微生物反应动力学

微生物工程第六章微生物反应动力学，内容有发酵动力学、发酵动力学描述、生物反应模式与发酵方法等，收藏下图学习吧！

微生物反应动力学

• 发酵动力学：研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。 研究目的：通过发酵动力学的研究来进行最佳发酵工艺条件的控制。发酵过程中菌体浓度、基质浓度、温度、pH值、溶解氧等工艺参数的控制方案，也需要在这些研究基础上进行优选。 研究内容：1)微生物生长过程中的质量和能量平衡；2)发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产物生成速率的相互关系；3)环境因素对三者的影响；4)工艺条件的控制。
• 发酵过程动力学描述
  • 符号：基质(S) ,菌体(X) ，产物(P)
  • 得率系数(Y) 和维持常数
    • 生长得率系数：菌体的生长量相对于基质消耗量的收得率。体现的是一时间段内的总体变化情况（ΔX-干菌体的生长量）
    • 产物得率系数：代谢产物合成量相对于基质消耗量的收得率。分为实际产物得率和理论产物得率两种。
    • 维持:指活细胞群体在没有实质性的生长(生长和死亡处于动态平衡)和没有胞外代谢产物合成情况下的生命活动(如细胞的运动、细胞内外各种物质的交换、细胞物质的转运和更新等)。 维持常数:单位质量干菌体在单位时间内因维持代谢消耗的能量。 m越小，菌株的能量代谢效率越高。
  • 比速率
    • 菌体比生长速率(μ) 一般情况下，u值并非常数，它受菌种特性、T、pH值、M组成及浓度等条件的响。但是，在分批发酵的对数生长期，μ一般为常数。μ越大，说明这种M.B生长越快。
    • 基质比消耗速率
    • 产物比生成速率
  • 质量与能量平衡
    • 碳元素平衡——基质中的碳=菌体中的碳+产物中的碳+CO2中的碳
    • 氮元素平衡——基质中的氮=菌体中的氮+产物中的氮
    • 碳源平衡——▲发酵中的碳源消耗通常用于菌体生长、活细胞维持、产物合成三方面
    • 能量平衡：物质代谢的同时也伴随着能量代谢 
• 生物反应模式与发酵方法
  • 生物反应动力学分类
    • 根据产物形成与细胞生长是否耦联进行分类
    • 根据产物形成与基质消耗的关系分类 
  • 发酵方法
    • 1.分批发酵法（最为广泛使用） 定义:在一个密闭系统内一次投料，一次接种，经过若干时间的发酵后再将发酵液一次放出的发酵操作类型 M.B经历着由生到死的一系列变化。分批发酵过程中细菌的生长，可分为迟滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期。 发酵液中的细胞浓度、基质浓度和产物浓度均随时间而不断发生变化。非恒态/非稳态
    • 2.连续发酵法(开放系统) 定义:当微生物培养到对数生长期的后期时，以一定的速度向发酵罐内添加新鲜的无菌培养基，同时以相同速度从发酵罐中排出含有产物的培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。 pH值、温度、M浓度、溶解氧等都保持恒定，因此菌体的生长速率是恒定的 M.B的生长和代谢终保持旺盛的稳定状态，能达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的。
      • 优:①可以维持稳定的操作条件，所以产品质量相对稳定;②能实现机械化和自动化，降低了劳动强度，减少了染菌机会;③减少设备清洗、准备和灭菌等非生产时间，提高了设备利用效率;④容易对过程进行优化。
      • 缺:①需要专门仪器，投资高;②由于是开放系统，加上反应周期长，容易染菌;③在长周期连续培养中，菌种易于退化;④营养物的利用率一般低于 单批培养;⑤新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合，影响培养和营养物质的利用。
    • 3.补料分批发酵法( 又称半连续发酵法或流加发酵法 ) 定义:在微生物的分批培养过程中，向发酵罐中间歇或连续地补加一种或多种无菌的限制性底物，直到培养结束后才排出培养液的一种发酵操作方式。 流加发酵操作能使发酵系统中保持低的营养物浓度。 可解除底物的抑制、产物的反馈抑制和Glc分解阻遏效应;又避免了培养基积累某些有毒代谢物，而且还可以起到稀释发酵液以降低粘度的作用。 由于流加发酵可以延长细胞对数生长期和平衡期的持续时间，增加生物量和细胞代谢产物的积累，因此发酵工业中广泛采用这种培养方式进行生产。
  • 微生物发酵动力学
    • 分批发酵
      • 分批发酵的不同阶段 (1)迟滞期 适应新环境、X几乎没有增加、细胞个体增大、合成有关水解酶来利用营养物质、迟滞期长短与？有关 (2)对数生长期 活力旺盛、快速分裂繁殖、显示对数生长 培养基成分虽然发生改变，但细胞的生长速率维持恒定且达到最大。当培养基中营养物过量时，生长速度与营养物浓度无关: 如果细胞数倍增，则所需要的倍增时间td＝0.693/μ (3)稳定期 营养物消耗或有毒物质形成，生长速度下降直至停止。这时细胞增加速度和死亡速度达到平衡，进入稳定期。DCW基本恒定，细胞性能相对稳定。 (4):衰亡期 能量耗完和有毒物质积累，细胞开始自容而死亡。时间长短取决于M.B的种类和M的类型。
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      • 生长动力学
        • Monod方程式  大多数M.B的Ks是很小的，表明M.B对营养物有较高的吸收亲和力 μm随M.B的种类和培养条件而异（细菌μm＞真菌μm；T↑，μm↑;营养物质容易被利用时μm↑） Monod方程只适用于单一基质限制及不存在抑制性物质的情况（即除了一种生长限制性基质外，其它必需营养都是过量的，但是这种过量又不致引起对生长的抑制，在生长过程中也没有抑制性产物生成）
        • 动力学参数
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  • 发酵工艺最优化控制
    • ①明确控制目标（三高：产量、产率、效率）；②明确影响因素：理化因素，生物因素；③确定实现目标值的方法；④确定最佳工艺：营养条件、环境条件；⑤实施最佳工艺