《微生物发酵动力学》PPT课件

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1、第三章微生物发酵动力学主要研究：●发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及其转化率、效率等；发酵动力学分类●影响发酵动力学参数的各种理化因子；●发酵动力学的数学模型。分批（间歇）发酵动力学；连续发酵动力学发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系，定量描述微生物生长和产物形成过程。研究对象：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。研究目的：为最佳发酵条件控制提供依据。认识发酵过程的规律优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧，等等提高发酵产量、效率和转

2、化率等生化反应：aA+bBcC+dD反应动态平衡改变条件破坏平衡如何能最快最多的获得目的产物温度酸碱度浓度催化剂如何确定高产高效的最佳条件？？采用反应动力学方法进行定量研究动力学主要探讨反应速率问题：发酵动力学研究的几个层次（尺度）分子层次（酶催化与生物转化）基于关键生化反应（限速步）及其关键酶的动力学特征及其影响因素采用一系列分子水平的方法细胞层次（代谢网络与细胞工厂）基于细胞信号传导、代谢网络、细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现采用一系列细胞水平的方法，包括细胞群体行为分析反应器层次（过程工程）基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综

3、合响应采用一系列优化反应器发酵条件的方法课程重点：主要针对微生物发酵的表观动力学，通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率，主要包括：细胞生长动力学底物消耗动力学产物合成动力学重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达到认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。发酵动力学研究的基本过程首先研究微生物生长和产物合成限制因子；建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；确定模型参数；实验验证模型的可行性与适用范围；根据模型实施最优控制

4、。本章主要内容分批发酵动力学连续发酵动力学补料分批发酵动力学第一节分批发酵动力学分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。细胞生长动力学基质消耗动力学产物形成动力学典型的分批发酵工艺流程图分批发酵过程t1t2t3t4t5分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线菌体浓度X时间t分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止期）和衰亡期五个时期。1.1细胞生长动力学在细胞生长的过程中，包含两个相互作用的系统：分批发酵动力学-细胞生长动力学微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细胞数量在单位时间内

5、的增加量来表示（μ、μn）：或或X—细胞浓度（g/L）；N—细胞个数；t—生长时间；X0、Xt—初始微生物浓度和t时细胞浓度；N0、Nt—初始细胞个数和t时细胞个数；—以细胞浓度表示的比生长速率；—以细胞数量表示的比生长速率。比生长速率指数生长方程分批发酵动力学-细胞生长动力学分批发酵动力学-细胞生长动力学分批发酵动力学-细胞生长动力学，又称停滞期、调整期、适应期lag:x不变t1t2t3t4t5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

6、不良条件敏感。原因：适应新的环境条件，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)分批发酵动力学-细胞生长动力学exp:(假定无抑制作用存在)Decline（开始出现一种底物不足的限制）:(1)若不存在抑制物时Monod模型:分批发酵动力学-细胞生长动力学减速期式中:S—限制性基质浓度，mol/m3Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生物对底物的亲和力,mol/m3；Ks越大，亲和力越小，µ越小。①当S较高时，(对数期满足S>>10Ks)，此

7、时，µ=µm②当S较低时，(减速期，S<<10Ks)，此时S↓，µ↓∴减速期，µ↓分批发酵动力学-细胞生长动力学比生长素率μ限制性底物残留浓度St残留的限制性底物浓度对微生物比生长率的影响表征μ与培养基中残留的生长限制性底物St的关系Monod方程：Ks—底物亲和常数，等于处于1/2μm时的底物浓度，表征微生物对底物的亲和力，两者成反比。酶促反应动力学－米氏方程：受单一底物酶促反应限制的微生物生长动力学方程－Monod方程：Monod方程应用：测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值）；实验确定适于微生物生长的最佳底物；比较不同底物发酵最终残留

8、的大小；比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培养的稀释率Stationary:（浓度最大）分批发酵动力学-细胞生长动力学dying:分批发酵动