐中加入培养基，另一方面同 时以相同的流速从发酵罐中排出含有产品的发酵液。 使发酵罐内料液 量维持恒定，微生物在近似恒定状态 （恒定 的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、 恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方 式。
第二节 分批培养动力学
补料分批发酵（fed-batch fermentation)
可除去快速利用碳源
优点
的阻遏效应，并维持适
使发酵系统中维持很低的基质浓度； 当的菌体浓度，使不致
和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；加剧供氧的矛盾；
不会产生菌种老化和变异等问题。
避免培养基积累有毒 代谢物。
缺点 存在一定的非生产时间； 和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基， 增加了染菌的
原因：在新的环境，缺乏分解或催化相关底物的酶。
缩短和消除延迟期的方法有：增加接种量、采用最适种 龄、选用繁殖速度快的菌种以及尽量保持接种前后所处 的培养基介质和条件一致。
第二节 分批培养动力学
一、分批培养中细胞的生长动力学
1、延迟期：适应过程
细胞初浓度X0一定,限制性基质浓度S0不同 限制性基质浓度S0一定,细胞初浓度X0不同
第二节 分批培养动力学
分批发酵（batch fermentation)即分批培养 特点：
微生物所处的环境在发酵过程中不断变化， 其物理，化 学和生物参数都随时间而变化， 是一个不稳定的过程。
优点：操作简单； 操作引起染菌的概率低，且发生杂菌污 染后易终止操作； 不会产生菌种老化和变异等问题；当运 转条件变化时，易改变处理对策；对原料组成要求较粗放。 缺点：非生产时间较长、设备利用率低。
X2=X1exp[µm(t2-t1)]
ln2 倍增时间：td = µm
第8章-微生物反应动力学
微生物反应动力学
研究各种环境因素与微生物代谢活动 之间相互作用随时间而变化的规律。
生产控 制最优 化
微生物 反应动 力学
具体 内容
工厂比 拟放大
微生物生长过程中质量 的平衡
发酵过程中菌体的生长 速率、基质消耗速率和 产物生成速率的相互关 系
环境因素对这三种速率 的影响及影响反应速率 的因素
危险。
第二节 分批培养动力学
补料分批发酵（fed-batch fermentation)
类型：
补料方式： 连续流加 不连续流加 多周期流加
补料成分： 单一组分流加 多组分流加
控制方式： 反馈控制 无反馈控制
第二节 分批培养动力学
连续发酵（continuous fermentation)即连续培养
恒化培养 使培养基中限制性基质的浓度保持恒定
恒浊培养 使培养基中菌体的浓度保持恒定
第二节 分批培养动力学
一、分批培养中细胞的生长动力学
静止期 减速期
衰亡期
对数生长期 延迟期
时间
菌体浓度
第二节 分批培养动力学
一、分批培养中细胞的生长动力学
1、延迟期：适应过程
主要特征：代谢活跃，大量合成细胞分裂所需的酶类、 ATP等；体积增大；分裂迟缓。
三、 类型Ⅲ（与生长不相关型）
一般产物形成是在菌体生长接近或达到最高生长 时期（稳定期）
产物形成与碳源利用无准量 关系，如：抗生素、维生素等 次级代谢产物。
产量一般不超过碳源耗量的 10％。
第一节 发酵类型
发酵的分类对实践的指导意义
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；
第二节 分批培养动力学
分批发酵（batch fermentation)即分批培养
阶段：分延迟期、对数生长期、减速期、稳定期和衰亡期。
第二节 分批培养动力学
分批发酵（batch fermentation)即分批培养
典型的分批发酵工艺流程
第二节 分批培养动力学
补料分批发酵（fed-batch fermentation) 即半连续发酵或半连续培养 定义：指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜 培养基的培养方法。
微生物反应动力学
1
发酵类型
2
分批培养动力学
3
连续培养动力学
第一节 发酵类型
二、类型Ⅱ （生长部分相关型）
其产物不是碳Baidu Nhomakorabea的直接氧化产物，而是菌体代谢的 主流产物，产量较高。
分两类： ①产物的形成是经过连锁反应的过程； 如：丙酮丁醇 ②产物的形成不经过中间产物的积累。 如：谷氨酸
第一节 发酵类型
第二节 分批培养动力学
连续发酵（continuous fermentation)即连续培养
特点
优点
缺点
1. 提供一个微生物在恒定状态下 高速生长的环境 2. 工业上减少清洗、装料等操作 3. 产物的生产稳定，可节省人力 物力等 4. 可作为分析微生物的生理、生 态及反应机制的有效手段 5. 所需的设备和投资少，便于实 现自动化 6. 产物质量比较稳定