生化反应工程微生物反应动力学课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生化反应工程微生物反应动力学,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生化反应工程微生物反应动力学,*,生化反应工程微生物反应动力学,3.1,微生物的基本概念,2,生化反应工程微生物反应动力学,3.1.1,微生物的分类与命名,什么是微生物？,微生物,（,Microorganism,，,microbe,）是对那些肉眼不能直接观察到、微小的、但能维持生命并繁殖的生物的通称，包括细菌、放线菌、真菌、藻类和原生动物等。,3,生化反应工程微生物反应动力学,3.1.1.1,微生物的分类,根据,微生物分类学,分类：,界（,Kingdom,）、门（,Phylum,）、纲（,Class,）、目（,Order,）、科（,Family,）、属（,Genus,）、种（,Species,）。,种以下有变种（,Variety,）、型（,Form,）、品系（,Strain,）等。,根据微生物,不同的进化水平和性状上的明显差别,可分为：,原核微生物,：,细菌,、,放线菌,等；,真核微生物,：,霉菌,、,酵母菌,等；,非细胞微生物,：,病毒,、亚病毒。,4,生化反应工程微生物反应动力学,细菌,细菌,是一类细胞细短、结构简单、胞壁坚韧、多以二分裂方式繁殖和水生性较强的原核生物。,5,生化反应工程微生物反应动力学,放线菌,放线菌,是一类主要呈菌丝状生长 和以孢子繁殖的陆生性较强的原核生物。,6,生化反应工程微生物反应动力学,酵母菌,酵母菌,是一个通俗名称，一般泛指能发酵糖类的各种单细胞真菌。它在酒类酿造中不可缺少。,7,生化反应工程微生物反应动力学,霉菌,霉菌,是丝状真菌的一个俗称，意即“会引起物品霉变的真菌”，通常指那些菌丝体较发达又不产生大型肉质子实体结构的真菌。,8,生化反应工程微生物反应动力学,病毒,病毒,是一类由核酸和蛋白质等少数几种成分组成的超显微“非细胞生物”，其本质是一种只含,DNA,或,RNA,的遗传因子，它们能以感染态和非感染态存在。,烟草花叶病毒,噬菌体（,DNA,病毒）,9,生化反应工程微生物反应动力学,3.1.1.2,微生物的命名,命名方法：“,双名法,”,属名,+,种名,属名,：大写字母开头，是拉丁词的名词，用以描述微生物的主要特征；,种名,：小写字母打头，是一个拉丁词的形容词，用以描述微生物的次要特征。,例如：,Staphylococcus aureus,属名：,葡萄球菌,种名：,金黄色,所以学名全称是“金黄色葡萄球菌”。,10,生化反应工程微生物反应动力学,3.1.2,微生物的化学组成,微生物菌体,由微生物细胞的元素分析可知，细胞中元素（除,碳、氧、氮和氢,外）的含量，一般以,磷、钾,为多，其次是钙、镁、硫、钠、氯、铁、锌、硅等。,水分（,80%,左右）,干物质,蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸、维生素和无机物等。,11,生化反应工程微生物反应动力学,3.1.3,微生物的生长特性,由于微生物各类各异，不同微生物的生长特性亦有很大差别。,细菌,以分裂方式进行繁殖；,酵母菌,以出芽繁殖、裂殖和芽裂（如同菌丝生长）三种方式；,霉菌,的生长特性是菌丝伸长和分枝；,病毒,能在活细胞内繁殖，但不能在一般培养基中繁殖；,12,生化反应工程微生物反应动力学,3.2,微生物反应的基本概念,13,生化反应工程微生物反应动力学,3.2.1,微生物反应的概念及其优缺点,微生物反应,是指以微生物细胞为反应主体的一类生物反应过程。,优点：,反应条件温和；,原料丰富,多为农副产品；,易于生产高分子化合物及光学活性物质；,除了合成的产物外，细胞也是一种产物；,菌种可以改良。,14,生化反应工程微生物反应动力学,3.2.1,微生物反应的概念及其优缺点,微生物反应的缺点：,基质转化不完成，副产物的产生；,产物的获得受环境因素和细胞内因素的双重影响；,因原料为农副产品，价格波动大；,生产前准备工作量大，花费高；,废水的,BOD,值较高，需处理后排放。,15,生化反应工程微生物反应动力学,3.2.2,影响微生物反应的环境因素,一、,营养物质,主要包括：碳源、氮源、无机元素、微量营养素或生长因子等。,定义：,是指可构成微生物细胞和代谢产物中碳架来源的营养物质。,作用：,是构成细胞物质和供给能量。,举例：,糖类、淀粉、油脂等。,特例：,光能自养微生物,是利用光为能源，二氧化碳为主要碳源。,碳源,16,生化反应工程微生物反应动力学,定义：,主要是提供合成原生质和细胞其它结构的原料，一般不提供能量。,举例：,硫氨、尿素、豆饼和玉米浆等。,3.2.2,影响微生物反应的环境因素,氮源,功能：,构,成细胞的组成成分；作为酶的组成成分；维持酶的作用；调节细胞渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位等。,大量：,磷、硫,、镁、铁、钾、钙等,微量：,锰，钴，铜，锌等。,无机元素,17,生化反应工程微生物反应动力学,作用：,维持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。,举例：,维生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶,。,3.2.2,影响微生物反应的环境因素,生长因子,18,生化反应工程微生物反应动力学,3.2.2,影响微生物反应的环境因素,二、,温度,温度影响微生物生长和繁殖的最重要的因素之一。,19,生化反应工程微生物反应动力学,3.2.2,影响微生物反应的环境因素,三、,溶解氧与氧化还原电位,Eh,根据微生物对氧需求性的不同，可将微生物分为：,厌氧型微生物：如产甲烷菌。,好氧型微生物：如霉菌。,兼性厌氧型微生物：如酵母。,溶解氧：溶解在水中的分子态氧。,20,生化反应工程微生物反应动力学,3.2.2,影响微生物反应的环境因素,三、,溶解氧与氧化还原电位,Eh,厌氧型微生物：,+0.1,伏，,+0.3+0.4,为宜；,兼性厌氧型微生物：均可。,当溶解氧浓度低，溶氧电极无法检出时，可以培养基的氧化还原电位,Eh,作为定量表示厌氧程度的方法,。,21,生化反应工程微生物反应动力学,3.2.2,影响微生物反应的环境因素,四、,pH,微酸性（,pH5-6),：酵母、霉菌等；,中性或微碱性：细菌、放线菌等；,极端,pH,（,10,）：少数极端微生物。,不同微生物有其最适生长的,pH,值范围。,22,生化反应工程微生物反应动力学,3.2.2,影响微生物反应的环境因素,五、,湿度,细菌：,0.9-0.99,；,大多数酵母：,0.8-0.9,；,真菌及少数酵母：,0.6-0.7,。,湿度主要针对固态培养而言。通常以水活度表示。,水活度,=,湿料饱和蒸汽压,相同温度下纯水饱和蒸汽压,各类微生物生长水活度范围：,23,生化反应工程微生物反应动力学,3.2.2,影响微生物反应的环境因素,六、,其他因素,渗透压、压力等。,24,生化反应工程微生物反应动力学,3.3,微生物反应过程的计量学和能量衡算,25,生化反应工程微生物反应动力学,3.3.1,微生物反应过程计量学,微生物反应可写成如下形式,：,为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡算。,式中：,CH,m,O,n,-,碳源元素组成；,CH,x,O,y,N,z,-,细胞元素组成,CH,u,O,v,N,w,-,产物元素组成,。,忽略了微量元素,P,、,S,和灰分等。,26,生化反应工程微生物反应动力学,对各元素做元素平衡，得到如下方程组：,方程中有,a,、,b,、,c,、,d,、,e,和,f,六个未知数，需六个方程才能解。,3.3.1,微生物反应过程计量学,27,生化反应工程微生物反应动力学,3.3.1,微生物反应过程计量学,呼吸商：,通过测定,O,2,的消耗速率与,CO,2,的生成速率来确定。是好氧培养中评价微生物生物代谢机能的重要指标之一。,呼吸商（,RQ,），其定义式为：,28,生化反应工程微生物反应动力学,例：某以葡萄糖为底物的微生物细胞培养过程，有,2/3,的碳转化为细胞。其细胞培养的反应方程为,C,6,H,12,O,6,+,a,NH,3,+,b,O,2,=,c,C,4.4,H,7.3,O,1.2,N,0.86,+,d,H,2,O+,e,CO,2,葡萄糖 微生物细胞,（,1,）试确定计量,系数,a,、,b,、,c,、,d,、,e,；,（,2,）试计算呼吸商,RQ,。,3.3.1,微生物反应过程计量学,29,生化反应工程微生物反应动力学,解：（,1,）细胞反应的方程式系数的计算,根据题意,2/3,葡萄糖转化为微生物细胞的,C,元素为：,则有：,转化为,CO,2,的,C,元素为：,30,生化反应工程微生物反应动力学,则：,对,N,元素平衡，有：,对,H,元素平衡，有：,31,生化反应工程微生物反应动力学,对,O,元素平衡，有：,所以：,a,=0.782,，,b,=1.473,，,c=,0.909,，,d,=3.855,，,e,=2,32,生化反应工程微生物反应动力学,（,2,）呼吸商,RQ,的计算,33,生化反应工程微生物反应动力学,3.3.2,微生物反应过程的得率系数,单位：,g,细胞,/g,基质,消耗,1g,基质生成细胞的克数称为,细胞得率,或,生长的得率,Y,X/S,，其定义为：,得率系数,：是对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数。,3.3.2.1,基于基质的细胞得率,34,生化反应工程微生物反应动力学,3.3.2,微生物反应过程的得率系数,某一瞬间的细胞得率称为,微分细胞得率,（或,瞬时细胞得率,）,式中：,r,x,是微生物细胞的生长速率；,r,s,是基质的消耗速率。,同一菌种，同一培养基，好氧培养的,Yx/s,比厌氧培养的大的多。,35,生化反应工程微生物反应动力学,得率,定义及单位,消耗,1g,或,1mol,基质所得的干菌体克数，,g/g,或,g/mol,消耗,1molATP,所获的干菌体克数，,g/mol,消耗,1kJ,热量所获得的干菌体克数，,g/kJ,消耗,1g,氧所获得的干菌体克数，,g/g,消耗一个有效电子所获得的干菌体克数，,g/ave-,消耗,1molNO3-,所获得的干菌体克数，,g/mol,1mol,氢受体所产生的干菌体克数，,g/mol,消耗,1g,氮所获得的干菌体克数，,g/g,消耗,1mol,基质所产生二氧化碳的摩尔数，,mol/mol,消耗,1mol,氧所产生二氧化碳的摩尔数，,mol/mol,部分菌体得率与产物得率,36,生化反应工程微生物反应动力学,例,1,：某以葡萄糖为底物的微生物细胞培养过程，有,2/3,的碳转化为细胞。其细胞培养的反应方程为,C,6,H,12,O,6,+0.782NH,3,+1.473O,2,=0.909C,4.4,H,7.3,O,1.2,N,0.86,+3.855H,2,O+2CO,2,试计算其底物对细胞的得率,Y,X/S,。,3.3.2,微生物反应过程的得率系数,37,生化反应工程微生物反应动力学,例,2.,葡萄糖为碳源进行酿酒酵母培养，呼吸商为,1.04,，氨为氮源。消耗,100mol,葡萄糖和,48mol,氨，生成菌体,48mol,、二氧化碳,312mol,和水,432mol,。求氧的消耗量和酵母菌体的化学组成。,38,生化反应工程微生物反应动力学,例,3.,在啤酒酵母的生长试验中，消耗了,0.2kg,葡萄糖和,0.0672kgO,2,，生成,0.0746kg,酵母细胞和,0.121kgCO,2,请写出该反应的质量平衡式，并计算酵母得率,Y,X/S,和呼吸商,QR,。,39,生化反应工程微生物反应动力学,当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一部分被,同化,为细胞的组成成分，其余部分被,异化,分解为,CO,2,和代谢产物。,与碳元素相关的细胞得率,Yc,可由下式表示,式中,Xc,和,Sc,分别为单位质量细胞和单位质量基质中所含碳元素量。,Yc,值一般小于,1,，为,0.40.9,。,3.3.2,微生物反应过程的得率系数,3.3.2.2,基于碳的细胞得率,40,生化反应工程微生物反应动力学,微生物反应的,特点之一,是通过呼吸链（电子传递）氧化磷酸化生成,ATP,。在氧化过程中，可通过有效电子数来推算碳源的能量。当,1mol,碳源完全氧化时，所需要氧的,mol,数的,4,倍,称为该基质的,有效电子数,。,定义式：,3.3.2,微生物反应过程的得率系数,3.3.2.3,基于有效电子数的细胞得率,41,生化反应工程微生物反应动力学,该细胞得率表示微生物细胞与所释放的热量相关联。,定义式：,3.3.2,微生物反应过程的得率系数,3.3.2.4,基于能量的细胞得率,式中：,E,消耗的总能量；,X,细胞生产量；,E,a,可采用干细胞的燃烧热计算；,E,b,可采用所消耗的碳源和代谢产物各自的燃烧热之差计算。,多数微生物在,好氧培养,时的,Y,KJ,值为,0.028g,细胞,/kJ,，在,厌氧培养,时,Y,KJ,的平均值为,0.031g,细胞,/kJ,。对于,光能自养型,微生物，如藻类的,Y,KJ,约等于,0.002 g,细胞,/kJ,。,42,生化反应工程微生物反应动力学,以基质异化代谢产生,ATP,为基准生成的细胞量的细胞得率,Y,ATP,的定义式：,3.3.2,微生物反应过程的得率系数,3.3.2.5,基于,ATP,的细胞得率,43,生化反应工程微生物反应动力学,3.3.2,微生物反应过程的得率系数,3.3.2.5,其它的细胞得率,44,生化反应工程微生物反应动力学,例,4.,乙醇为基质好氧培养酵母，反应式为：,C,2,H,5,OH+0.085NH,3,+2.394O,2,0.564(CH,1.75,N,0.15,O,0.5,)+2.634H,2,O+1.436CO,2,求,Y,X/S,、,Y,X/O,、,Y,C,、,Y,ave-,。,45,生化反应工程微生物反应动力学,1mol,乙醇完全燃烧需要的氧为,3mol,，有效电子数为,12,。,46,生化反应工程微生物反应动力学,3.3.3,微生物反应过程中的能量衡算,微生物反应是,放热反应,。,储存于碳源中能源，在好氧反应中约有,40%,50%,的能量转化为,ATP,，其余能量作为热量排放。,能量衡算的,必要性,：,基质分解所产生的能量及其消耗途径,维持能（不用于细胞合成）,合成反应,维持细胞的活性,保持细胞内外的浓度梯度,用于细胞内各类转化反应,ATP,热能（释放到环境）,47,生化反应工程微生物反应动力学,3.3.3,微生物反应过程中的能量衡算,葡萄糖、酒精和乳酸完全燃烧时，,1mol,葡萄糖在酒精发酵或乳酸发酵中产生的反应热分别为,136kJ,和,197kJ,。,酒精发酵：,2871kJ-136kJ=2735kJ=1368(,酒精燃烧热,)2,转移到酒精中保留。,乳酸发酵：,2871kJ-197kJ=2674kJ=1337(,乳酸燃烧热,)2,转移到乳酸中保留。,例：以葡萄糖为营养源，发酵生产酒精或乳酸,48,生化反应工程微生物反应动力学,3.3.3,微生物反应过程中的能量衡算,能量利用率：,好氧发酵：,1mol,葡萄糖产生,38,molATP,；,3138/2871=41%,厌氧发酵：,1mol,葡萄糖产生,2,molATP,312/2871=2.2%,厌氧培养中,Y,ATP,约为,10.5g,细胞,/molATP;,好氧培养中,Y,ATP,为,6,29g,细胞,/molATP,。,49,生化反应工程微生物反应动力学,利用,Y,kJ,表示为生物反应过程对能量利用，有：,式中：,以菌体,X,的燃烧热为基准的焓变，,所消耗基质的焓变与代谢产物的焓变之差，,其由下式给出：,其中：,碳源氧化的焓变，,kJ/mol,；,产物氧化的焓变，,kJ/mol,。,3.3.3,微生物反应过程中的能量衡算,50,生化反应工程微生物反应动力学,3.3.3,微生物反应过程中的能量衡算,同除：,得：,51,生化反应工程微生物反应动力学,例,5,：,干酪乳杆菌在蛋白胨、牛肉膏为主要成分的复合培养,基中，分别以葡萄糖和甘露醇为能源厌氧培养，结果,如下表，试计算,Y,kJ,。,能源,Y,P/S,(mol/mol),以产物,/,基质计,Y,X/S,(g/mol),(,以细胞,/,基质计,),乳酸,乙酸,乙醇,甲醇,葡萄糖,0.05,1.05,0.94,1.76,62.0,甘露糖,0.4,0.22,1.29,1.6,40.5,由化工手册可知：,H,葡萄糖,=-2816kJ/mol,H,a,=-22.15kJ/g,H,乳酸,=-1363kJ/mol,H,乙酸,=-870kJ/mol,H,乙醇,=-1368kJ/mol,H,甲醇,=-264kJ/mol,H,甘露醇,=-3038kJ/mol,52,生化反应工程微生物反应动力学,以葡萄糖作为能源时：,=1363,0.05+870,1.05,+1368,0.94+264,1.76,=2732(kJ/mol),所以：,62,22.15,62+2816-2732,0.043(g/kJ),53,生化反应工程微生物反应动力学,以甘露醇作为能源时：,=2925(kJ/mol),0.041(g/kJ),54,生化反应工程微生物反应动力学,当采用葡萄糖为唯一碳源的基本培养基进行微生物的好氧培养时，葡萄糖既作为能源，又作为构成细胞的材料。反应过程可表示为,厌氧培养中，,P62,页。,3.3.3,微生物反应过程中的能量衡算,55,生化反应工程微生物反应动力学,一般规律：,能量生长偶联型生长,Y,kJ,值较大，能量利用率较高；,能量生长非偶联型生长,Y,kJ,值较小，能量利用率较低。,3.3.3,微生物反应过程中的能量衡算,能量生长非偶联型,：,缺少合成菌体的材料或存在生长抑制物质，这时的生长取决于合成菌体材料的供应或合成反应的进程。,在微生物生长过程中，依靠,ATP,中高能键释放的能量将,菌体构成材料,合成细胞高分子物质如蛋白质、,DNA,、,RNA,、脂类以及多糖的需要。,能量生长偶联型,：,有大量合成菌体材料存在时，微生物生长取决于,ATP,的供能。,56,生化反应工程微生物反应动力学,反应热,(,代谢热、发酵热,),反应热,H,h,是由培养基生成菌体,x,和代谢产物,P,的反应过程中形成，故可由下式计算：,3.3.3,微生物反应过程中的能量衡算,微生物反应中不可避免地要产生热，这种热称为,反应热,或,代谢热,。,57,生化反应工程微生物反应动力学,例,6,：葡萄糖为唯一碳源进行酵母培养，反应式为,1.11C,6,H,12,O,6,+2.10O,2,C,3.92,H,6.5,O,1.94,+2.75CO,2,+3.42H,2,O,求,(1)Y,X/S,;(2),生成,1kg,细胞量时的,H,h,。已知酵母细胞和葡萄糖的燃烧热分别为,1.5010,4,kJ/kg,和,1.5910,4,kJ/kg,。,58,生化反应工程微生物反应动力学,解：,Y,X/S,=,酵母细胞分子质量,1.11,葡萄糖分子质量,=84.58/199.8=0.42(kg/kg),每生成,1kg(1/84.58=0.0118mol),酵母细胞，,要消耗葡萄糖,1.110.0118=0.0131mol,，,0.0131180=2.36(kg),，所以，,=1.5910,4,2.36-1.5010,4,=2.2510,4,(kJ),59,生化反应工程微生物反应动力学,例,7,：酿酒酵母在复合培养基中以葡萄糖为能源厌氧培养，反应平衡式为：,C,6,H,12,O,6,+1.002O,2,+0.284NH,3,1.670CH,1.83,O,0.50,N,0.17,+1.065C,2,H,6,O+2.196CO,2,+1.65H,2,O,求,(1)Y,X/S,、,Y,kJ,、,Y,ave-,(2),生成,1kg,细胞量时的,H,h,。已知酵母细胞、,C,6,H,12,O,6,、,C,2,H,6,O,的燃烧热分别为,22.93kJ/mol,、,2815kJ/mol,、,1366.1kJ/mol,。,60,生化反应工程微生物反应动力学,3.4,微生物反应动力学,61,生化反应工程微生物反应动力学,目的：,在细胞水平上，通过对细胞生长、底物消耗、产物合成等动力学特性进行定量描述，反映微生物生长、代谢的规律，为微生物反应过程优化与控制、反应过程设计研究提供依据。,主要研究方法：,在生物反应计量学的基础上，围绕微生物过程的速率问题，通过构建模型对细胞生长、底物消耗和产物生成的定量化分析进行讨论。,微生物反应动力学研究的目的及主要方法,62,生化反应工程微生物反应动力学,微生物反应具有如下的特点：,微生物,细胞是反应过程的主体；,微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系；,微生物反应与酶催化反应有着明显的不同。,3.4.1,细胞反应过程动力学模型,微生物反应,是指以微生物细胞为反应主体的一类生物反应过程。,63,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.1.1,动力学模型的简化,细胞的生长、繁殖和代谢是一个复杂的生物化学过程。,胞内的反应,胞内与胞外物质的交换,胞外物质的传递与反应,特点：,多相、多组分和非线性。,因此，对这样一个复杂的体系进行精确的描述几乎是不可能的。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物理模型，再据此推出数学模型。,64,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.1.1,动力学模型的简化,简化的主要内容：,第一，细胞反应动力学是对,细胞群体,的动力学行为的描述，而不是对单一细胞进行描述。,第二，是否考虑细胞个体之间的差异。,第三，是否考虑细胞内的组成结构。,第四，是否将细胞作为与培养液分离的生物相处理。,确定论,：不考虑细胞之间的差别，取其性质的平均值；,概率论,：考虑每个细胞之间的差别。,结构模型,：考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，它可以从机制上描述细胞的动态行为；,非结构模型,：将细胞视为单组分，忽略环境的变化对细胞组成的影响。,分离化模型,：细胞与培养液相分离；,均一化模型,：将细胞一培养液视为一相。,65,生化反应工程微生物反应动力学,结构模型,动力学模型的简化,细胞间无差异，各细胞均一；,细胞由多组分组成,各细胞生长不均一；,不考虑细胞内的结构。,平均细胞的近似,平均细胞的近似,均衡生长,均衡生长,非结构模型,最理想的情况,：,不考虑细胞内的结构；,细胞间无差异，各细胞均一；,细胞群体作为一种溶质。,实际情况,：,细胞由多组分组成；,各细胞生长不均一；,概率论模型,确定论模型,66,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.1.2,细胞生长过程的速率与比速率,细胞生长速率,式中,C,X,细胞浓度，（,g/L,）,t,时间，（,h,）,细胞浓度通常用单位体积的培养液中的细胞（或菌体）的干重表示。细胞浓度一般用质量单位表示，很难用摩尔单位表示。,速率,：单位时间、单位反应体积某一组分的变化量。,67,生化反应工程微生物反应动力学,底物消耗速率,式中,C,S,底物浓度，（,g/L,）或（,mol/L,）,氧消耗速率,式中,C,O,单位体积的培养液中,O,2,的消耗量，（,g/L,）或（,mol/L,）,3.4.1.2,细胞生长过程的速率与比速率,68,生化反应工程微生物反应动力学,产物生成速率,式中,C,P,产物浓度，（,g/L,）或（,mol/L,）,CO,2,生成速率,式中,C,CO,2,单位体积的培养液中,CO,2,生成量，（,g/L,）或（,mol/L,）,3.4.1.2,细胞生长过程的速率与比速率,69,生化反应工程微生物反应动力学,热量的生成速率,式中,C,H,单位体积的培养液中热量的生成量，（,kJ/L,）,3.4.1.2,细胞生长过程的速率与比速率,70,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.1.2,细胞生长过程的速率与比速率,比速率,：以单位浓度细胞（或单位质量菌体）为基准而表示的各个组分变化速率。,在细胞反应中主要的反应的比速率有：,细胞的比生长速率,（,1/h,）,：表示单位细胞浓度为基础的细胞增殖速率，例如每克菌体在,1h,内菌体质量增加的克数。,并,非,常数，,遗传因素,是,大小的决定因素，越是高等生物，,越小。,71,生化反应工程微生物反应动力学,底物的比消耗速率,（,1/h,）或（,mol/g,h,）,氧的比消耗速率,（,1/h,）或（,mol/g,h,）,产物的比生成速率,（,1/h,）或（,mol/g,h,）,3.4.1.2,细胞生长过程的速率与比速率,72,生化反应工程微生物反应动力学,CO,2,的比生成速率,（,1/h,）或（,mol/g,h,）,热量的比生成速率,（,kJ/g,h,）,3.4.1.2,细胞生长过程的速率与比速率,73,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.2,微生物生长动力学,分批培养,：在封闭系统中对微生物进行的培养，既不补充营养物质也不移去培养物质，保持整个培养液体积不变的培养方式。,分批培养的生长曲线,5,个生长时期,：,迟滞期,对数生长期,减速生长期,稳定生长期,衰亡期,74,生化反应工程微生物反应动力学,迟滞期,菌种接入新的环境中即进入迟滞期。,微生物细胞培养在迟滞生长期内的,生长速率,为,微生物细胞培养在迟滞生长期内的,比生长速率,为,3.4.2,微生物生长动力学,75,生化反应工程微生物反应动力学,对数生长期,在对数生长期内的微生物细胞的生长速率为,以,t,=0,，,C,X,=,C,X,0,，,t,=,t,，,C,X,=,C,X,为边界条件对上式积分，有,3.4.2,微生物生长动力学,76,生化反应工程微生物反应动力学,倍增时间,定义：细胞数量（质量）增大,1,倍所需要的时间，用,t,d,表示。,3.4.2,微生物生长动力学,根据,得到,77,生化反应工程微生物反应动力学,减速生长期,由对数生长期到稳定生长期的过渡，是由于一种或多种营养物质的完全消耗或由于有害物质的积累导致。,式中,k,d,细胞的比死亡速率,则,3.4.2,微生物生长动力学,78,生化反应工程微生物反应动力学,稳定生长期,稳定期微生物细胞的生长和微生物细胞的死亡是平衡的。,即,3.4.2,微生物生长动力学,稳定生长期的活细菌,数量最高,并维持稳定，初级代谢产物减少，,次级代谢产物,开始产生（如抗生素）。,79,生化反应工程微生物反应动力学,衰亡期,营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累，细菌死亡速率逐步增加和活细菌逐渐减少，标志细菌的群体生长进入衰亡期。,即,3.4.2,微生物生长动力学,80,生化反应工程微生物反应动力学,1942,年,Monod,在归纳大量的试验的基础上提出细胞的,比生长速率,与,限制性底物浓度,的关系为,式中,max,细胞的最大比生长速率，（,1/h,）,K,S,饱和常数，（,g/L,）或（,mol/L,）,K,S,的意义：,为微生物细胞的比生长速率达到最大比生长速率的,1/2,时的底物浓度。,3.4.3,细胞生长的,Monod,方程,81,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.3,细胞生长的,Monod,方程,Monod,方程的基本,假设,：,第一，细胞生长为,均衡式生长,，因此描述细胞生长的惟一变量是细胞浓度。,第二，培养基中,只有一种生长限制性底物,，而其它组分过量，不影响细胞生长。,第三，细胞的生长视为,简单的单一反应,，细胞得率为一常数。,因此，,Monod,方程仅适用于,细胞生长较慢和细胞密度较低,的环境下，只有这样，细胞的生长才能与底物浓度呈简单关系。,82,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.3,细胞生长的,Monod,方程,当底物浓度,C,S,远小于饱和常数,K,S,时，,Monod,方程可简化为,此时的细胞生长速率为关于底物浓度的一级动力学关系,讨论,：,83,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.3,细胞生长的,Monod,方程,讨论,：,当底物浓度,C,S,远大于饱和常数,K,S,时，,Monod,方程可简化为,此时的细胞生长速率为关于底物浓度的零级动力学关系,84,生化反应工程微生物反应动力学,Monod,方程参数估计,对,Monod,方程参数估计可用,Lineweaver-Burk,法、,Hanes-Woolf,法、,Eadie-Hofstee,法及积分法等确定。,（,1,）,Lineweaver-Burk,法（简称,L-B,法）对,Monod,方程式取倒数，得到,3.4.3,细胞生长的,Monod,方程,（,2,）,Hanes-Woolf,法（简称,H-W,法）对,L-B,法式子的等式两端同乘,C,S,，此种方法减少了,C,S,值过大或过小所带来的测量误差。,85,生化反应工程微生物反应动力学,Monod,方程参数估计,3.4.3,细胞生长的,Monod,方程,（,3,）,Eadie-Hofstee,法（简称,E-H,法）将,Monod,方程重排得到,（,4,）积分法 用不同反应的时间,t,与其反应过程相对应的底物浓度之间的函数关系通过作图或回归的方法确定细胞反应动力学参数。,86,生化反应工程微生物反应动力学,例,8,：乙醇为唯一碳源进行面包酵母培养，获得如下数据：,求,max,和,K,s,。,S/(g/L),0.4,0.33,0.18,0.1,0.071,0.049,0.038,0.02,0.014,/(h,-1,),0.161,0.169,0.169,0.149,0.133,0.135,0.112,0.0909,0.0735,解：,取倒数，作图。,由图可知：,1/,max,=5.638,，,K,s,/,max,=0.11,因此,max,=0.18,h,-1,，,K,s,=0.02 kg/m,3,87,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.4,其它的微生物生长速率模型,见教材P68，表4-5。,88,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.5,有抑制的微生物生长动力学,在高底物、产物浓度情况下或培养基中出现抑制性物质时，细胞生长会受到抑制，其比生长速率会下降。,原因：,改变细胞渗透性；,影响了酶的合成；,影响了酶的活力等。,分类,：,底物抑制微生物生长动力学；,产物抑制微生物生长动力学；,有害物质抑制微生物生长动力学。,89,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.5.1,底物抑制微生物生长动力学,当细胞内单底物的酶催化反应是影响生长速率的限制性步骤时，细胞生长的抑制和酶反应的抑制具有相同模式。,竞争性抑制时，生长动力学符合,：,非竞争性抑制时，生长动力学符合,：,90,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.5.1,底物抑制微生物生长动力学,底物抑制举例：,底物为醋酸，以假丝酵母,（,Candidida utlis,）,生产微生物蛋白。,91,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.5.2,产物抑制微生物生长动力学,竞争性抑制,：,非竞争性抑制时，生长动力学符合,：,92,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.5.2,产物抑制微生物生长动力学,产物抑制举例,：,酵母利用葡萄糖生产乙醇,。,乙醇浓度高于,5%,时就会有明显的抑制作用,。,可能的,作用部位,：细胞膜、核膜、液泡膜、线粒体膜、疏水性蛋白、亲水性蛋白、内质网等,。,93,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.5.3,有害物质抑制微生物生长动力学,与酶反应一样，有害物质对细胞生长的抑制可分为,：,竞争抑制、非竞争抑制、反竞争抑制。,特例,：,当有害物质的出现可能导致细胞生长停止或死亡，其反应动力学可表示为：,其中：为死亡速率常数,94,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.6,多底物生长动力学,多底物对生长的不同影响,：,多种底物对生长均必需，同时作为限制性底物对细胞的生长起限制作用，如葡萄糖和,NH,3,。,多种底物相互间可替代，且可以同时被利用；,多种底物按一定顺序逐个被消耗，即有的底物具有优先权，如啤酒酿造中，葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖依次被利用。,原因：与,细胞的代谢组成,和相应的,酶的合成的控制,有关。,95,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.6,多底物生长动力学,一般认为，对于多重底物限制的情况，比生长速率可以采用多个单底物比生长速率表达式的乘积表示。,如果两种底物可以相互替代，并且可以被同时利用，则总的比生长速率可以表示为：,96,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7,底物（基质）消耗动力学,底物的作用,：,合成新的细胞物质；,合成代谢产物；,提供能量。,因此底物的消耗与细胞的生长、维持和产物的生成有密切关系。,97,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.1,底物的消耗速率 与比消耗速率,底物的消耗速率可通过细胞得率与细胞生长速率相关联：,消耗速率：,C,S,底物浓度，（,g/L,）或（,mol/L,）,98,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.2,底物的比消耗速率,底物的比消耗速率与细胞得率与细胞生长速率相关联：,比消耗速率,：相对单位质量细胞在单位时间内的底物消耗量。,99,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.2,底物的比消耗速率,则有：,定义底物的,最大比消耗速率,为：,100,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.3,包括维持能的底物消耗动力学,底物消耗速率为：,当底物既是能源又是碳源时，应考虑,维持能,所消耗的底物。,维持能：,用于维持细胞渗透压，修复,DNA,、,RNA,和其它大分子，维持细胞的结构和生命活性。,式中：为生成细胞干重与完全消耗于细胞生长的底物的质量之比，它表示在无维持代谢时的细胞得率，可称为最大细胞得率。,m,为细胞维持系数，,g/(g.s),101,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.3,包括维持能的底物消耗动力学,细胞维持系数,m,的定义,：单位质量干细胞在单位时间内，因维持代谢所消耗底物的量。,m,是微生物菌株的一种特性值，对于特定的菌株、底物和环境条件，它是常数。维持系数越低，细胞的能量代谢效率越高。,102,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.3,包括维持能的底物消耗动力学,内源代谢：,又称内源呼吸，当底物浓度低，生长速率可能等于,0,。若底物浓度进一步降低至不足以满足细胞维持能所需时，细胞会消耗一部分细胞内含物以满足维持生理活性的要求。,此时的比生长速率可表示为：,式中：,K,e,为内源代谢速率常数。,103,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.3,包括维持能的底物消耗动力学,底物消耗速率方程两边均除,Cx,，即得,底物比消耗速率,：,104,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.4,包括产物生成的底物消耗动力学,当底物的消耗量取决于细胞的生长量、产物的生成量及维持代谢三个因素时，底物的消耗速率表示为。,底物消耗速率方程两边均除,Cx,，即得,底物比消耗速率,：,105,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.5,氧的消耗动力学,氧气在好氧微生物反应过程起着举足轻重的作用，它是一种特殊的底物，在传质良好且满足微生物生长条件下，其消耗动力学符合一般底物动力学。,考虑维持能时：,106,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.5,氧的消耗动力学,考虑维持能时：,氧的比消耗速率：,107,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.6,底物消耗动力学分析,碳源、能源物质,简单化合物,分解,（底物水平磷酸化）,释放的,CO,2,和水,氧化,（氧化磷酸化）,能量化合物,释放到胞外小分子产物,细胞组成的前体物质,合成胞外复杂化合物,维持能,细胞分解底物产能和合成产物的示意图,109,生化反应工程微生物反应动力学,3.4.7.6,底物消耗动力学分析,底物消耗与产物合成的关系,底物,维持能 细胞物质,产物、,CO,2,、水,底物,维持能 细胞物质,CO,2,水,CO,2,水,产物,产物合成直接与能量产生相联系。产物为小分子，如乙醇。,底物部分或全部用于生成产物，能量代谢不与产物相关联，如胞外多糖、酶等。,110,生化反应工程微生物反应动力学,例,10,：以甲醇为基质，进行某种微生物好氧分批培养，获得如下数据：,求,max,；,Y,X/S,；倍增时间,t,d,；饱和常数,K,s,；,t=10h,时微生物细胞的比生长速率,。,时间,/h,0,2