三微生物发酵动力学zuixin.pptVIP

第三章 微生物发酵动力学 ??发酵动力学： 它以化学热力学(研究反应的方向)和化学动力学(研究反应的速度)为基础，研究发酵过程中变量在活细胞作用下变化的规律， 以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响。 ??研究目的： 有助于我们更加深入地认识和掌握发酵过程，为工业发酵的模拟、优化和控制订下良好的理论基础。 ??研究内容： ①细胞生长和死亡动力学； ②基质消耗动力学； ③氧消耗动力学； ④二氧化碳生成动力学； ⑤产物合成和降解动力学； ⑥代谢热生成动力学。 必须注意，发酵动力学的研究对象既然是运动 着的细胞，就不能单纯地用传统的静态变量如 残余基质量、溶氧量、菌体量等进行描述，必 然会涉及到许多动态变量，如细胞比生长率、 基质比消耗率、比耗氧率、二氧化碳比释放率、 产物比生产率等。这些动态变量一般不能直接 测量，只能根据动力学方程式间接估计。 细胞的生长、繁殖代谢的生物化学过程体系具有多相、多组分、非线性的特点。 多相指的是体系内常含有气相、液相和固相； 多组分是指在培养液中有多种营养成分，有多种代谢产物产生，在细胞内也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物； 非线性指的是细胞的代谢通常需用非线性方程来描述。 同时，细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命活动，通常每1ml培养液中含有104~108个细胞，每个细胞都经历着生长、成熟直至衰老的过程，同时还伴有退化、变异。 因此，要对这样一个复杂的体系进行精确的描述是困难的。为了工程上的应用，首先要进行合理的简化，在简化的基础上建立过程的模型。 要简化的内容有:： ①微生物反应动力学是对细胞群体的动力学行为进行描述。 ②不考虑细胞之间的差别 (treat all cells as equivalent )，而是取其性质上的平均值。在此基础上建立的模型称为非分立模型 (Unsegregated ）。 ③在细胞的生长过程中，细胞内各种成分视为以相同的比例增加，而且忽略环境的变化对菌体组成的影响。 1.4 模型的简化 ( Model Simplification) Two concepts：Equilibrium growth and unstructured model(均衡生长和非结构模型) 在细胞的生长过程中，如果细胞内各种成分均以相同的比例增加，则称为均衡生长。 细胞生长时胞内各组分增加的比例不同，称为非均衡生长。 细胞的组分是复杂的，有蛋白质、脂肪、核酸等，这些成分的含量大小随环境条件的变化而变化。 如果是在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，则称为结构模型，它能从机理描述细胞的动态行为。 在结构模型中，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白质的含量作为过程的变量，将其表示为细胞组成的函数。 但是，由于微生物反应过程极其复杂，加上检测手段的限制，缺乏可直接在线测量的传感器，给动力学研究带来了困难，致使结构模型的应用受到了限制。 如果把菌体视为单组分，则环境的变化对菌体组成的影响可被忽略，在此基础上建立的模型称为非结构模型。它是在实验研究的基础上，通过物料衡算建立起经验或者半经验的关联式。 从模型的简化考虑一般采用：均衡生长的非结构模型。 第三节 微生物生长和分批发酵动力学 1.1 Batch Operation 间歇操作（Batch Operation）又称间歇培养（Batch Culture) 也称分批培养或批式培养，是指在灭菌后的培养基中，接种微生物，在一定的条件下培养微生物，直至反应结束，在培养过程中不再向培养基中加入或移去主辅物料（如果是需氧微生物，则需不断通风供氧）的培养方式。 将细胞接入新鲜培养基后， 定时取样分析细胞浓度随时间的变化，可以发现细胞的生长曲线呈明显的几个时期。 若μ为常数，则： 这就是指数生长方程。指数生长方程说明微生物细胞量的对数值与培养时间呈直线函数关系，故也称为对数生长方程. 式中比生长速率μ也叫生长比速，当指数生长期时,其值最大常用μm表示；细胞浓度X一般用每单位体积干细胞的质量(g/L)表示； X0和X分别表示t=0和t时的细胞浓度。 μ在对数期是常数，取得最大值，在其它生长期不是常数。 指数生长期细胞浓度增加一倍所需的时间td,也即是细胞的平均传代时间或又称为细胞的倍增时间。而由指数方程可知倍增时间td＝ln2/μ。 例3：某微生物的 μ ＝0.125 h-1，求td。 Monod根据实验观察到的E.Coli的比生长速率在底物浓度低时呈一级反应动力学，在底物浓