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。
c/β-αv/β • 延滞期L= n0+r/β
(二)指数生长期
• 对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间 内其细胞数目将成倍增加。 • 而对于丝状微生物而言，单位时间内其生物量 将加倍。 • 此时，如以细胞数目或生物量的对数对时间作 一对数图，将得一直线，因而这一时期称作指 数生长期。
指数生长期细胞特点
• F: AQs=Bμ+Qo2+CQp
• A是碳源完全燃烧的需氧量；B是细胞 完全燃烧的需氧量，对微生物细胞大 约为45mmolO2/g菌体；C是产物完全 燃烧的需氧量；并假定菌体和产物中 的氮在燃烧时都成为氨。
• 由上可知，如果测定了μ、Qs以及Qo2或 Qco2根据式E和F可判断过程中是否有产物 包括中间代谢产物生成。 • 如果产物的生成可以忽略，有式F可得到： • Qo2=AQs-Bμ 整理后得到： • 1/Yx/o=A/YX/S-B • 因此在没有产物形成时，按照YX/S和Yx/o关 系，可以估计菌体生成的需氧量。
对于单细胞的微生物来说，还可进一步简化为
N—培养基中的细胞密度。
•对于特定的微生物而言，其比生长速率μ只与三个因素有关。限 制性营养物质的浓度、最大比生长速率μm、底物相关常数Ks。 •假定营养物质进入细胞后，立即被利用而不积累，则存在以下关 系式：
Ks一一底物相关常效，为μ为 1/2μm时限制性营养物质的浓度。
Hale Waihona Puke Baidu
5.2培养过程的物料平衡
5.1.1得率系数和比速率
• 菌体生长速率：单位体积、单位时间生长 的菌体量（g/h.L)
dc(X) 或 =µ c(X) vx= dt dc(X) 1
µ =
c(X)
·
dt
μ除受细胞自身的遗传信息支配外，还受 环境因素的影响。
• 碳源+氮源 + 氧
△S + △N + △O2
减速期
分批培养条件下微生物的生长曲线
(一) 延滞期
• 把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的最 初一段时间里，尽管微生物细胞的重量有所增加， 但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞期。
• 延滞期细胞特点： • 细胞本身面临着一系列的变化，如PH值的改 变、营养物质供给增加等。因而，延滞期的微 生物主要是适应新的环境，让细胞内部对新环 境作出充分反应和调节，从而适应新的环境。 • 从生理学的角度来说，延滞期是活跃地进行生 物合成的时期。微生物细胞将释放必需的辅助 因子，合成出适应新环境的酶系，为将来的增 殖作准备。
Asp.niger Uv06---------citric acid
C.glutamicum As1299---------glutamic acid
（2） 厌氧性发酵(anaerobic fermentation) ：在发酵过程中 不需要供给无菌空气。 e.g. lactic acid bacteria --------lactic acid Bacillus clostridium -------acetone-butanol （3）兼性发酵 (facultative fermentation) ：
•
•
Qs-Qp/Yp=m+μ/Y'G
• 氧的消耗与碳源的消耗也很相似，在由加 氧酶作用的产物生成可以忽略不计的情况 下，消耗的氧部分用于维持，部分用于细 胞生长： • Qo2= mo+μ/YGO • mo关于氧的维持系数；YGO 以氧为基准的 细胞得率系数。
• 5.2 微生物生长动力学
• 无论好氧与厌氧发酵都可以通过深层培养 来实现，这种培养均在具有一定径高比的 圆柱形发酵罐内完成。
• 培养过程中的物质相互转化式：
• A:碳源+氮源
+ 氧
细胞 +产物+CO2+H2O
△X +
• B:(-ΔS)+(-ΔN)+(-ΔO2)
△P+△CO2+△H2O
• C:CHmOl+aNH3+bO2= • ycCHpOnNq+ypCHrOsNt+dH2O+eCO2 • yc为无因次生长得率，与YX/S的关系： α2 • yc= YX/S α1是碳源含碳量α2是细胞含碳量 α1
5
5.1发酵
• 发酵作用：所谓的发酵，广义的讲就是利用微生
物或生物化学的手段，将各种物质加以改变，然
后利用由此产生的能量及代谢中间体，而得到各
种有用的物质过程。
发酵的类型
根据微生物的种类不同，可分为好氧性发酵、厌氧性 发酵和兼性发酵。
（1）好氧性发酵(aerobic fermentation)：在发酵过程 中需要通入一定量的无菌空气，满足微生物呼吸需要。 e.g. Bacillus subtilis -----------amylase Corynebacterium 265-----------inosinic acid
• 可以得出：Qs-Qp/Yp=m+μ/YG • 其中Yp是产物的最大得率系数 • Yp=-ΔP/ΔSp
• 在复合培养基中培养细胞，可以认为培养 基中的有机氮源用于合成细胞物质，碳源 仅用来提供能量，当无产物生成时，
• （-ΔS）=（-ΔS）M+（-ΔS）G • 于是
Qs=m+μ/Y'G • 当有产物形成时，
• 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。
根据发酵操作
• (1)分批式操作 底物一次装入罐内，在适宜条 件下接种进行反应，经过一定时间后将全部反 应系取出。 • (2)半分批式操作 也称流加式操作。是指先将 一定量底物装入罐内，在适宜条件下接种使反 应开始。反应过程中，将特定的限制性底物以 一定速率或时间间隔送入反应器，以控制罐内 限制性底物浓度保持一定，反应终止取出反应 系。 • (3)反复分批式操作 分批操作完成后取出部分 反应系，剩余部分重新加入底物，再按分批式 操作进行。
产物关于细胞的得率系数
Yp/x=∆P/∆X
二氧化碳关于碳源的得率系数 Yco2/s=-∆CO2/∆S
基质的消耗速率vs dc(s) vx μc(X) vs= == dt YX/S YX/S
当基质既是能源又是碳源时，就应考虑维 持能量，即： 碳源总消耗量 = 用于生长的 + 用于维持代谢 消耗速率 的消耗速率 1 v vS = m· c(X) + x YG 菌体生长得率系数 菌体维持代谢 的维持系数
延滞期长短对发酵结果的影响
• 种子培养基和培养条件必须合适，只有这样才能 获得高的产量。 • 接种后延滞期的长短关系到发酵周期的长短，而 与产物形成速率和产率并无必然联系。 • 实际生产过程中，为缩短发酵周期、提高设备利 用宰、提高体积生产率，就必须尽可能地缩短延 滞期。
• 解决途径： • 一是尽量选择处于指数生长期的种子； • 二是扩大接种量。但是，如果要扩大接种量，又 往往需要多级扩大制种，这不仅增加了发酵的复 杂程度，又容易造成杂菌污染，故而应从多方面 考虑。
影响延滞期长短的因素
• 接种材料的生理状态，如果接种物正处于指数生 长期，则延滞期可能根本就不出现，微生物在新 的培养基中迅速开始生长繁殖，如果接种物在原 培养基中已将营养成分消耗殆尽，则要花费较长 时间来适应新培养基。 • 培养基的组成和培养条件也可影响延滞期的长短。 • 接种物的浓度对延滞期长短也有一定影响，加大 接种浓度可相应缩短延滞期。
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
• 无因次产物得率yp • α3 • yp= α Yp/s 1
，α 是产物含碳量
3
• 对A式中的碳元素进行物料平衡，有：
• D: α1（-ΔS)=α2ΔX+α3ΔP+α4ΔCO2 • 将其写成比速率的关系，则有：
• E:α1Qs=α2μ+α3Qp+α4Qco2
• 对A式中各种物质完全氧化时的需氧量衡算：
分批发酵的特点
• • • • 微生物所处的环境是不断变化的 可进行少量多品种的发酵生产 发生杂菌污染能够很容易终止操作. 当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易 改变处理对策 • 对原料组成要求较粗放
• 分批培养过程中细菌生长曲线：可分为延滞期、 对数生长期、减速期、静止期和衰亡期五个阶段。 • 研究细胞的代谢和遗传宜采用生长最旺盛的对数 生长期细胞。 • 在发酵工业生产中，使用的种子应处于对数生长 期，把它们接种到发酵罐新鲜培养基时，几乎不 出现延迟期，这样可在短时间内获得大量生长旺 盛的菌体，有利于缩短生产周期。 • 在研究和生产中，时常需要延长细胞对数生长阶 段。
• 细胞保持均恒生长。 • 不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质， 并不断向培养基中分泌代谢产物。 • 由于此时培养基中的营养成分远远过量，且积累 的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖， 因而微生物的生长速率不受这些因素的影响，而 仅与微生物本身的比生长速率μ及发酵液中的生 物量浓度X(g/L)相关。
• 代谢产物的生成速率vp：单位体积、单 位时间内，产物形成的量。 dc(P) vp= dt • 产物的比生成速率Q：
Qp= X
1
dp dt
Vp = X
Vs 基质的比消耗速率： Qs =c(X)
氧的比消耗速率
Qo2=-
1 X
do2 dt
二氧化碳比生成速率 Qco2=
1 X
dCO2 dt
5.1.2培养过程的化学计量关系
• 关于延滞期的计算，研究人员认为，培养 液中存在某种物质，达到一定浓度时延迟 期结束，并提出以下关系： • c=αv+βn0t+rt • c是物质浓度；v是种液体积；n0是种液中细 胞的浓度；α是种液中该物质浓度；βn0是 该物质的生产速度；r细胞内该物质的生产 速度；
• 当c达到临界值C'时，延迟期结束，
• (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。
细胞 +产物+CO2+H2O
△X + △P + △CO2+△H2O
S0-S
X-X0
X-X0 △X YX/S= =S-S0 △S 细胞关于基质的得率系数：即每消耗 1g基质所生成的细胞克数. 其倒数反映了生成单位质量细胞所需碳 源量
细胞关于氧的得率系数
Yx/o=-∆X/∆O2
产物关于碳源的得率系数
Yp/s=-∆P/∆S
•
m为维持系数，X为菌体浓度。 （-ΔS）G= ∆X/Y'G Y'G 用于生长的能量得率系数
• 同化作用构成细胞所消耗的碳源中的碳转 化为细胞成分： • α1（-ΔS）A=α2ΔX • 如果无产物形成：则ΔSp=0,Qs=m+μ/ YG 其中： ∆X • YG= α1Y'G =
α1+α2Y'G （-ΔS）G+（-ΔS）A
• 在基本培养基中，细胞所消耗的碳源，用 于产生能量、合成细胞成分及产物，可用 下式表示：
• （-ΔS）=（-ΔS）M+（-ΔS）G+（-ΔS）A+（-ΔS）P
产生能量维持 代谢所消耗的 碳源 产生能量供 细胞生长所 消耗的碳源 同化作用构成 细胞所消耗的 碳源
形成产物所 消耗的碳源
• 则有（-ΔS）M=mX∆t