微生物发酵动力学zu.ppt
《微生物发酵动力学zu.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《微生物发酵动力学zu.ppt(218页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、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:细胞生长和死亡动力学;基质消耗动力学;氧消耗动力学;二氧化碳生成动力学;产物合成和降解动力学;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、
2、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。,一、模型的简化,细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学过程,该过程既包括细胞内的生化反应,也包括胞内与胞外的物质交换,还包括胞外的物质传递及反应。,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104108
3、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::微生物反应动力学是对细胞群体的动力学行为进行描述。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)。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
4、 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
5、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。,一、Gaden对发酵的三分类,类型(偶联型模型)产物的合成和菌体的生长相偶联产物的形成与细胞生长呈相关的过程。产物是细胞能量代谢的结果,此时产物通常是基质的分解代谢产。例如乙醇、乳酸发酵。,x,p,第二节 发酵动力学类型,类型(混合型)产物的合成和菌体的生长部分偶联 产物的形成与细胞生长部分相关或具有间接关系,例如柠檬
6、酸、谷氨酸发酵等。,x,p,第二节 发酵动力学类型,二、初级代谢产物和次级代谢产物,次级代谢产物:还有一类产物,对细胞的代谢功能没有明显的影响,一般是在稳定期形成,如抗生素等,这一类化合物称为次级代谢产物。,初级代谢产物:微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。如氨基酸、核苷酸等等,这些物质称为初级代谢产物。,第二节 发酵动力学类型,类型(非偶联型)产物的合成和菌体的生长非偶联产物的形成与细胞生长不相关或无直接关系,其特点是细胞生长期基本无产物合成,细胞停止生长,产物则大量合成。属于这类的产物是次级代谢产物。例如青霉素、链霉素等抗生素发酵。,x,p,第二节 发酵动力学类型,第三节 微生物生长和
7、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。,间歇培养的最大特点:反应体系中微生物浓度和生理状态随培养时间变化,营养成分和代谢产物亦随培养时间而变化。,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。,(二)四个时期1.延滞期(lag phase)其它名称:停滞
8、期、调整期、适应期现象:活菌数没增加,曲线平行于横轴。特点:生长速率常数=0;细胞形态变大(长);细胞内RNA特别是rRNA含量增高;合成代谢活跃,易产生诱导酶;对外界不良条件敏感。,原因:适应新的环境条件,合成新的酶,积累必要的中间产物。影响延迟期长短的因素:菌种接种物菌龄(对数生长期)接种量(大,易形成优势)培养基成分(合成与天然培养基),2.对数期(logarithmic phase)其他名称:指数期现象:细胞数目以几何级数增加,其对数与时间呈直线关系。特点:生长速率常数最大;平衡生长;代谢最旺盛;对理化因素较敏感;影响因素:菌种;营养成分与浓度;培养温度;,3.稳定期(stationa
9、ry phase)又称:恒定期或最高生长期特点:细胞增殖与死亡数几乎相等,细胞数达最高值;开始积累内含物或产芽孢;开始合成次生代谢产物;影响因素:限制性营养物的量;营养物的比例;有害代谢废物的积累;物化条件;,4.衰亡期(Death or decline phase)特点:出现“负生长”;细胞出现多形态变化;菌体死亡、自溶;影响因素:环境条件变化;分解代谢超过合成代谢;,About Lag Phase,在发酵工业生产中,为了提高生产效率,希望延迟期缩短,要达到该目的,应一般遵循下列规则:(1)接种的微生物应尽可能是高活力的。要用处于对数期的微生物作种子.(2)种子培养基和条件应尽可能接近生产上
10、使用的发酵液组成和培养条件。(3)建议采用大接种量。因细胞内部的某些维生素和辅酶等生长素,向周围培养液扩散,从而降低细胞的活性,延长延迟期,About Exponential Phase,对数生长期的微生物生长速率正比于原有的微生物数,其生长动力学方程为:,About Exponential Phase,对数生长期的微生物生长速率正比于原有的微生物数,其生长动力学方程为:,若为常数,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.,式中比生长速率也叫生长比速,当指数生长期时,其值最大常用m表示;细胞浓度X一般用每单位体积干细胞的质量(
11、g/L)表示;X0和X分别表示t=0和t时的细胞浓度。在对数期是常数,取得最大值,在其它生长期不是常数。,dx/dt=x,=(1/x)(dx/dt),x:细胞的浓度 g/Lt:培养时间 h,:比生长速度 h-1单位菌体浓度引起的菌体增长,反映了指数生长期细胞生长的快慢。,对数期为常数,初始条件:t0=0,t;x0,x,积分得:,6.87*1010,例1:在5 m3培养液中,按5%接种量接种,已知原接种液中含菌5106(个/毫升),如果培养后发酵液中的菌体含量需达4109(个/毫升),求所需培养时间。假定在整个培养时间,均满足s Ks的条件,已知max=0.8 h-1,解:,因为s Ks,故,所
12、以积分得,依题意,于是,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tdln2/。,微生物td:0.5-5 h动物细胞td:15-100 h植物细胞td:24-74 h,td 和反映在对数生长期微生物的生长特性,,工业上也常用菌体细胞的倍增时间td来表示菌种生长活力的高低。,试证明 td=0.693/,式中td为倍增时间,为比生长速率。证明:因为td为倍增时间,而ttd时,细胞浓度x等于初始细胞浓度的2倍,即X=2X0 由指数生长方程:X=t+X0 可得,2X0=td+X0 则:td=ln2/=0.693/,例题2:,例3:
13、某微生物的 0.125 h-1,求td。,指数生长方程,并不是所有微生物的生长速度都符合指数生长规律线形生长(碳氢化合物做营养物)立方根生长(某些丝状微生物),About Exponential Phase,虽然以上方程由对数生长期得出,但对其它生长期也同样适用,二 微生物生长速率与底物浓度的关系(Monod)方程,微生物的生长速率受到许多因素的影响,T、pH、底物浓度等都影响微生物的生长速率。这里需要提出来讨论的是底物浓度与微生物生长速率之间的关系。在一定条件下,微生物的生长速率是底物浓度(s)的函数,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
14、度高时呈二级反应动力学的特点,提出细胞的比生长速率与单一限制性底物之间存在下述关系::比生长速率(h-1)max:最大比生长速率(h-1)Ks:微生物生长的饱和常数(gL)S:限制性底物浓度(gL),什么是限制性底物?它可以是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物,只要该营养物相对贫乏时,就可能成为限制微生物生长的因子,可以是C源、N源、无机或有机因子。那么营养物质相对贫乏又指的是多少量呢?,是指该物质的浓度在比生长速率 达m时对应的最低底物浓度Scrit以下时的情形。Scrit称为临界底物浓度,任一营养物质的浓度若高于Scrit则为非限制性底物,低于Scrit即为限制性底物,图3-6,所以
15、限制性底物就是在培养微生物的营养物质中,对微生物的生长起到限制作用的营养物。莫顿方程表面上与米氏方程同型。但是Monod方程来自于对实验现象的总结,而米氏方程是根据酶促反应机理推导出的。前者是经验方程,后者是机理方程。,关于反应级数,一级反应:反应速率与浓度关系可以用单分子反应表示二级反应:反应速率与浓度关系可以用双分子反应表示零级反应:反应速率与反应物浓度无关,Comparison of Monod equation and M-M equation,m 最大比生长速率Ks 微生物生长饱和常数,Vm 酶的最大反应速率Ks 复合物的解离常数,Monod 研究了基质浓度与生长速度的关系Monod
16、方程(1949),米氏方程:,图3-4,图3-5,Monod equation,MM equation,Monod方程描述的是比生长速率与底物浓度得关系;M-M方程描述的则是反应速率与底物浓度得关系;另外,Monod方程中,细胞浓度无法采用物质的量浓度单位,只能采用g/L或细胞数/L,相应的底物浓度单位也有g/L;而M-M方程可以从严格的酶催化反应机理推导得到,所有的浓度单位是mol/L。,Monod方程中的常数m和Ks同样可以用双倒数图解法得出。或 应用前一个方程图解时,可得到相当精确的m,但在低S值时的偏差较大,影响Ks值的精度。后一个方程则在实际的S值范围内有较高的精度。,max and
17、 Ks of several common microorganisms,例:在一定条件下培养大肠杆菌,得如下数据:,底物浓度 S(mg/l)6 33 64 153 221比生长速率(h-1)0.06 0.24 0.43 0.66 0.70,求:在该培养条件下,大肠杆菌的max,Ks和td。,例题:,S/(mg/l.h)100 137.5 192.5 231.8 311.3 S(mg/l)6 33 64 153 221,解:将Monod方程变换形式:,数据整理如下:,max,1.11(h-1);Ks97.6 mg/L,tdln2/max0.64 h,某种微生物在某种基质条件下m和Ks为一定值;
18、同一种微生物在不同基质情况下有不同的m和Ks值,一般m变化不大,而Ks则变化较大;Ks大小反映了菌体对基质的亲和力强弱,Ks越大,亲和力越小,二者表现出相反关系。,典型的ks值很小,实验时用的底物浓度很小,这样低的s值,又要快速测出它的变化量,那就要采用极为灵敏的、准确的测定底物和菌体浓度的方法,才能通过测定间歇培养的初速度反应来测定ks值,Lag Phase x无净生长 0 加速生长期 x增加 21Exponential Phase x对数增加 常数 减速生长期 x增加缓慢 43Stationary Phase x无净生长 0 Death Phase x减少 0,Monod方程适用于许多微生
19、物生长过程,但是因该方程表述简单,有的时候不足以完整地说明复杂的生化反应过程,已发现它在某些情况下与实验结果不符,因此人们又提出了另外一些方程来描述微生物的生长。如Powell提出的:考虑到细胞壁的渗透性和基质的扩散性,引入KD 扩散阻力因子,此方程适合于高密度下细胞生长,方程中KS与细胞密度相乘。,此方程考虑到细胞壁的渗透性和基质的扩散性,引入KD扩散阻力因子。,3.3 Multiple Substrate Model,(由于并非所有的培养体系中细胞生长都只有一个限制性底物。在不少情况下,往往有多种底物同时影响细胞比生长速率,且底物对生长的影响也是多样的)。,(有时几种底物都是细胞生长所必需
20、的营养物质,并且它们同时作为细胞生长的限制性底物)。,有些底物之间可以相互替代并同时被利用,只要这些底物中一种被利用,细胞就能正常生长,而当其他底物也被利用时,细胞的比生长速率将进一步提高)。有时几种底物按照一定先后次序被利用,也就是说,一些底物比另一些底物会优先进入细胞的代谢途径中被利用。,针对出现上述几种情况的原因,主要是与细胞的代谢组成和相应的酶合成的控制等诸多因素有关。由于多底物对细胞生长影响的复杂性,使得单一限制性底物的非结构模型(Monod模型)不再适用。,3.4 Substrate inhibition kinetics,由于各种原因,细胞的生长有时会受到底物的抑制。由于细胞生长
21、本质上是一系列酶催化反应过程,其中的个别酶可能对整个反应过程起着限速作用,而细胞生长的总比生长速率取决于限速步骤的酶反应。因此可采用与酶催化反应类似方法,对Monod模型作一定的修饰来描述底物抑制现象。,有研究表明,如果初始底物浓度(Cs0)过高,细胞的比生长速率()会降低(这一点不同于Monod 方程中的表述)。其可能的原因是因底物浓度过高,导致培养体系的渗透压和离子强度变大,使物质的跨膜运输体系受到抑制,或者某些在低底物浓度时不容易积累的抑制性副产物,在高底物浓度下出现大量积累。,针对上述现象,也可通过对Monod模型作一定的修饰,得到下述表达式,并进行解释:式中,S0底物初始浓度,KS0
22、为无量纲初始饱和常数。根据修饰后的这个模型,可以看出当初始底物浓度S0很高时,细胞的比生长速率会显著降低。,另外,底物对细胞生长的抑制与酶反应一样,也有反竞争性抑制和非竞争性抑制现象。对于底物的反竞争性抑制现象来说,细胞的比生长速率与底物浓度间的关系可表示为:,式中,Ks为饱和常数;KI为抑制常数,对于底物的非竞争性抑制现象来说,细胞的比生长速率与底物浓度间的关系可表示为:,对葡萄糖,无机盐等常见底物而言,通常只有在较高的底物浓度下才会发生底物抑制,也即培养基中某种基质的浓度高到一定程度后,细胞生长出现底物抑制现象,此时抑制常数KI饱和常数Ks。,根据上述两式,可知,当存在底物抑制时,随着底物
23、浓度的增大,细胞的比生长速率将先增大后减小,其间存在一个极大值。,对上式进行两边求导(d/dS0),求得比生长速率最大时所对应的底物浓度为:,第四节 微生物反应过程的计量学,化学计量学是对化学反应体系的组成和化学反应转化程度的数量化研究。A+B=C+D 元素平衡法 根据化学计量学,可知反应过程中反应组分的数量关系。研究化学计量学的目的是对反应过程进行控制和优化,争取获得最大的经济收益。,第四节 微生物反应过程的计量学,反应工程学 反应热力学 反应动力学,第四节微生物反应过程的计量学,微生物反应过程的计量学:碳源(多种)+氮源(多种)+无机盐(多种)+有机生长因子(多种)+水+氧气=细胞+主产物
24、+副产物(多种)+二氧化碳对于微生物反应过程,由于参加反应的组分多,代谢途径错综复杂,同时,微生物在生长,并且微生物菌体也不能用摩尔摩尔的对应关系表示其计量关系,所以要用元素平衡的方法对微生物反应进行计量,将是十分复杂和困难的,第四节 微生物反应过程的计量学,工程上又不能回避计量问题,每一个工业化的生物反应过程都需要计量。人们提出了一个非常简单的方法,就是引入得率系数(Yield coefficients)的概念,作为描述微生物反应中计量关系的宏观参数。,分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学,培养基中的营养物质被微生物细胞所利用,生成细胞:细胞得率系数,生成代谢产物:产物得率系数,消耗
25、一克营养物质生成的细胞的克数或生成的产物的克数,工业上,一段时间的平均值,获得为表观得率系数,生长得率系数有以下几种定义 1、对基质的细胞得率Yx/s(Monod提出)在分批培养时,培养基的组分在不断变化,因此在培养过程中细胞得率系数不能视为常数,在某一瞬时的细胞得率称为微分细胞得率。分批培养过程,总的细胞得率为,表示每消耗1 mol O2所能形成的菌体质量(克),即:In formula,O2氧的浓度(oxygen concentration)(unit:mol/L);O2氧浓度的变化量(change of oxygen concentration)(unit:mol/L).,Yx/Kal是
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 微生物 发酵 动力学 zu
链接地址:https://www.31ppt.com/p-6161673.html