第五章 生物反应动力学

生物反应动力学菌体生长基质消耗产物生成最佳工艺条件的控制为试验工厂比拟放大，为分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。

菌体生长速率

基质消耗速率

代谢产物的生成速率第一节生物反应过程动力学描述菌体生长速率：单位体积、单位时间生长的菌体量（g/h.L)

dc(X)dt=µc(X)或µ=1c(X)·dc(X)dtμ除受细胞自身的遗传信息支配外，还受环境因素的影响。vx=碳源+氮源+氧细胞+产物+CO2+H2O△X+△P+△CO2+△H2O细胞得率系数：即每消耗1g基质所生成的细胞克数。YX/S=X-X0S0-S=△X△S

基质的消耗速率vsvs=dc(s)dt-=-vxYX/S-=μc(X)YX/SS0-SX-X0△S△N△O2++=vXvS-vsc(X)v=

当基质既是能源又是碳源时，就应考虑维持能量，即：碳源总消耗量=用于生长的消耗速率+用于维持代谢的消耗速率菌体生长得率系数菌体维持代谢的维持系数1YG·c(X)m+=-vsvx1YGm+=-vμ代谢产物的生成速率vp：单位体积、单位时间内，产物形成的量。vp=dc(P)dt

产物的比生成速率Q：Q=vpc(X)一、生物反应动力学分类二、发酵方法第二节生物反应模式与发酵方法发酵动力学分类分类依据及类型判断因素

根据产物形成与基质消耗关系Ⅰ

产物形成直接与基质消耗有关Ⅱ

产物形成与基质消耗间接有关Ⅲ

产物形成与基质消耗无关

根据生长有否偶联偶联型

产物形成速度与生长速度密切相关非偶联型产物形成速度与生长速度无关混合型产物形成速度与生长部分相关

根据反应进程简单型

营养成分以固定的化学量转化为产物，无中间物积累并行型

营养成分以不定的化学量转化为一种以上的产物，且产物生成速度随营养成分浓度而异，也无中间物积累串联型

形成产物前积累有一定程度的中间物的积累分段型

营养成分在转化为产物前全部转化成中间产物或以优先顺序选择性地转化为产物，反应过程有两个反应段组成复合型

大多数的发酵过程是一个复杂的联合反应类型Ⅰ这是一种产物合成与利用糖类有化学计量关系的发酵，糖提供了生长所需的能量。糖消耗速率与产物合成速率的变化是平行的。类型Ⅱ产物形成间接与基质消耗有关，即微生物生长与产物形成是分开的，糖既提供细胞生长所需的能量，又充当产物合成的碳源。类型Ⅲ产物是微生物的次级代谢产物，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以菌体细胞量为基准的产物生成系数，g/g偶联型合成的产物通常是分解代谢的直接产物，这类初级代谢产物的生产速率与生长直接相关vP=dc(P)dt=YP/Xdc(X)dt=YP/Xμc(X)QP=YP/XvPc(X)=μc(X)c(X)=YP/Xμ偶联型非生长偶联型dc(P)dt=βc(X)g/(g细胞.h)非生长偶联型细胞生长时无产物形成，但细胞停止生长后，有大量产物积累，产物的形成量只与细胞的积累量有关或QP=αμ+βα与生长偶联的产物形成系数，g/g细胞β非生长偶联的比生产速率，g/(g细胞.h)混合型生长与产物形成部分相关dc(P)dt=αdc(X)dt+βc(X)混合型分批式操作：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后，将全部反应物取出。半分批式操作：也称流加式操作。是指将一定量底物装入罐内，在适宜条件下接种使反应开始。反应过程中，将特定的限制性底物送入反应器，以控制罐内限制性底物浓度在一定范围，反应终止将全部反应物取出。

反复分批式操作：是指分批式操作完成后，取出部分反应系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作进行。反复半分批式操作：流加操作完成后，取出部分反应系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作。连续式操作：反应开始后，一方面把底物连续地供给到反应器中，同时又将反应液连续不断地取出，使反应过程处于稳定状态，反应条件不随时间变化。openopenopen

是指在一个密闭系统内，投入有限数量的营养物质后接入少量微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。close概念

微生物所处的环境是不断变化的；可进行少量多品种的发酵生产；发生杂菌污染能够很容易终止操作；对原料组成要求较粗放；当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易改变处理对策。

特点概念

特点close每一次发酵需进行反复的清洗、灭菌等操作，增大了发酵的非生产时间，降低了设备利用率及发酵效率；每次均存在一个微生物生长适应、增殖过程，增大了对底物的消耗，降低了底物的利用率；培养基中的底物浓度较高，具有较高的渗透压，不利于微生物的生长等。是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。概念特点close概念

特点close

可以解除培养过程中的底物抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。对于好氧过程，可以避免在分批培养过程中因一次性投糖过多，造成细胞大量生长，耗氧过多，从而加剧氧的供需矛盾。微生物细胞可以控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来控制细胞的质量。不会产生微生物菌种的老化和变异。补料分批培养的使用范围所用底物在高浓度时对菌体生长有抑制作用高菌体浓度培养即高密度培养系统非生长偶联性次级代谢产物的生产存在Crabtree效应的培养系统受异化代谢阻遏的系统存在最适底物浓度的系统营养缺陷型菌株的培养希望延长反应时间或补充损失的水分的系统提高产物得率高黏度的培养系统透析膜发酵系统外置过滤器的发酵系统

是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜培养基，同时又以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的量维持恒定，微生物细胞能在近似恒定状态下生长的发酵方式。概念

提供了一个微生物在恒定状态下高速生长的环境，便于进行微生物的代谢、生理、生长和遗传特性的研究。减少了辅助操作时间，提高了生产效率。产物质量较稳定。可作为分析微生物的生理、生态及反应机制的有效手段。所需的设备和投资较少；便于实现自动化；可节省人力、物力。在长时间的培养过程中，微生物菌种易发生变异，发酵过程中易染菌。特点

概念特点close

分批发酵动力学

补料分批发酵动力学

连续发酵动力学第三节微生物发酵动力学

分批发酵的不同阶段

微生物分批培养的生长动力学方程

分批培养时基质的消耗速率分批培养中产物的形成速率分批培养过程的生产率c停滞期：接种物的生理状态和浓度是决定停滞期长短的关键。对数生长期：单位时间内细胞的数目或质量的增加维持恒定并达到最大值。稳定期：微生物的质量基本维持稳定。衰亡期dc(X)dt=µc(X)

倍增时间（td）：微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间。td=ln2μ=o.693μdc(X)µdtc(X)=

当以碳氢化合物作为微生物的营养物质时其生长速率不符合对数规律。lnct(X)c0(X)=µt1942年，