理学发酵动力学.pptx

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1、（2）得率常数）得率常数(或产率，转化率，或产率，转化率，Y)：是是指指被被消消耗耗的的物物质质、合合成成产产物物之之间间的的量量的的关关系系。包包括括生长得率生长得率(Yx/s)和产物得率和产物得率(Yp/s)。生生长长得得率率：是是指指每每消消耗耗1g(或或mol)基基质质(一一般般指指碳碳源源)所所产生的菌体重产生的菌体重(g)，即，即Yx/s=X一一S。产物得率产物得率：是指每消耗：是指每消耗1g(或或mol)基质所合成的产物基质所合成的产物g数数(或或mol数数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质量用掉的基质

2、数量，即投入的基数减去残留的基质量(S。一。一S)。转化率转化率：指投入的原料与合成产物数量之比。：指投入的原料与合成产物数量之比。第1页/共60页 生长得率生长得率基质消耗量转化为菌体生长量的比率基质消耗量转化为菌体生长量的比率 YX/S生长得率，生长得率，g/molX 菌体生长量，菌体生长量，gS 基质消耗量，基质消耗量，g其中为纯生长得率，不包括维持代谢和产物合成纯生长得率，不包括维持代谢和产物合成第2页/共60页 产物得率产物得率基质消耗量转化为代谢产物合成量的比率基质消耗量转化为代谢产物合成量的比率 (6-4)Yp/S实际产物得率，实际产物得率，g/molP 产物生长量，产物生长量，

3、gS 基质消耗量，基质消耗量，g其中其中 (6-5)为理论产物得率为理论产物得率第3页/共60页(2)比比速速率率(包包括括基基质质比比消消耗耗率率，菌菌体体比比生生长长率率，产产物物比生产率）比生产率）基基质质比比消消耗耗率率（mol/gh）系系指指每每活活克克活活菌菌体体在在一一小小时时内内消消耗耗营营养养物物质质的的比比率率。表表示示细细胞胞对对营营养养物物质质利利用用的速率或效率。的速率或效率。菌菌体体比比生生长长率率（mol/gh）系系指指每每克克活活菌菌体体在在一一小小时时内增加菌体的比率。表示细胞的繁殖速率。内增加菌体的比率。表示细胞的繁殖速率。产产物物比比消消耗耗率率（mol/

4、gh）系系指指每每克克活活菌菌体体在在一一小小时时内内合合成成产产物物的的比比率率，它它表表示示细细胞胞的的生生产产能能力力或或合合成成产产物的速度，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率物的速度，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率第4页/共60页微生物代谢过程中基质和产物之间的碳平衡微生物代谢过程中基质和产物之间的碳平衡根据基质的变化情况可建立如下平衡关系：根据基质的变化情况可建立如下平衡关系：C CS S=C=CX X+C+CP P+C+CCOCO2 2 （单位：（单位：molmol）如果用如果用1 1、2 2、3 3、4 4表示基质、菌体、表示基质、菌体、COCO2 2、产物中碳的含量、

5、产物中碳的含量(g(g碳碳/mol)/mol)则，上述平衡也可表示为：则，上述平衡也可表示为：第5页/共60页（微生物的基质消耗比速）微生物的基质消耗比速）（微生物的生长比速）微生物的生长比速）（微生物的微生物的COCO2 2生成比速）生成比速）（微生物的产物生成比速）（微生物的产物生成比速）若定义：若定义：则，上式可简化为：则，上式可简化为：第6页/共60页提问提问1：从野生真菌菌种进行无杂菌培养：从野生真菌菌种进行无杂菌培养2：希腊字母的读法：希腊字母的读法第7页/共60页 A B 第8页/共60页二、分批培养时微生物生长数学模型二、分批培养时微生物生长数学模型 分批培养特点：一次接种，培

6、养一定时间，分批培养特点：一次接种，培养一定时间，一次放罐。一次放罐。设：种子罐开始细胞浓度为设：种子罐开始细胞浓度为X X0 0，在，在1 1小时内有小时内有部分细胞分裂部分细胞分裂(一分为二一分为二)，假定分裂率为，假定分裂率为。则：每小时能分裂的细胞数为：则：每小时能分裂的细胞数为：X X0 0 未分裂的细胞数为：未分裂的细胞数为：(X(X0 0-X X0 0)所以，经过所以，经过1 1小时后细胞浓度小时后细胞浓度X X1 1:X X1 1=X=X0 0-X X0 0+2+2X X0 0=X=X0 0(1+(1+)第9页/共60页经过经过2 2小时后细胞浓度小时后细胞浓度X X2 2：X

7、 X2 2(X(X1 1X X1 1)2 2X X1 1=X=X1 1(1+(1+)X X0 0(1+(1+)(1+)(1+)=X)=X0 0(1+(1+)2 2类推：经过类推：经过t t小时后，细胞浓度小时后，细胞浓度X Xt t:X Xt t=X=X0 0(1+(1+)t t应用极限方式，有：应用极限方式，有：亦即亦即:第10页/共60页 X X1 1=X=X0 0(1+(1+)X Xt t=X=X0 0(1+(1+)t t=X X0 0(1+(1+)t t由假设，由假设，0 0 因此，种子罐内对数生长期菌体浓度与培养时因此，种子罐内对数生长期菌体浓度与培养时间的关系式：间的关系式：第11

8、页/共60页若微分上式，有：若微分上式，有：即：在微生物培养过程中，菌体在某时刻的即：在微生物培养过程中，菌体在某时刻的增长速率和此时刻培养液中菌体浓度成正比。增长速率和此时刻培养液中菌体浓度成正比。(单位菌体在单位时间内的增加量单位菌体在单位时间内的增加量)(即为菌体的比生长速率即为菌体的比生长速率)第12页/共60页实际生长比速实际生长比速kX X，或，或 要得到培养时间与菌体浓度关系的表达式，要得到培养时间与菌体浓度关系的表达式，则需要解微分方程：则需要解微分方程：第13页/共60页复合函数求导：复合函数求导：则式则式(1)(1)可写作：可写作：化简得：化简得：一阶线性非齐次方程一阶线性

9、非齐次方程第14页/共60页其解为：其解为：第15页/共60页确定初始条件：确定初始条件：t=0t=0 时，时，X=XX=X0 0，则得：则得：8-44第16页/共60页第三节第三节 微生物发酵动力学微生物发酵动力学一般说来，一般说来，M M生长培养和发酵方式有生长培养和发酵方式有分批培养分批培养连续培养连续培养补料分批培养补料分批培养第17页/共60页一、分批培养（一、分批培养（batch culturebatch culture）非恒态培养法，密闭系统，一次性，过程非恒态培养法，密闭系统，一次性，过程中营养成分不断降低。中营养成分不断降低。(一一)微生物生长曲线微生物生长曲线第18页/共6

10、0页分批培养微生物群体的生长分批培养微生物群体的生长1.1.延缓期延缓期 2.2.对数期对数期 3.3.稳定期稳定期 4.4.衰亡期衰亡期1234第19页/共60页(二二)四个时期四个时期1.1.延滞期（延滞期（lag phaselag phase）其它名称：停滞期、调整期、适应期其它名称：停滞期、调整期、适应期现象：现象：活菌数没增加，曲线平行于横轴。活菌数没增加，曲线平行于横轴。特点：特点：生长速率常数生长速率常数=0=0；细胞形态变大（长）；细胞形态变大（长）；细胞内细胞内RNARNA特别是特别是rRNArRNA含量增高；含量增高；合成代谢活跃，易产生诱导酶；合成代谢活跃，易产生诱导酶；

11、对外界不良条件敏感。对外界不良条件敏感。第20页/共60页原因：原因：适应新的环境条件，合成新的酶，积累必要适应新的环境条件，合成新的酶，积累必要的中间产物。的中间产物。影响延迟期长短的因素：影响延迟期长短的因素：菌种菌种接种菌龄接种菌龄(对数生长期进行转接对数生长期进行转接)接种量接种量(大，易形成优势大，易形成优势)培养基成分培养基成分(合成与天然培养基合成与天然培养基)第21页/共60页2.2.对数期（对数期（logarithmic phaselogarithmic phase）其他名称：指数期其他名称：指数期现象：现象：细胞数目以几何级数增加，其对数与时间呈细胞数目以几何级数增加，其对

12、数与时间呈直线关系。直线关系。特点：特点：生长速率常数最大生长速率常数最大;平衡生长平衡生长;代谢最旺盛代谢最旺盛;对理化因素较敏感对理化因素较敏感;影响因素：影响因素：菌种菌种;营养组分与各组分的浓度营养组分与各组分的浓度;培养培养温度温度;第22页/共60页3.3.稳定期（稳定期（stationary phasestationary phase）又称：恒定期或最高生长期又称：恒定期或最高生长期特点：特点：细胞增殖与死亡数几乎相等，细胞数达最高值；细胞增殖与死亡数几乎相等，细胞数达最高值；开始积累内含物或产芽孢；开始积累内含物或产芽孢；开始开始合成次生代谢产物合成次生代谢产物；影响因素：影响

13、因素：限制性营养物的量；限制性营养物的量；营养物的比例；营养物的比例；有害代谢废物的积累；有害代谢废物的积累；物化条件；物化条件；第23页/共60页4.4.衰亡期（衰亡期（Death or decline phaseDeath or decline phase）特点：特点：出现出现“负生长负生长”；细胞出现多形态变化；细胞出现多形态变化；菌体死亡、自溶；菌体死亡、自溶；影响因素：影响因素：环境条件变化；环境条件变化；分解代谢超过合成代谢；分解代谢超过合成代谢；第24页/共60页(三三)微生物生长速度的动力学方程微生物生长速度的动力学方程 比生长速率受限制性基质浓度的影响。二者之间的比生长速率受

14、限制性基质浓度的影响。二者之间的关系由关系由MonodMonod式描述：式描述：当存在当存在多种限制性营养基质多种限制性营养基质时，方程可改为时，方程可改为:如果所有营养物过量，细胞生长可处于对数生长期，如果所有营养物过量，细胞生长可处于对数生长期，可达到可达到=maxmax。第25页/共60页(四四)营养利用和产物生成动力学营养利用和产物生成动力学1.1.反应速度方程式的推导反应速度方程式的推导 F,SF,S0 0,X,X0 0V,S,XV,S,X，P PF,S,X,PF,S,X,P第26页/共60页 根据体系物料平衡原理有：根据体系物料平衡原理有：(1)(1)菌体增长：菌体增长：(2)(2

15、)限制性基质限制性基质这里：这里：(基质的菌体得率基质的菌体得率)(基质的产物得率基质的产物得率)第27页/共60页式中：式中：F,FF,F：基质流量：基质流量(L/h)(L/h)；X X：细胞浓度细胞浓度(g(g菌体菌体/L)/L)；V V：发酵液体积发酵液体积(L);(L);S S0 0：流入基质浓度流入基质浓度(g(g基质基质/L)/L)S S：流出基质浓度流出基质浓度(g(g基质基质/L)/L)Y YX/SX/S：基质的菌体得率基质的菌体得率(g(g菌体菌体/g/g基质基质)Y YP/SP/S：基质的产物得率基质的产物得率(g(g产物产物/g/g基质基质)Q QP P：比产物生成速率比

16、产物生成速率(g(g产物产物/g/g菌体菌体.h).h)X X：菌体浓度菌体浓度(g(g菌体菌体/L)/L)m m：碳源维持常数碳源维持常数(g(g基质基质/g/g菌体菌体.h).h)P P：发酵液中产物浓度发酵液中产物浓度(g(g产物产物/L);/L);k k：产物分解常数产物分解常数(h(h-1-1););45第28页/共60页（3 3）产物生成）产物生成 产物浓度变化生成量流出量被分解量产物浓度变化生成量流出量被分解量 用于分批发酵，用于分批发酵，F F，F F0 0，考虑产物不分解，考虑产物不分解，则分批发酵动力学为：则分批发酵动力学为：第29页/共60页菌体浓度变化：菌体浓度变化：产

17、物浓度变化：产物浓度变化：基质浓度变化：基质浓度变化：第30页/共60页二、补料分批培养二、补料分批培养1 1、单一补料分批培养、单一补料分批培养(P(P162162)是补料分批培养中的一种类型。是补料分批培养中的一种类型。特点：补料一直到培养液达到额定值，中途特点：补料一直到培养液达到额定值，中途不取出培养液。不取出培养液。间歇补料操作间歇补料操作连续补料操作连续补料操作按操作方式按操作方式第31页/共60页第32页/共60页假定：假定：S0、X0 分别为起始营养物和菌体的浓度，分别为起始营养物和菌体的浓度，S为某时刻底物浓度为某时刻底物浓度则：某一时刻培养液中细胞浓度则：某一时刻培养液中细

18、胞浓度X为为最大细胞浓度最大细胞浓度X Xmaxmax为：为：第33页/共60页此时，若以恒定此时，若以恒定F流加培养基，并保证流加培养基，并保证DDc 时，冲出现象；时，冲出现象；当当D 1)，根据质量守恒定律，则，根据质量守恒定律，则X和和S的物料的物料衡算分别为：衡算分别为：第55页/共60页由式由式(A)(A)有：有：由式由式(B)(B)有：有：第56页/共60页若令若令(1+-c)=K，则：则：在这种情况下，临界稀释速率在这种情况下，临界稀释速率D Dc c同时，结合式同时，结合式(C)和和Monod方程，有：方程，有：第57页/共60页多罐串连系统多罐串连系统(1)(1)流入液瞬间混合均匀；流入液瞬间混合均匀；(2)(2)微生物细胞无死亡；微生物细胞无死亡；(3)(3)罐容积系统；罐容积系统；(4)(4)第一只罐中流加新鲜培养基；第一只罐中流加新鲜培养基；Xn,Pn,SnF第58页/共60页第59页/共60页感谢观看！感谢观看！第60页/共60页