第五讲发酵动力学研究对象菌体生长、基质消耗、产物生.ppt

根据体系物料平衡原理有： (1)菌体增长： (2)限制性基质 这里： (基质的菌体得率) (基质的产物得率) 式中： F,F’：基质流量(L/h)； X：细胞浓度(g菌体/L)； V：发酵液体积(L); S0：流入基质浓度(g基质/L) S：流出基质浓度(g基质/L) YX/S：基质的菌体得率(g菌体/g基质) YP/S：基质的产物得率(g产物/g基质) QP：比产物生成速率(g产物/g菌体.h) X：菌体浓度(g菌体/L) m：碳源维持常数(g基质/g菌体.h) P：发酵液中产物浓度(g产物/L); k：产物分解常数(h-1); （3）产物生成 产物浓度变化＝生成量－流出量－分解量 用于分批发酵，F，F’＝0，考虑产物不分解，则分批发酵动力学为： 菌体浓度变化： 产物浓度变化： 基质浓度变化： 二、补料分批培养 1、单一补料分批培养(P162) 是补料分批培养中的一种类型。 特点：补料一直到培养液达到额定值，中途不取出培养液。 间歇补料操作 连续补料操作 按操作方式 -------------式（10-7） -------------式（10-13） 由10-11、10-12式可得： 同时，前面可知 由（10-13）和（10-7）式可得 有： 4、ATP对菌体的得率YATP及ATP平衡 两种情况 （1）能量偶联型生长型 YATP=10(g菌体/molATP) （2）能量非偶联型生长 YATP10(g菌体/molATP) （？？？） 第二节 微生物生长代谢过程数学模型的建立 一、连续培养时微生物生长数学模型 酶反应服从米氏方程： 葡萄糖的比消耗速率与限制性底物浓度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) 研究发现： 微生物连培养过程限制性基质浓度的倒数1/[S]与微生物生长比速的倒数1/ν的关系，如图10-9； 限制性浓度与微生物生长比速的关系呈现饱和曲线，如图所示10-10； 由基质消耗对细胞得率YX/S定义： 有： 根据μ的定义有： 该式就是Monod方程， 式中： μmax：最大比生长速率(h-1)。 KS：为饱和常数，表示菌体对基质的亲和力的大小。 Monod式的生物学意义： 1、μmax、KS： (1) 特定M，特定条件， μmax、KS是定值，体现M的特性; (2) 不同M，μmax、KS不同，但：μmax变化小，而KS变化大。 (3) 同种M，在不同S中，μmax、KS值不同。KS ↑,亲和力↓，M对基质越不敏感；反之亲和力大，敏感。 2、S浓度变化对μ的影响 (1)S很小(SKS)时，S＋KS≈KS， (2)当S增大， μ与S渐不成正比；当(SKS)时， KS＋S≈S ,μ=μmax。 ，μ与S成正比。 (3)双倒数后，实验并作图可求得KS、μmax。 限制性基质浓度与微生物生长比速之间的关系 斜率 Monod方程式双倒数图 微生物生长这一酶反应，同样存在抑制作用。 竞争性抑制： 非竞争性抑制： 图10－11，图10－13所示。 二、分批培养时微生物生长数学模型 分批培养特点：一次接种，培养一定时间，一次放罐。 设：种子罐开始细胞浓度为X0，在1小时内有部分细胞分裂(一分为二)，假定分裂率为μ。 则：每小时能分裂的细胞数为：μX0 未分裂的细胞数为：(X0-μX0) 所以，经过1小时后细胞浓度X1: X1=[X0-μX0]+2μX0= X0(1+μ) 经过2小时后细胞浓度X2： X2＝(X1－μX1)＋2μX1= X1(1+μ) ＝X0(1+μ)(1+μ)=X0(1+μ)2 … 类推：经过t小时后，细胞浓度Xt: Xt= X0(1+μ)t 应用极限方式，有： 亦即: X1=X0(1+ε)ξ Xt=X0[(1+ε)ξ]t= X0(1+ε)ξt 由假设，ξ→∞，ε→0 因此，种子罐内对数生长期菌体浓度与培养时间的关系式： 若微分上式，有： 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) 实际生长比速＝μ－kX，或 要得到培养时间与菌体浓度关系的表达式，则需要解微分方程： 复合函数求导： 则式(1)可写作： 化简得： 一阶线性非齐次方程 其解为： 确定初始条件：t=0 时，X=X0 ， 则得： 第三节 微生物发酵动力学 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 一、分批培养（batch culture） 非恒态培养法，密闭系统，一次性，过程中营养成分不