模块四 微生物反应动力学.ppt

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1、模块四微生物反应动力学从宏观的角度，定量分析菌体的生长、基质的消耗、产物的形成。研究对象：在各种环境因素下，微生物代谢活动（生命活动）随时间而变化的规律。研究方法：用数学模型研究目的：达到对发酵过程有效控制，提高产品的产率及降低生产成本的目的。一、分批培养（P198-205）1.细胞生长：由物料平衡得：比生长速率（P198）在微生物分批培养的对数生长阶段，菌体的生长不受限制，菌体浓度随培养时间呈指数增长，菌体浓度的变化率（dX/dt）与菌体浓度（X）成正比，即dX/dt=μX。μ称为比生长速率，反映的是单位体积的菌量（干重）在单位培养时间内所收获的菌量（干重）。指数生长期：=

2、减速期：>0但呈下降趋势，细胞生长受到营养物质的限制，生长的典型形式–Monod方程：（P202）静止期：dx/dt=0，表观=02.基质消耗：得率系数（P204）：Yx/s，Yx/o3.产物生成：Gaden将分批培养分成三种类型（1）生产生长相关型（Ⅰ型发酵）分批工艺中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系（a）生长生产联动型在Ⅰ类型的发酵中，菌体的生长、碳水化合物的利用和产物的形成几乎是平行进行的。酒精，葡萄糖酸和大部分氨基酸、单细胞蛋白都属于Ⅰ类型（菌体生长和代谢产物）。对于快速获得目标产物、缩短发酵周期十分有利。调整发酵工艺数，使微生物保持高的比

3、生长速率μ2.生产生长部分相关型（Ⅱ型发酵）分批发酵中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系（b）部分生长连动型Ⅱ型发酵特点：发酵第一时期菌体迅速生长，而产物形成很少或全无；第二时期产物高速形成，生长也可能出现第二高峰。碳源利用在这两个时期都很高代谢产物一类是经过连锁反应如丙酮丁醇；一类是不经过中间产物的积累，如柠檬酸等。结论Ⅱ型发酵产物的形成速率既和细胞的比生长速率μ有关，也与细胞的浓度有关。3.生产生长不相关型（Ⅲ型发酵）分批发酵中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系（c）非生长联动型Ⅲ型发酵特点在分批发酵中，Ⅲ类型产物的形成

4、分成两个极限：起初，微生物消耗大量底物用于产能代谢和生长，而产物形成很缓慢，甚至根本不形成；此后，当培养基中的营养物质消耗殆尽，微生物的生长速率开始减慢后，产物形成启动，中间体或前体进入次级代谢途径。产物形成与碳源利用无准量关系，产量远低于碳源的消耗量。代谢产物大多数是微生物的次级代谢产物：抗生素和生物毒素，以及维生素类。对于Ⅲ型发酵，只要能保证获得足够高浓度的生物量，就可以获得高速率的产物合成。图6.3纳他霉素发酵代谢曲线二、连续培养（P205~）1、单级连续培养，菌体的物料平衡关系：某一时间存在的或积累的=流入的+增长的-流出的F—流加的新鲜培养基流量（L/min）；X—

5、某一时间新鲜培养基所含的菌体浓度（g/L）；X0—新鲜培养基初始所含的菌体浓度（g/L）；V—罐内培养基体积（L）；D=F/V，D为稀释率（小时-1），其定义：在微生物的连续培养中，进入产物合成期后，开始以恒定的流量向发酵罐流加培养基，单位时间内加入的培养基体积占发酵罐内培养基体积的分率。稀释速率与菌体生长速率的关系（1）若D＜μ，则dx/dt＞0，培养液中菌体浓度随时间而增加；（2）若D＞μ，dx/dt＜0，菌体浓度因培养物被“洗出”罐外而减少；（3）若D=μ，dx/dt=0，培养液中菌体浓度不随时间而变化，达到稳态。2、连续培养的应用（P210~216）（1）细胞的生产；

6、（2）代谢产物的生产；（3）细胞生理特性的研究；（5）培养基的改进；（4）发酵动力学的研究；（6）菌种的筛选和富集；（7）微生物遗传稳定性的研究。3.补料（流加）分批培养（P216）补料分批培养是介于分批培养和连续培养之间的操作方式补料分批培养与连续培养之间的区别：随着补料操作的进行培养液的体积是逐渐增大的，到一定时候即须结束陪。反复补料分批培养随着补料的进行，培养液体积不断增大，达到一定程度时，将部分培养液从反应器中放出，剩下部分继续进行补料分批培养，如此反复进行。带放工艺在培养过程的中间放出部分培养液的操作，放掉的发酵液与其他正常放罐的发酵液一起送去提炼工段。流加方式：间

7、歇流加连续流加恒速流加指数流加恒速流加的特点（1）初始阶段：随着补料的进行，培养液中的细胞浓度逐渐增大，限制性基质浓度逐渐降低，细胞总量随时间指数增加；（2）拟稳态：随着补料的进行，限制性基质的添加速度跟不上细胞的消耗，限制性基质趋向于0，细胞浓度也接近于定值，细胞总量随时间线性增加；（3）拟稳态下，μ与D近似；由于培养液体积不断增大，μ与D逐渐减小。要使限制性基质浓度保持一定，须进行变速流加，加料速率随时间指数增长，使μ保持恒定。指数流加的特点4.培养与分离的耦合（P220）使培养过程中的某些有害物质