Transcript 2012-MT9

第五章
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。
微生物反应是非常复杂的反应过程。
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第一节
微生物反应过程概论
一、微生物反应过程的主要特征
√微生物是该反应过程的主体。
√微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系。
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微生物反应是非常复杂的反应过程
（1）反应体系中有细胞的生长、基质的消耗和
产物的生成，有各自的最佳反应条件。
（2）反应有多种代谢途径。
（3）反应过程中，细胞形态、组成随菌龄不
同而不同。
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二、微生物反应动力学的描述方法
细胞生长动力学
反应基质消耗动力学
代谢产物生成动力学
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第二节 发酵动力学分类
一、根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类
1．生长产物合成偶联型
2．生长产物合成半偶联类型
3．生产与产物合成非偶联类型
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第三节 微生物生长动力学
第一部分 分批培养动力学
一、分批培养中细胞的生长动力学
单细胞的微生物可进一步简化为
N—培养基中的细胞密度。
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Monod方程
   max
S
Ks  S

S crit 临界底物浓度，比生长
速率μ达到最大比生长速率
μmax时的最低底物浓度。

对于任一营养物质
KS一底物相关常数，为μ等于
1/2μm时限制性营养物质的浓度。
S> S crit，为非限制性底物
S< S crit，为限制性底物
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双基质限制生长动力学
两种基质浓度较低时，共同限制微生物生长：
S1
S2
   max(
)(
)
KS 1  S 1 K S 2  S 2
多种限制性底物：
S1
S2
   max(
)(
).......
KS 1  S 1 KS 2  S 2
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细胞生长稳定期和延迟期的Monod型动力学
(1) 延迟期动力学模型的建立
s
 (s, t )   max
(1  e t / t L )
Ks  s
(2) 生长稳定期动力学模型的建立
x
rx    x(1  )

式中和是经验常数，取=max和=xmax
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二、基质消耗动力学
基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成分，其消
耗分为三个方面：细胞生长，合成新细胞；细胞维持
生命所消耗能量的需求；合成代谢产物。
dS 1 dX
1 dP
 
  mX 

dt YX / S dt
YP / S dt
QS 

YX / S
QP
m
YP / S
基质比消耗率QS=-dS/Xdt
产物比生产率QP=dP/Xdt
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三、分批培养产物合成的动力学
(一)生产连动型产物形成(I型发酵)
生长速率μ
基质消耗qk
产物形成qp
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(二)部分生长连动型产物形成(II型发酵)
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(三)非生长连动型产物形成(Ⅲ型发酵)
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第二部分 连续培养动力学
连续培养：
以一定的速率向发酵液中添加新鲜
培养基的同时，以相同的速率流出
培养液，从而使发酵罐内的液量维
持恒定不变，使培养物在近似恒定
状态下生长的培养方法。
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一、连续培养概述

按种类（设备）分：
全混流反应器
活塞流反应器

全混流反应器分为：
恒化器
恒浊器
15
二、连续培养反应动力学

对于正确设计一种连续发酵方案，重要的是选
择适宜的稀释度D，为此必须了解产率Yx/s，
生长比速率μ，最大比生长速率μm、饱和常
数Ks、产物形成速率以及营养消耗速率等。

最合适的D值不仅和产量曲线(DX)有关，而且
还应考虑原料的类型、价格、产品的经济价值
等方面。
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1、单级恒化器的发酵动力学






X：反应器内菌体浓度（g/L）
P：产物浓度（g/L）
V：反应器内发酵液体积（L）
X0
F
F
S
S0
So: 流加发酵液中基质的浓度(g/L)
S: 反应器内基质的浓度(g/L)
F: 补料速度(L/h)
X
P
X
S
P
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对菌体
积累的细胞=(进入-流出)的细胞+(生长-死亡)的细胞
dx
V
 F ( x0  x)  V (    ) x
dt
x0  0,    , V恒定不变
dx
（  D）x （5.1.2）
dt
其中： D  F / V
（5.1.3）
D：稀释率（h 1）
(5.1.1)
X0
F
X
F
S
S0
P
X
S
P
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对限制性底物
积累的底物=（进入-流出）的底物-（生长+形成产物
+维持代谢）消耗的底物

V
ds
1 dx
1 dp
 F ( s0  s)  V (

 ms x)
dt
Y x / s dt Y p / s dt
(5.1.4)
或
rp
ds

 D( s0  s)  (

 ms ) x
dt
Y x/s Y p/s
(5.1.5)
X0
F
X
F
S
S0
P
X
S
P
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对产物形成
积累的产物=（生成-流出）的产
物
dp
dp
V
V(
)生成  F  p
(5.1.6)
dt
dt
dp
 (
)生成  Y p / x  x或  rp  x (5.1.7)
dt
将（5.1.7）代入（5.1.6），得
dp
Y
dt
或
p/ x
 x  D  p
dp
 rp  x  D  p
dt
（5.1.8）
（5.1.9）
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连续培养时细胞浓度、限制性基质浓度、
细胞生产率与稀释率的关系
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5、连续培养动力学的应用
•
确定最佳培养条件
•
富集，选育特殊性状菌种
•
•
建立选择性的培养环境
生长速率不同的菌种在连续培养中的“去”“留”。
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第五章
要
点
1、 什么是微生物反应动力学？
2、 画图说明发酵过程动力学的三个类型及其特征。
3、说明分批培养过程中发酵液中细胞浓度、基质
浓度和产物浓度的变化情况。
4、连续培养的优点和缺点是什么？单级连续培养
时培养达到稳定状态时的主要特点是什么？
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