第三节微生物生长动力学.ppt
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第五章 微生物反应动力学 微生物反应是非常复杂的反应过程。 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。 微生物反应是非常复杂的反应过程 二、微生物反应动力学的描述方法 细胞生长动力学 第一部分 分批培养动力学 发酵工业中常见的分批方法是采用单罐深层培养法。 无抑制作用的细胞生长动力学Monod方程 Monod方程 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 S S crit,为非限制性底物 S S crit,为限制性底物 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,有以下方程: 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 微生物死亡期和内源代谢 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: 基质消耗动力学 分批发酵工艺中各种比速率(生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp)之间关系的图示 (b)部分生长连动型 (三)非生长连动型产物形成(Ⅲ型发酵) 分批发酵工艺中各种比速率(生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp)之间关系的图示 c)非生长连动型 第二部分 连续培养动力学 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 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。 如何决定最合适的D值,具有很大经济意义,它不仅和产量曲线(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。 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) 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) 对菌体 积累的细胞=(进入-流出)的细胞+(生长-死亡)的细胞 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 对产物形成 积累的产物=(生成-流出)的产物 3、细胞循环使用的单级恒化器 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”。 * * 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。 (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)微生物反应有多种代谢途径。 (3)微生物反应过程中,细胞形态、组成要经历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段,不同菌龄有不同的活性。 反应基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 1.生长产物合成偶联型:也称Ⅰ型 一、根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类 第二节 发酵动力学分类 2.生长产物合成半偶联类型:亦称Ⅱ型。 3.生产与产物合成非偶联类型:多数次生代谢产物的发酵属这种类型。 第三节 微生物生长动力学 对于单细胞的微生物来说,还可进一步简化为 N—培养基中的细胞密度。 对于特定的微生物而言,其比生长速率μ只与三个因素有关。限制性营养物质的浓度、最大比生长速率μm、底物相关常数Ks。 假定营养物质进入细胞后,立即被利用而不积累,则存在以下关系式: 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。 一、分批培养中细胞的生长动力学 多种限制性底物时 (2) 生长稳定期动力学模型的建立 式中?和?是经验常数,取?=?max和?=xmax (1) 微生物死亡期的动力学模型 Kd为比死亡速率 (h-1) 对应于由底物生成菌体的一级反应速率为∶ (2) 内源代谢的动力学模型 ms为细胞的维持系数(s-1),Y*X/S为最大细胞产率 或 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。 基质比消耗率QS=-dS/Xdt 产物比生产率QP=dP/Xdt 分批生物工艺中各种比速率(生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp)之间关系的图示 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) (二)部分生长连动型产物形成(II型发酵) 连续培养:指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。 全混流反应器分为:
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