7第七章生物反应过程动力学描述.ppt

第七章 生物反应动力学第一节 生物反应过程动力学描述第二节 生物反应模式与发酵方法第三节 微生物发酵动力学第四节 微生物生长代谢过程中的质量平衡 第一节 生物反应过程动力学描述 XS（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） 一、菌体生长速率 微生物进行发酵过程反应系统的动力学描述常采用群体来表示。微生物群体的生长速率反映群体生物量的生长速率。 菌体量一般指其干重，在液体培养基中的群体生长，其生长速率通常用单位体积来表示，指单位体积、单位时间里生长的菌体量 式中 t——时间，h； c(X)——菌体浓度，g／L； μ——菌体比生长速率，h-1； vx——菌体生长速率，g／(L·h)。 二、基质消耗速率 式中 c(S)——基质浓度，mol／L； vs——基质的消耗速率，mol／(L·h)； Yx／s——菌体得率系数，g／mol。 v——基质的比消耗速率，mol／(g·h) 三、代谢产物的生成速率 式中 c(P)——产物浓度，g／L； QP——产物比生成速率，h-1； vP——产物生成速率，g／(L·h)。 第二节 生物反应模式与发酵方法 一、生物反应动力学分类 ⒈ 根据细胞生长与产物形成是否偶联进行分类 Luedeking-Piret模型 根据细胞生长与产物形成是否偶联分为三种类型 ⑴ 偶联型 产物生成速率与细胞生长速率有紧密联系，合成的产物通常是分解代谢的直接产物，如葡萄糖厌氧发酵生成乙醇，或者好气发酵生成中间代谢物(氨基酸或维生素)。这类初级代谢产物的生产速率与生长直接有关。如下式： 式中 α0，β＝0 ⑵ 非生长偶联型 在生长和产物无关联的发酵模式中，细胞生长时，无产物，但细胞停止生长后，则有大量产物积累，产物的形成速率只与细胞积累量有关。产物合成发生在细胞生长停止之后(即产生于次级生长)，故习惯上把这类与生长无关联的产物称为次级代谢产物，但不是所有次级代谢产物一定是与生长无关联的。 式中 α＝0，β0 ⑶ 混合型 生长与产物生成相关(如乳酸、柠檬酸、谷氨酸等的发酵)，发酵产物生成速率可由Luedeking-Piret模型数学式描述，式中 α0，β0。 ⒉ 根据产物生成与基质消耗的关系分类 按照菌体生长、碳源的利用以及产物的生成速度的变化以及这三者之间的动力学关系来考虑，Gaden把微生物发酵过程分为三种类型 ⑴ 类型Ⅰ 产物的生成直接与基质(糖类)的消耗有关，这是一种产物合成与利用糖类有化学计量关系的发酵（如酒精发酵C6H12O6→2C2H5OH+2CO2），糖提供了生长所需的能量。 糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的 如利用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长。 这种形式也叫做有生长联系的培养。 ⑵ 类型Ⅱ 产物的生成间接与基质(糖类)的消耗有关，例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。即微生物生长和产物合成是分开的，糖既满足细胞生长所需能量，又充作产物合成的碳源。 ⑶ 类型Ⅲ 产物的生成显然与基质(糖类)的消耗无关，例如青霉素、链霉素等抗生素发酵。即产物是微生物的次级代谢产物，其特征是产物合成与利用碳源无准量关系，产物合成在菌体生长停止才开始。此种培养类型也叫做无生长联系的培养。 二、发酵方法 微生物发酵过程根据发酵条件要求分为好氧发酵和厌氧发酵。 ㈠ 分批发酵法(batch fermentation) 分批培养过程微生物生长可分为：停滞（或调整）期、对数（生长）期、稳定期和衰亡期四个阶段。 ㈡ 补料分批发酵法(fed-batch fermentation) 补料分批发酵又称半连续发酵或半连续培养，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。 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，使不致加剧供氧的矛盾； ② 避免培养基积累有毒代谢物。 ㈢ 连续发酵法(continuous fermentation) 在发酵罐中一方面以一定速度连续不断地流加新鲜液体培养基，另一方面又以同样的速度连续不断地将发酵液排出 第三节 微生物发酵动力学 生物反应动力学是研究生物反应过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律的一门科学。 研究内容包括了解发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产物生成