微生物工程--发酵过程动力学的基本概念ppt课件.ppt

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1、张海龙山东教育学院生物系ShanDongInstituteofEducation第六章发酵过程动力学的基本概念主要内容：一、生物反应动力学描述二、生物反应模式与发酵方法三、微生物发酵动力学四、微生物生长代谢过程中的质量平衡一种是使底物在酶（游离酶或固定化酶）的作用下进行反应，如淀粉的液化、异构糖的生产、无侧链青霉素（6-APA）的制造等。另一种是通过细胞的培养，利用细胞中的酶系，把培养基中的物质通过复杂的生物反应转化成新的细胞及其代谢产物。重点生物反应：生物反应动力学的研究内容研究反应速度及其影响因素

2、并建立反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应器特性反应器的操作模型操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程。第一节、生物反应过程动力学描述发酵过程反应的描述XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）生物过程反应速度的描述菌体生长速率/菌体比生长速率基质消耗速率/基质比消耗速率产物形成速率/产物比形成速率菌体生长速率比生长速率一、菌体生长速率比生长速率除受细胞自身遗传信息支配外，还受环境因素的影响。微生物细胞比生长速率和倍增时间因受遗传特性和生长条件的控制，有很大的差异。二、基质消耗速率以菌体得率系

3、数为媒介，可确定基质的消耗速率与生长速率之间的关系。当基质既是能源又是碳源时：碳源总消耗速率＝用于生长的消耗速率＋用于维持代谢的消耗速率定义：消耗单位基质量ΔS（每克或每摩尔）与生成的干菌体ΔX（g）之间的比值定义为菌体得率（YX/S）。[消耗1g基质生成细胞的克数]通常，菌体X以干重表示；基质S是培养液中某一限制性底物。说明：菌体得率三、代谢产物的生成速率基质的消耗比速：(h-1)菌体的生长比速：产物的形成比速：(h-1)(h-1)发酵过程反应速度的描述XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）第二节、

4、生物反应模式与发酵方法一、生物反应模式PXXPXP生长偶联型非偶联型混合型根据产物生成速率与细胞生成速率的关系分类PPXP(1)类型Ⅰ（偶联型模型）产物的形成与细胞生长呈相关的过程。产物是细胞能量代谢的结果，此时产物通常是基质的分解代谢产物。例如乙醇、乳酸发酵。其动力学方程可表示为:根据产物生成速率与细胞生成速率的关系分类(2)类型Ⅲ（非偶联型）产物的形成与细胞生长不相关或无直接关系，其特点是细胞生长期基本无产物合成，细胞停止生长产物则大量合成。属于这类的产物是次级代谢产物。例如青霉素、链霉素等抗生素

5、发酵。其动力学方程可表示为：(3)类型Ⅱ（混合型）产物的形成与细胞生长部分相关或具有间接关系，例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。其动力学方程可表示为：定义：生成的代谢产物量ΔP对底物的消耗量ΔS（g）之比定义为代谢产物收率（YP/S）。假如完全没有菌体生成，则理论代谢产物收率可达到最大值。说明：代谢产物收率二、发酵操作方法定义：每一个分批发酵过程都经历接种，生长繁殖，菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。特点：微生物所处的环境是不断变化的，可进行少量多品种的发酵生产，发生杂菌污染能够很容易终止操作，当运转条件

6、发生变化或需要生产新产品时，易改变处理对策，对原料组成要求较粗放等。（一）、分批发酵法（二）、补料分批发酵法定义：所谓分批补料培养技术，是指在分批培养过程中，间歇或连续的添加新鲜培养基的方法。特点：与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点为：①可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧的矛盾。②避免培养基积累有毒代谢物。补料分批培养适合于以下条件①生长非偶联型产物的生产②高密度培养③产物合成受代谢物阻遏控制④利用营养缺陷型菌株合成产物⑤

7、补料分批培养还适用于底物对微生物具有抑制作用等情况。⑥此外，如果产物黏度过高或水分蒸发过大使传质受到影响时，可以补加水分降低发酵液黏度或浓度。补料分批培养的优点与分批培养方式比较与连续培养方式的比较1、可以解除培养过程中的底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应2、对于好氧过程，可以避免在分批培养过程中因一次性投糖过多造成的细胞大量生长、耗氧过多以至通风搅拌设备不能匹配的状况；在某种程度上可减少微生物细胞的生成量、提高目的产物的转化率。3、微生物细胞可以被控制在一系列连续的过滤态阶段，可用来控制细胞的质量；并且

8、可重复某个时期细胞培养的过渡态，可用于理论研究1、不需要严格的无菌条件2、不会产生微生物菌种的老化和变异3、最终产物浓度较高，有利于产物的分离4、使用范围较广（三）、连续发酵法所谓连续培养，就是在发酵过程中一边补入新鲜料液，一边以相近的流速放料，维持发酵液原来的体积。连续发酵优点：①高效，它简化了装料、灭菌、出料、清洗发酵罐等许多单元操作，从而减少了非生产时间和提高了设备的利用率；②自控，便于利用各种仪表进行自动控制；③产品质量较稳定；④生长与代谢产物形