生物反應器基礎微生物生長動力學

1、關于生物反應器基礎微生物生長動力學第一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 微生物生長的基本特征微生物的種類（可分為三大類）：、非細胞型微生物（病毒）；、原核細胞型微生物，僅有原始細胞核，如細菌、放線菌等；、真核細胞型微生物，霉菌、酵母菌和單細胞藻類，原生動物。 第二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月微生物的作用： 微生物是生物反應過程的催化劑，催化原料轉化為有用的產品 ； 微生物如同一個微小的容器，原料中的反應物透過微生物細胞周圍的細胞壁和細胞膜進入微生物體內，把反應物轉化為產物，接著這些產物又被釋放出來。第三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一、生長現象與繁殖方

2、式微生物可分為成三大類：、非細胞型微生物學（病毒）；、是原核細胞型微生物，僅有原始細胞核，如細菌、放線菌等；、是真核細胞型微生物，霉菌、酵母菌和單細胞藻類，原生動物。 第四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月表5-1 微生物的生長現象與繁殖方式類 別生長特征繁殖方式細菌個體增重和增大 分裂繁殖放線菌、霉菌菌絲伸長和分支霉菌-無性孢子、有性孢子酵母菌個體增重和增大 出芽生殖放線菌-無性孢子第五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月微生物細胞在生長過程中的變化： 其形態(tài)、組成、活性都處在動態(tài)變化過程中，使其經歷生長、繁殖、維持、死亡等階段。 并使反應系統(tǒng)中的環(huán)境條件也處在動態(tài)變化之中。微

3、生物細胞的基本組成： 蛋白質、脂肪、碳水化合物、核酸等。 第六張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、生長的測定 微生物生長的測定，通常是測群體的重量或細胞數，而不是測細胞個體的重量或大小。 生長測定的常用理化方法，分為測定細胞數和細胞重量兩類。 第七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、計數器計數法 濁度計比濁法 測定稀的細胞懸液的透光量，間接測出細胞數量的生長 計數器計數法 在顯微鏡下用血球計數器直接數出酵母菌或霉菌孢子數目，以及用細菌計數片直接測出細菌數的生長 第八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、測定細胞重量細胞干重稱量法 直接測定單位體積培養(yǎng)物的細胞干重，由

4、此代表菌體細胞物質總量的生長細胞堆積容積測量法 用錐形刻度管測量經離心的細胞沉淀物的容積 ，由此間接表示細胞重量的生長 細胞組成分析法 測定一種大分子的細胞組成(蛋白質、RNA、DNA等)，間接地算出細胞重量的生長 第九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月營養(yǎng)物消耗分析法 測定培養(yǎng)基中不用于合成代謝產物的營養(yǎng)物（磷酸鹽、硫酸鹽等）的消耗，由此間接表示細胞重量的生長 產物重量分析法 測定培養(yǎng)中途形成的二氧化碳，氫，ATP等產物，由此間接地換算出細胞重量的生長 第十張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 微生物生長動力學 什么是微生物生長動力學？ 微生物生長動力學是研究微生物生長過

5、程的速率及其影響速率的各種因素，從而獲得相關信息。微生物生長動力學可反映細胞適應環(huán)境變化的能力。 第十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一、微生物生長曲線 細胞的生長過程可以用細胞濃度的變化來描述和表達。若取細胞濃度的對數值與細胞生長時間對應作圖，可得到分批培養(yǎng)時的細胞濃度變化曲線。第十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月分批培養(yǎng)細胞的五個生長階段延遲期：細胞濃度無明顯變化對數期：細胞濃度隨時間呈指數生長減速期：細胞的生長速率開始減緩靜止期：細胞濃度不再增加，為最大值衰亡期：細胞開始死亡，細胞生長速率 為負值第十三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、微生物生長動力學

6、1、比生長速率 若細胞物質或細胞數目增長一倍的時間間隔是常數，則微生物是以指數速率增長，可用數學模型來描述。 （1） （2） 式（1）表明，細胞物質隨時間的增加而增加 式（2）表明，細胞數目隨時間的增加而增加第十四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 若為常數，則： 對式（1）積分得： 在大多數情況下，生長是以物質的增加衡量的，因而 得到應用。 此式可在t=td （td為倍增時間）時求得， td即在 時所需時間，于是td=ln2/=0.693/。 為比生長速率，單位是 h-1。第十五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 例題：某微生物的 0.125 h-1，求td。第十六張，PPT

7、共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月比生長速率的意義 比生長速率是菌體繁殖速率與培養(yǎng)基中菌體濃度之比，它與微生物的生命活動有聯系 在對數生長期， 是一個常數，這時 第十七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、無抑制的細胞生長動力學 Monod方程 現代細胞生長動力學的奠基人Monod在1942年指出，在培養(yǎng)基中無抑制劑存在的情況下，細胞的比生長速率與限制性基質濃度的關系可用下式表示：第十八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 Monod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設如下：細胞的生長為均衡式生長，因此描述細胞 生長的唯一變量是細胞的濃度；培養(yǎng)基中只有一種基質是生長限制性基 質，而

8、其它組分為過量，不影響細胞的生長； 細胞的生長視為簡單的單一反應，細胞生長 速率為一常數。 第十九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 Monod方程中 為比生長速率(h-1)； 為最大比生長速率(h-1)，S為限制性基質濃度(gL)；Ks為飽和常數(g/L)，其值等于比生長速率為最大比生長速率一半時的限制性基質濃度。 第二十張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞的比生長速率與限制性基質濃度的關系第二十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 將Monod方程變?yōu)?并作圖。通過該圖，即可以獲得兩個 重要的動力學參數。第二十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十三張

9、，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月Ks和m值隨菌種、限制性基質種類的變化微生物限制生長基質Ksm（hr）大腸桿菌葡萄糖0.22 -大腸桿菌乳糖0.58-啤酒酵母乳糖2.63.00.18啤酒酵母葡萄糖0.56-纖維素分解菌葡萄糖0.860.125固氮菌葡萄糖0.160.330.13青霉菌氧氣0.0070.35第二十四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 Monod方程雖然表述簡單，但它不足以完整地說明復雜的生化反應過程，并且已發(fā)現它在某些情況與實驗結果不符，因此人們又提出了另外一些方程,歸納于下表 第二十五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月單基質限制的細胞生長動力學模型第二十

10、六張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 發(fā)酵動力學與發(fā)酵 過 程 控 制發(fā)酵動力學是研究生物反應過程的速率及其影響因素，是生物反應工程學的理論基礎之一 。發(fā)酵過程動力學包括兩個層次的動力學第二十七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、本征動力學（又稱微觀動力學）在沒有傳遞等工程因素影響時，生物反應固有的速率。該速率除反應本身的特性外，只與各反應組分的濃度、溫度、催化劑及溶劑性質有關，而與傳遞因素無關。 第二十八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、反應器動力學 （又稱宏觀動力學）在一反應器內所觀測得到的總反應速率及其影響因素，這些影響因素包括反應器的形式和結構、操作

11、方式、物料的流動與混合、傳質與傳熱第二十九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一、 發(fā)酵動力學發(fā)酵動力學是研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間的相互作用隨時間變化的規(guī)律的科學。研究發(fā)酵動力學的目的在于按人們的需要控制發(fā)酵過程。 第三十張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、產物合成動力學在連續(xù)培養(yǎng)的條件下，由生長、基質利用和產物形成的物料平衡方程，可以看出產物的形成與生長和細胞濃度的關系 第三十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.1、細胞的生長細胞量的積累速率 = 細胞生長速率 細胞的消失速率第三十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2、基質的利用基質的消耗

12、速率 = 補料中基質的添加速率生長消耗的基質速率 產物合成用去的基質速率維持所消耗的基 質速率基質的移去速率 第三十三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3、產物的形成產物形成的速率 = 產物合成速率 產物移去速率 產物被破壞速率第三十四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、代謝產物形成的動力學模型Gaden根據產物生成速率與細胞生長速率之間的關系，將其分為三種類型：類型稱為相關模型，或稱伴隨生長的產物形成模型；類型稱為部分相關模型，或稱不完全伴隨生長的產物形成模型；類型稱為非相關模型或稱不伴隨生長的產物形成模型。 第三十五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十六張

13、，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月類型是指產物的生成與細胞的生長相關的過程(上圖a)，此時產物通常是基質的分解代謝產物，代謝產物的生成與細胞的生長是同步的。動力學方程為：第三十七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月類型反應產物的生成與細胞生長僅有間接關系（上圖b）。在細胞生長期內，基本無產物生成。動力學方程為：或第三十八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 與之間的關系圖第四十張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律一、分 批 發(fā) 酵1. 概念 分批發(fā)酵是指在一封閉培養(yǎng)系統(tǒng)內具有初始限制量基質的

14、一種發(fā)酵方式第四十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 分批發(fā)酵過程的典型類型簡單反應a、生長型：如產氣桿菌（Aerobacter Cloacae）的生長 b、非生長型：如黑曲霉（Aspegillus niger）轉化葡萄糖成為葡萄糖酸 并行反應：如粘紅酵母（Rhodotoruba glutirus） 相繼反應：如假單孢菌（Pseudomonoas Oualis） 分段反應 ：。如大腸桿菌（E.Coli）的二階段式生長 第四十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 分批發(fā)酵過程的生產率體積生產率是以每升發(fā)酵液每小時產生的產物克數（g/Lh）表示的，是對發(fā)酵過程總成果的一種

15、衡量?？偵a率:第四十三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月總生產率第四十五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月其中發(fā)酵過程總的運轉周期為：第四十六張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月絲狀微生物發(fā)酵的產物產率和基質的利用霉菌和其它絲狀微生物的發(fā)酵產物產率和基質利用的動力學是很復雜的，典型的例子是青霉素發(fā)酵第四十七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月絲狀微生物發(fā)酵過程獲得高產的一般規(guī)律(1)在一固定的分批發(fā)酵時間內，存在一種得到最佳產率的最適的基質起始濃度。如果基質濃度太高，菌絲體生長過度，消耗大量基質導致“短周期發(fā)酵”現

16、象的出現，造成產物生成量減少；如果基質濃度太低，菌絲體生長差，到產物生產期便沒有足夠的菌絲體制造產物。 第四十八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）為了提高產物形成速率，對菌絲分枝程度也須加以優(yōu)化。如果菌絲體分枝過少，停滯期和發(fā)酵周期均延長。目前已知菌絲體的分枝程度與種子的生長狀況有關，因此需尋找最適的種子培養(yǎng)條件。 第四十九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）為了提高氧的傳遞速率，對深層發(fā)酵過程似乎宜采用劇烈的攪拌，但是對于青霉素等利用絲狀微生物的發(fā)酵過程來說，中等程度的攪拌對高產有利。對此有幾種解釋，普遍的認為是劇烈的攪拌所施加的剪切力會影響霉菌的形態(tài)，促進菌絲過多

17、分枝，而使產量下降。第五十張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、連 續(xù) 發(fā) 酵把新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)地供給均勻混合的發(fā)酵系統(tǒng)，同時又以相同的速度把含有細胞和產物的發(fā)酵液從發(fā)酵系統(tǒng)中抽出便可使發(fā)酵過程連續(xù)化 第五十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中，微生物細胞的濃度、比生長速率和環(huán)境條件（如營養(yǎng)物質濃度和產物濃度），均處于不隨時間而變化的穩(wěn)定狀態(tài)之下 第五十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)培養(yǎng)的原理1、基于細胞量的 物料平衡細胞的進入速率細胞的流出速率細胞的生長速率細胞的死亡速率細胞的積累速率 第五十三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月簡化后

18、：在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)時 ，上式可變?yōu)椋旱谖迨膹?，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月在連續(xù)培養(yǎng)技術中被稱為稀釋速率，用符號“D”表示（等于培養(yǎng)液在罐中平均停留時間的倒數） 在穩(wěn)定狀態(tài)下，細胞的比生長速率等于稀釋速率。 第五十五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、基于限制性營養(yǎng)成分的物料平衡養(yǎng)分進入系統(tǒng)的速率養(yǎng)分流出系統(tǒng)的速率用于生長的養(yǎng)分消耗的速率用于維持的養(yǎng)分消耗的速率用于產物形成的養(yǎng)分消耗的速率養(yǎng)分在系統(tǒng)中積累的速率第五十六張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月在穩(wěn)定狀態(tài)下 ，則以代入上式， 得第五十七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月上式須符合以下假定細

19、胞的得率系數假定與生長速率或稀釋速率無關 假定細胞濃度的絕對值 與除限制性營養(yǎng)成分以外的所有營養(yǎng)成分無關 限制性營養(yǎng)成分的細胞得率系數只受限制性養(yǎng)分的影響，但是其它環(huán)境因素如pH、溫度和溶解氧必須維持恒定產率第五十八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月達到最大的細胞產率的稀釋率，并不等于達到最大的細胞得率時的稀釋率。因此，過程的最佳化往往必須采取折衷的方法，要同時考慮到產率、轉化率和流出液的殘留基質濃度。第五十九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月分批培養(yǎng)過程與連續(xù)培養(yǎng)過程產率的比較第六十張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月分批和連續(xù)培養(yǎng)產率的比較分批培養(yǎng)中最大比生長速率 （

20、h） 分批培養(yǎng)中最大比生長速率 （h）0.050.090.804.60.100.211.06.80.200.531.29.50.401.5第六十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月恒化器的實際運行情況與理論狀態(tài)的對比碳源限制性恒化器 受N或硫酸鹽限制的恒化器 受K、Mg或磷酸鹽限制的恒化器非恒化連續(xù)培養(yǎng) 第六十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)培養(yǎng)過程中的主要問題雜菌污染問題 生產菌株突變問題第六十三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、雜菌污染問題雜菌污染問題是連續(xù)培養(yǎng)中難以解決的問題。要了解污染的雜菌在什么樣的條件下會在系統(tǒng)中發(fā)展成為主要的微生物群體。 在連續(xù)發(fā)酵過程中，需要長時間連續(xù)不斷地向發(fā)酵系統(tǒng)供給無菌的新鮮空氣和培養(yǎng)基，這就不可避免地發(fā)生雜菌污染問題。第六十四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月假設連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)被外來的生物Y、Z和W污染，這些污染菌的積累速率可用以下物料平衡式表示：污染菌積累的速率污染菌進入的速率污染菌流出的速率污染菌生長速率第六十五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 生產菌株突變問題微生物在復制過程中難免會出現差錯引起突變，一旦在連續(xù)培養(yǎng)系