页数：107页文件大小：2.47 MB来源： 微生物工程工艺原理ppt课件
本课件延续发酵动力学内容，比较分批、连续与流加发酵的操作方式与动力学差异，讨论稀释率、溶氧与基质流加策略对菌体生长和产物积累的影响，并结合实例说明模型的应用与过程放大思路。
第七章发酵动力学
各种变量在菌体活动中的变化规律，以及各种发酵条件对这些变量变化的影响。菌体生长、基质消耗、产物生成三者间的动态平衡及内在规律。意义更加深入地认识和掌握发酵过程，为工业发酵的模拟、优化和控制打下基础。为最佳发酵条件控制提供依据研究方法数学模型定量描述发酵过程中细胞生长速率、基质利用速率和产物生成速率等因素的变化。
研究代谢规律及其影响因素并建立其与影响因素的关联动力学模型反应器特性
微生物反应(生长代谢)过程中的碳平衡微生物反应通式：碳源＋氮源＋O2→菌体＋产物＋CO2+H2O
1、最低培养基与完全培养基最低培养基：由单一碳源葡萄糖和无机盐组成。葡萄糖作为能源、构成菌体的材料。完全培养基：含有碳源、无机盐，还含有供构成菌体所需要的材料，e.g.酵母膏、牛肉膏。
源有机能源分解代谢CO2ATP[H]中间代谢物生长繁殖细胞组分合成代谢小分子营养物
（酒精、乳酸、醋酸等）碳源（供作能源和细胞材料）ADPATP（嫌气）低分子物质（丙酮酸）组成细胞的材料(单核苷酸氨基酸等)ATPATPATPADPATP（好气）CO2O2低分子物质（三羧酸循环代谢产物）高分子物质(H)聚合体最低培养基碳源利用图
维生素等(构成细胞材料)碳源(能源)基质水平磷酸化ADPATP生成物(酒精,乳酸,醋酸等)(嫌气)低分子物质(丙酮酸)氧化磷酸化ADPATPH2O(H)O2(好气)高分子物质(DNA,RNA,蛋白质,脂肪,多糖等)聚合体(细胞膜,核糖体,细胞核,线粒体)ATPATPCO2完全培养基碳源利用图
菌体细胞的元素组成有些区别，但差别不大，因此可看作是相对稳定的。这样，就可以根据基质中的营养物质(S)、菌体(x)、产物(P)和二氧化碳中碳元素的数量写出微生物反应过程碳元素的衡算式：2.微生物生长代谢过程中基质和产物之间的碳元素平衡底物：Substrate产物：Product
生物的生长比速）（微生物的CO2生成比速）（微生物的产物生成比速）若定义：则，上式可简化为
此值接近1，说明估计途径基本正确；小于0.6，则途径有误差。
3、微生物生长过程中的主要基质——碳平衡在以糖为碳源的M生长过程中，数学式：G：GrowthM：mediateP：Product
表示用于微生物生长的碳源对菌体的得率常数；m—表示微生物的碳源维持常数；YP—表示碳源对代谢产物的得率常数；则有Y：Yield
得直线，可求得维持常数m，用于微生物生长的碳源对菌体的得率常数YG的倒数。
则：而：⇒
也得直线
4、细胞物质生产过程中碳源的化学平衡YX/S越接近YG，说明碳源转化为菌体的效率越高。注意理解YX/S与YG的区别，（YX/S<YG）
4.细胞物质生产过程中碳源的化学平衡发酵是复杂的生化反应过程。目前只能从宏观上，依据质能守恒定律，确定整个反应过程的基质消耗、菌体生长、呼吸、放热、代谢产物生成等质量和能量转化的规律及其定量关系，列出总的化学计量方程式、作为发酵过程质量和能量衡算及过程优化的基础。
理：①对复杂分子组成的原料用简化的化学式表示。如碳源用C6H12O6或CH2O表示；氮源用NH3示；磷、硫源分别用H3PO4和H2SO4表示；②忽略反应中的一些次要的元素和成分。如一般在菌体组成式中略去P、S及其它无机元素；反应物中相应略去P、S等；生成物中略去不重要的副产物；
程，其化学平衡式为：200 67.2 84.6 121 61.6从实验结果来看，200gC6H12O6可生成84.6g酵母菌菌体，即如果考虑菌体的N、P等元素，则可得到约100g干酵母菌，即Yx/s约为0.5。
5、微生物生长过程中进行碳衡算的意义(1)为提高生产水平提供依据。(2)为建立发酵动力学模型奠定基础。(3)为探求X的自控方法打下基础。
循环与氧平衡1、ATP循环合成代谢分解代谢维持代谢ATPADP繁殖
2、ATP的产生——生物氧化复习：基质水平磷酸化(获得能量少)电子传递水平磷酸化(获得能量多)
子传递体系氧化酶需氧脱氢酶NAD传递FAD传递以有机物为受体以无机物为受体
底物水平磷酸化
H2OPi底物水平磷酸化
H2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c-c1-aa3Fe S2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸Fe S2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸ADP→ATPADP→ATP
3、微生物生长代谢过程中的氧平衡根据单一碳源培养基内，可建立下列平衡：A(-△S)=B(△X)+C(△P)+(△O2)式中：A、B、C分别为基质、菌体、产物完全氧化时的需氧量.△O2为M生长代谢过程中的耗氧量△O2一定时间内维持生命活动的耗氧：m0X△t生长菌体的耗氧：△X/YGOYGO用于菌体生长的氧对菌体的得率则有：△O2＝m0X△t＋△X/YGO-------------式（7-10）
（8-7）-------------式（8-13）由8-11、8-12式可得：同时，前面可知
）和（8-7）式可得有：因此，可以根据m、YG、mo、YGo之间的关系进行相互换算；
4.ATP消耗对菌体的得率YATP与ATP平衡能量供应是一切生化反应进行的前提，当其他原料供应充足时，菌体的生长就取决于ATP的供应情况，这种生长就是能量生长偶联型；当ATP供应充分时，由于菌体生长原料受限制而导致菌体生长受影响，这时菌体的生长表现为能量生长非偶联型，此时，多余的ATP就以热能的形式释放出来。
描述菌体生长过程中能量的利用效率，即以ATP为基准的菌体得率：多数微生物
一般说来，M生长培养和发酵方式有分批发酵连续发酵补料发酵
.对数期3.稳定期4.衰亡期
ag phase）其它名称：停滞期、调整期、适应期现象：活菌数没增加，曲线平行于横轴。特点：生长速率常数= 0；细胞形态变大（长）；细胞内RNA特别是rRNA含量增高；合成代谢活跃，易产生诱导酶；对外界不良条件敏感。
合成新的酶，积累必要的中间产物。影响延迟期长短的因素：菌种接种物菌龄(对数生长期)接种量(大，易形成优势)培养基成分(合成与天然培养基)
2.对数期（logarithmic phase）其他名称：指数期现象：细胞数目以几何级数增加，其对数与时间呈直线关系。特点：生长速率常数最大;平衡生长;代谢最旺盛;对理化因素较敏感;影响因素：菌种;营养成分与浓度;培养温度;
3.稳定期（stationary phase）又称：恒定期或最高生长期特点：①细胞增殖与死亡数几乎相等，细胞数达最高值；②开始积累内含物或产芽孢；③开始合成次生代谢产物；影响因素：限制性营养物的量；营养物的比例；有害代谢废物的积累；物化条件；
4.衰亡期（Death or decline phase）特点：①出现“负生长”；②细胞出现多形态变化；③菌体死亡、自溶；影响因素：环境条件变化；分解代谢超过合成代谢；
单位菌体在单位时间内的增殖菌数为常数，称为比生长速率，用μ表示。若起始菌量为x0（接种量），经过时间t后的总菌量为x，则
因此，为接近实际，将时间分得很短，按1/m单位时间来看，此时，t单位时间内获得的总菌数为：当m愈大，问题就越接近实际，因此
即细胞通过分裂繁殖一代，数量增加一倍所用的时间叫世代时间或倍增时间，用td表示。则：该式即是微生物在对数生长期的增殖模式。
物生长比速二氧化碳生成比速代谢产物生成比速氧的消耗比速
长+产物合成+维持代谢YX/S=μ/ν当产物就是菌体，基质浓度高，维持代谢相对菌体生长可以忽略时，YX/S≈YG
持+菌体生长
分批培养的微生物的生长曲线
一般情况下，微生物的μ并非常数，μ因菌体所处的环境条件而改变。当温度和pH值恒定时，μ值随培养基组分浓度变化而变化，即
莫诺发现细菌的比生长速率与单一限制性基质之间存在一定关系，借助郎格谬尔方程，莫诺建立了被称为莫诺方程的经验公式：μmax:最大比生长速率，是在S＞＞KS，且其他成分保持不变的情况下取得的。
有KS= S∴，莫诺常数KS（或称饱和常数）是微生物的生长速率等于最大比生长速率的一半时的底物浓度；显示微生物对底物的亲和力。当S→∞时，μ→μm，说明μm只是理论上的最大生长潜力，实际上是不可能达到的。
因此，细胞成分只需要一个参数即菌体浓度表示即可。2）培养基中只有一种底物是生长限制性底物，其他营养成分不影响微生物生长。3）将微生物生长视为简单反应，并假设菌体得率为常数，没有动态滞后。莫诺方程与米氏方程形式相同，但微生物生长是细胞群体生命活动得综合表现，机理非常复杂。Monod方程是在如下假设基础上建立起来的
增加到对生长无限制时细胞生长速率与限制性底物浓度的关系
(mg/L)底物微生物Ks(mg/L)底物微生物120甲醇多形汉逊酵母1.0葡萄糖产气肠道细菌0.1氨产气肠道细菌2.0~4.0葡萄糖大肠杆菌0.6镁产气肠道细菌25.0葡萄糖啤酒酵母3.0硫酸盐产气肠道细菌3.0核糖多形汉逊酵母
为:如果所有营养物过量，细胞生长可处于对数生长期，可达到μ=μmax。
指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量。其大小取决于生物学参数（µ,x）和化学参数（DO,C/N,磷含量等）（1）生长得率系数①与实际生产过程的效率、成本有关：Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克营养物、每克分子氧以及每千卡能量所生成的细胞克数；②与代谢过程有关：Yx/c、Yx/N、Yx/p、Yx/Ave-：消耗每克C、每克N、每克P和每个有效电子所生成的细胞克数；③与能量代谢有关：Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。 4河南工业大学(四)营养利用和产物生成动力学
（S）或每克分子氧(O2)生成的产物(P)、ATP或CO2的克数。（2）产物得率系数： 5河南工业大学(基质的菌体得率)(基质的产物得率)
生产率=产物产量/发酵时间tL
置1、单一补料分批培养特点：补料一直到培养液达到额定值，中途不取出培养液。S，X，FS0，X
并保证D<μmax，则：加入的限制性营养物会很快被消耗。X’：培养液中的细胞总量D：DilutionF：Flow velocity(rate)D-稀释率，=F/VR，加料流量与反应器有效体积之比
并将其微分，可得
2、补料分批培养的应用优点：解除底物抑制、反馈调节作用；减少菌体生成，提高底物转化率；方便调节pH和菌体所处时期的控制；应用：单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素。。。
在开放系统中进行的，以一定的速率向发酵罐内添加培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，使培养物在近似恒定的状态下生长的培养方法。特点：菌体生长速度、代谢活性处于稳态，可达到稳定高速培养或高产代谢产物的目的。单罐连续发酵多罐连续发酵
控制对象装置不恒定无限制生长因子菌体密度（内控制）恒浊器恒定有限制生长因子培养基流速（外控制）恒化器
(相对于分批发酵而言)：1.高速、稳定：提供了一个微生物在恒定状态下高速生长的环境，便于进行微生物代谢、生理生化和遗传特性的研究；2.自控：工业生产上可减少分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等时间，提高生产效率和自动化程度；3.产品质量稳定;连续发酵不足：1.菌种易退化、变异；2.易污染杂菌；3.营养物利用率低；
培养(发酵)是在理想状态下进行。(1)物料进罐就混合均匀；(2)罐内无菌体死亡；F,S0,X0V,S,X,PF,S,X,P
1、细胞：对于连续发酵系统，细胞平衡为：在流加新鲜培养基和忽略细胞死亡的情况下，则有：积累的细胞=流入的细胞+生长的细胞-流出的细胞-死去的细胞
μ是一个表示M性质的参数；D是一个物性参数；单罐连续培养：有利于研究细胞在一定比生长速率下的特性。
2、限制性营养物（基质）稳定状态时，系统内：在这种情况下，细胞浓度为：积累的基质=流入的基质-流出的基质-生长消耗的基质-维持的基质-产物形成消耗的基质
则：临界稀释率
(1/h)X，DX（g/L）S（g/L）DX1234500246810清洗点①D→0；x达最大值,s最小。②D增大，s增大，x减少，直至最后x=0③清洗点：D→μmax时，s增大到S0，x迅速下降到0。D与X、S、DX的关系如图所示
化器αFαFcX，S，P(1+α)F浓缩的细胞流入基质F,S0连续离心机V,X,S,PF,[1-α(c-1)]X,S,P
菌体分离器浓缩率为σ(>1)，根据质量守恒定律，则X和S的物料衡算分别为：积累的细胞=流入细胞-流出的细胞+生长的细胞
)有：由式(B)有：积累的基质=流入基质+循环流入的基质-流出的基质-生长消耗的基质-维持基质-产物基质
(1)流入液瞬间混合均匀；(2)微生物细胞无死亡；(3)罐容积系统；(4)第一只罐中流加新鲜培养基；Xn,Pn,SnF
数学模型的建立一、连续培养时微生物生长数学模型酶反应服从米氏方程
的关系也类似于米氏方程，即：式中：νmax—葡萄糖最大的消耗比速；KS—饱和常数；式(1)基质消耗比速
的倒数1/[S]与微生物生长比速的倒数1/ν的关系生长比速
的关系限制性浓度与微生物生长比速的关系呈现饱和曲线
数学模型分批培养特点：一次接种，培养一定时间，一次放罐。生长时期，四个阶段。设：种子罐开始细胞浓度为X0，经过t小时后，细胞浓度Xt:菌体浓度与培养时间的关系
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。(单位菌体在单位时间内的增加量)(μ即为菌体的比生长速率)
其解为
的目的2.选择合适的模型参数3.建立模型来实施最佳工艺控制4.进行模型的校验与修改5.对于模型的评价主要考虑在实验范围内，模型符合实验的程度，以易用为基本出发点。
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