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微生物反应动力学与微生物反应器解析

微生物反应动力学与微生物反应器解析

td: 倍增时间(doubling time)
第一节 微生物反应动力学
微生物的Logistic增长曲线
X Xm
dX/dt=a(Xm-X)X
时间t
第一节 微生物反应动力学
（二）微生物生长速率与基质浓度的关系
Monod（莫诺特）方程
μ
μ max

max S
Ks S

1 μ max 2
S：生长限制性基质的浓度(mg/L) μmax ：最大比生长速率(1/h)
kv De 球形催化剂的西勒数
第一节 微生物反应动力学
三、微生物生长速率与基质消耗速率的关系
在环境工程中，常常需要根据污染物
的生物降解速率预测微生物的生长量
rs
1 Y x / s*
rx mx X
(15.3.16)
rx Y x / s*(rs ) mxY x / s*X
(15.3.59)
第二节 微生物反应器的操作与设计
半连续培养的物料衡算
假设反应器内流体完全混合，只 有一种限制性基质，微生物均衡 生长，细胞产率系数恒定
体积流量:qv 基质浓度:Sin
菌体浓度: Xin=0
d (VX ) XV dt
(15.4.10)
S、V、X
d (VS ) 1 qVSin (rs )V qVSin XV dt Yx / s (15.4.11)
dX dS Y x / s* mxY x / s* X dt dt
(15.3.60)
常数b
第一节 微生物反应动力学
dX dS Y x / s* bX dt dt
在污水生物处理中 Yx/s*：污泥真实转化率或污泥真实产率

Chapter2.5 微生物反应动力学

Chapter2.5 微生物反应动力学

华中农业大学生命科学技术学院《环境生物工程》课件©2009 Environmental Bioengineering
劳伦斯－麦卡帝基本方程式的应用
确立处理水基质浓度（Se）与污泥平均停留时间（θc）之间的关 系
Se =
1 Ks ＋ d K c θ
1 Yvmax－ ＋ d K c θ
dS 2 − = kS dt
积分得到：
（1-3） （1-4）
1 1 − = − kt St S0
如：2A（反应物）→ P（产物） 不同环境中的反应级数可以根据特定的一组浓度S和时间t的 实验数据，根据公式（1-2）、（1-3）、（1-4）来判断反 应级数。
华中农业大学生命科学技术学院《环境生物工程》课件©2009 Environmental Bioengineering
b 微生物比增殖率和比基质降解率： u=(dX/dt)/X dX/dt—微生物增殖率，g/(L·h); x—曝气池中微生物浓度 比基质降解率：q=(dS/dt)/X dS/dt—基质降解速率，g/(L·h)。 污泥平均停留时间（习惯称污泥龄） 指反应系统内微生物从其生成开始到排出系统的平均停留 时间。相当于反应系统内微生物全部更新一次所需要的时 间。用θc或ts表示。单位为d（天）： θc＝vx/∆x ∆x—每日增殖的污泥量，g
第二基本方程式 该方程式表示的是基质降 解速率与曝气池内微生物 浓度和基质浓度之间的关 系。 有机质降解速率等于被微 生物利用的速率，即： v＝q 则根据monad方程式，用 qmax代替vmax，得：
XaS dS = qmax Ks + S dt u
Qmax—单位污泥最大基质利用速率； Ks—半速率系数。
华中农业大学生命科学技术学院《环境生物工程》课件©2009 Environmental Bioengineering

第九章 微生物反应动力学

第九章 微生物反应动力学
8
二、发酵类型
发酵类型即动力学模型，为了描述 菌体生长、碳源利用与代谢产物形 成速度变化以及它们相互之间的动 力学关系。
9
发酵类型
• Gaden‘s fermentation classification（按照菌体生 长，碳源利用和产物生成的变化）可分为： – 第一、二、三类型
根据产物形成与底物利用（基质消耗）的关系分类
结论
通过对分批发酵中细胞、基质和产物浓度变 化规律的实验研究，可以对分批发酵过程进 行模拟，进而进行优化控制，提高产率。
43
分批发酵的分类对实践的指导意义
从上述分批发酵类型可以分析： 如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级 代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条 件，延长与产物合成有关的对数生长期； 如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物）， 则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体 细胞后延长平衡期，以提高产量。
发酵动力学的研究正在为从实验室、中试到工业 生产数据的放大、为分批发酵过渡到连续发酵提 供理论依据。
7
四）发酵过程按进行过程有三种方式： 分批发酵(Batch fermentation) 补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation)
谢产物的积累逐渐下降。
30
Monod方程是典型的均衡生长模型
其基本假设如下： ①细胞的生长为均衡式生长，描述细胞生长的唯一变
量是细胞的浓度； ②培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其它
组分为过量，不影响细胞的生长； ③ 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞生长速率为
一常数。
Monod方程中: μ为比生长速率μ(h-1)；μm为最大比生长速率(h-1)； S为限制性基质浓度(g／L)；

微生物工程发酵过程动力学的基本概念课件

微生物工程发酵过程动力学的基本概念课件
现在学习的是第二十三页，共65页
补料分批培养适合于以下条件
• ①生长非偶联型产物的生产 • ②高密度培养 • ③产物合成受代谢物阻遏控制 • ④利用营养缺陷型菌株合成产物 • ⑤补料分批培养还适用于底物对微生物具有抑
制作用等情况。 • ⑥此外，如果产物黏度过高或水分蒸发过大使
传质受到影响时，可以补加水分降低发酵液黏 度或浓度。
其动力学方程可表示为:
d[P] dt
YP/ X
dX dt
YP/ X X
或
QP YP/ X
式中 YP/X—系以菌体细胞量为基准的产物生成系数，g / g；
[P]—产物浓度，g / L；
X—菌体浓度，g / L;
d[P] —产物生成速率，g /(Lh)； dt QP —产物形成的比速率，g产物／（g细胞• h）。
(2)对数生长期
• 处于对数生长期的微生物细胞的生长速率大大加快， 单位时间内细胞的数目或质量的增加维持稳定，并 达到最大值。
• 此时，如以细胞数目或生物质量的对数值对培 养时图，将得一直线，该直线的斜率就等于μ。
现在学习的是第三十六页，共65页
微生物的最大比生长速率在工业上的意义
• 为保证工业发酵的正常周期，要尽可能地使微 生物的比生长速率接近其最大值。
说明：代谢产物收率
• 定义：生成的代谢产物量ΔP对底物的消耗 量ΔS（g）之比定义为代谢产物收率 （YP/S）。 YP/S P S (g/ g或 m/oml)ol
Y theor P/S
假如完全没有菌体生成，则理论代谢产物收率可
达到最大值。
现在学习的是第二十页，共65页
现在学习的是第二十一页，共65页
基 质 的 消 耗 速 率 SYX X /S 基 质 的 比 消 耗 速 率＝ S -

第四章 微生物反应动力学(简)

第四章 微生物反应动力学(简)
17
1. 微生物生长中的能量转换
根据微生物获取能量的方式，可把微生物分 为： （1)自养微生物：不从有机化合物中获取能量 化能、光能自养微生物 （2）异养微生物：从有机化合物中获取能量
18
（1）自养微生物的生长
化能自养微生物通过氧化NO2- ，S等获 取能量，如亚硝酸细菌； 光能自养微生物，如绿色硫杆菌；
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，所需要氧的摩尔数的4倍称为该基质的有效电子数。若碳源为葡萄糖， 其完全燃烧时每摩尔葡萄糖需要6mol氧，有效电子数＝6×4＝24。
基于有效电子数的细胞得率定义式为： ΔX Yave－＝ (34-8 ) −7 － 基质完全燃烧所需氧的摩尔数 × 4ave / mol氧 Yave－的计算方法：由表34-2 3可知，以葡萄糖为碳源，产生气杆菌的 − YX / S = 72.7 g / mol，葡萄糖的有效电子数为24ave－ / mol，所以产气 杆菌的Yave－＝72.7 / 24 ≈ 3g / ave−。
计算上述反应中的得率系数Y x/s和Y x/o
16
4.1.3 微生物反应中的能量衡算
培养过程的反应可用以下简式表示： C源＋N源＋O2→ 菌体＋产物＋CO2＋H2O
(-ΔS)+ (-ΔN) +(-ΔO2) →ΔX+ ΔP+ΔCO2+ΔH2O
微生物反应是放热反应，储存于碳源中能源，在 好氧反应中有40%~50%的能量转化为ATP，供微 生物的生长、代谢之需，其余的作为热量被排放。 进行微生物优化培养时，必须进行适宜的温度控 制，因此有必要从反应热的角度考虑反应过程中能 量代谢，并进行微生物反应过程的能量衡算。

第8章 微生物反应动力学

第8章 微生物反应动力学

8.1 发酵类型
发酵类型即动力学模型：是为了描述菌体生 长、碳源利用与代谢产物形成速度变化，以及 它们相互之间的动力学关系。 已经发展出了好几种动力学分型，在这里介 绍一种称为发酵过程的动力学分型。这种动力 学分型方法讨论的是产物形成与底物利用的关 系，即碳源利用与产物形成速度的关系，它又 将微生物发酵过程分成了三个类型P79（表81）。
如果用比速率来表示基质消耗和产物生成，即
q S = —（1/X）/（d S/d t）
（9-16）
q P = （1/X）/（d P/d t）
（9-17）
q S和q P分别为基质比消耗速率和产物比生成速率，
则式（8-14）和（8-15）可分别写作
q S = μ/YX/S q p = μ/ YG +m+ q P / YP
对各种不同的微生物分批发酵过程，通过实
验研究这三个参数的变化规律，建立适当的微
分方程组，就可以对分批发酵过程进行模拟，
进而进行优化控制，最终达到大大提高生产效
率的目的。
8.3 连续培养动力学
连续培养：连续培养或连续发酵是指在培养
过程中，连续地向发酵罐中加入培养基，同时
有以相同流速从发酵罐中排出含有产品的培养
Байду номын сангаас
8.1.2 第Ⅱ型
这一型也称与生长部分相关型。它的特 点是在发酵的第一时期菌体迅速增长，而 产物的形成很少或全无；在第二时期，产
物以高速度形成，生长也可能出现第二个
高峰，碳源利用在这两个时期都很高，P79
（图8-1b）。
• 从生源来看，这一类型发酵产物不是碳源的直 接氧化，而是菌体代谢的主流产物，所以一般 产量较高。也可以分为如下两类：

第七章_微生物反应动力学课件


细胞体系 多组分 多反应体系 受基因调控 自适应 随机性 遗传不稳定性
�
底物 转化为 产物 。 细胞消耗营养成分，将培养环境中的 细胞消耗营养成分，将培养环境中的底物 底物转化为 转化为产物 产物。 热量 ，与此同时，通过设置培养环境 细胞在生命活动中产生 细胞在生命活动中产生热量 热量，与此同时，通过设置培养环境 的温度控制细胞的生长或产物合成。
�
第七章 微生物反应动力学
微生物反应动力学研究的内容
营养成分 底物 产物 热量 机械 相互作用
� � � � � � �
培养环境 多组分 液相反应 酸碱平衡 pH, T 等变化 T等变化 液体流变学变化 ) 多相 (气、固、液 气、固、液) 空间的非均一性
� � � � � �
细胞体系 多组分 多反应体系 受基因调控 自适应 随机性 遗传不稳定性
第七章 微生物反应动力学
第七章 微生物反应动力学
主要内容
第一节 发酵类型 动力学模型
第二节 微生物反应动力学
一.分批培养动力学 二.连续培养动力学
第七章 微生物反应动力学
微生物反应过程概论
1. 微生物反应动力学研究的内容 1.微生物反应动力学研究的内容 �反应动力学：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。 �研究内容：包括了解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，环境因素对三者的影响，以 及影响其反应速度的条件。
第七章 微生物反应动力学
第一节 发酵类型
一.第 I 型
指的是终产物就是菌体本身，菌体 菌体生长类型指的是终产物就是菌体本身，菌体 � 菌体生长类型 增加与碳源利用平行，且两者有定量关系。如酵 母、苏云金杆菌等的培养。

《生物反应动力学》PPT课件

《生物反应动力学》PPT 课件
菌体生长 基质消耗 产物生成
最佳工艺条件的控制
菌体生长速率 基质消耗速率 代谢产物的生成速率
• 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) vx= dt = µc(X) 或
µ=
1
c(X)
·
dc(X)
dt
μ除受细胞自身的遗传信息支配外，还受 环境因素的影响。
c0(X) =0
μ>> k
-
F V
c (X)
+ µc(X)
=
dc(X) dt
dc(X) dt = 0
F c (X) = µc(X) V
F =μ = D V
限制性营养物质的物料平衡
- - - - = 流入的 流出的
营养物质 营养物质
生长消耗 的营养物质
维持 生命需要 的营养物质
形成产 物消耗的 营养物质
件的不同而不同，通常
比生长速率与底物之间关系
为0.086～2.1h-1
µm
c(S)﹤﹤KS时
µ=
µm ．c(S) KS
﹤﹤
c(S) KS时
µ=
µm KI KI + c(S)
b
μ
c
µm/2
a
KS
c(S)
• 微生物生长过程的特征通常以得率系数 来描述，即生成细胞或产物与消耗的营 养物质之间的关系。 细胞得率系数（YX/S g）：消耗1g营养 物质生成的细胞的质量。
分批发酵动力学
补料分批发酵动力学 连续发酵动力学
☞ 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

第五章 微生物反应动力学


一、连续培养的优点
在分批培养中，微生物要经过延迟期、对数 生长期、减速期、稳定期和衰亡期五个时期， 但对特定的发酵产物合成仅在一个时期，其 余时期都是多余的。
连续培养与分批培养相比有许多优点： 1 可以使发酵过程保持在一个期的稳定状态， 提高设备的利用率和单位时间产量。 2 发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制。 3 可以在不同发酵罐中控制不同的条件，易于 分期控制。 连续培养从设备上分为罐式和管式；从控制方 法上分为恒成分培养和恒浓度培养；从使用的 菌种分为循环式和非循环式；还可分为单级和 多级连续培养方式。
X
(g.L-1.s-1)
ds 基质的消耗比速： dt
(h-1、s-1)
单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称 为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念
发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
ds 基质的消耗比速： dt
(h-1)
第五章
微生物反应动力学
微生物反应动力学是研究各种环境因素与微 生物代谢活动之间相互作用随时间变化（即 生物反应速度）的规律。 研究内容：微生物生长过程中的质量和能量 平衡；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；环境因素 对三者的影响以及影响反应速度的条件。 研究方法：用数学模型定量地描述发酵过程 中细胞生长规律、基质利用速率和产物生成 速度等因素的变化，达到对发酵过程有效的 控制，从而提高产品的产率及达到降低生产 成本的目的。
比生长速率不再是最大常数，而是逐渐减小。
4、静止期 营养物质耗尽或有害代谢产物的大量积累，使细胞比生长速 率下降至0，细胞浓度达到了最大值，并且不再增加。 5、衰亡期 细胞所生存的环境恶化，细胞开始死亡，活细胞数量不断 下降。

4 微生物反应动力学(1)


YX / S
=
0.564 × (12 + 1.75 + 14 × 0.15 + 16 × 0.5) 12 × 2 + 6 + 16
= 0.292
YX /O
=
0.564 × (12 + 1.75 + 14 × 0.15 + 16 × 0.5) 2.394 × 32
=
0.176
4.1.4 微生物反应的维持常数 碳源维持常数 m：单位质量的菌体单位时间内维持生存所需的碳源。 氧维持常数 mo：单位质量的菌体单位时间内维持生存所需氧气。 ATP 维持常数 mATP：单位质量的菌体单位时间内维持生存所需 ATP。
4.1.5 微生物反应过程的质量衡算 4.1.5.1 碳素平衡
⎜⎛ − ⎝
dS dt
⎟⎠⎞α1
=
dX dt
α2
+
dCO2 dt
α3
+
dP dt
α
4
(4-1)
或： γα1 = μα 2 + QCO2α3 + πα4
(4-2)
式中：
α1 — 每摩尔基质中碳的含量（g/mol），如葡萄糖 α1= 72 α2 — 每克（干）菌体内碳的含量（g/g），一般 α2 = 0.5 α3 — 每摩尔二氧化碳中碳的含量（g/mol），α3 = 12 α4 — 每摩尔产物中碳的含量（g/mol），对乙醇 α4 =24，对醋酸 α4=24，对乳 酸 α4=36。
要对发酵过程进行优化控制，必须了解达到高产所必须具备的生产菌株生长 状态（生长速率、形态、浓度等），相应的基质和氧的需要率，以及各种发酵条 件对这种生长状态和需要量的影响。由于发酵动力学是关于微生物生长率、基质 和氧消耗率、产物合成率等动态变量之间关系以及它们与发酵条件之间关系的学 问，因而掌握这些学问，就能更加系统（而不是孤立）、有效（而不是盲目）的 驾驭这些发酵条件和动态变量，发酵过程的控制问题也就应刃而解了。
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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，前一个词是
属名，是拉丁语的名 词，是“葡萄球菌” 的意思。第二个词字 是种名，是拉丁语的 形容词，意思是“金 黄色”。所以学名是 “金黄色葡萄球菌”。
图3-1 微生物细胞生长繁殖的温度范围
三、溶解氧与氧化还原电位Eh
• 氧是在溶解状态下被微生物利用的，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。除与氧分压有关外， Eh还受pH的影响。pH值低时，氧化还原电位高；pH值高 时，氧化原电位低。当pH一定时，溶氧水溶液的Eh与溶解 氧浓度（D0）的对数成正比。所以，由所测得的Eh可求得 所需的DO值。
烟草花叶病毒
噬菌体（DNA病毒）
3.1.2 微生物的化学组成Βιβλιοθήκη 微生物菌体的80%左右是水分。
湿菌体（wet cell mass）所含水分是指菌体在 100℃前后干燥直到恒重时减少的量。除去水 分的菌体称为干菌体（dry cell mass）。
微生物菌体中除水分外，其余为蛋白质、碳水 化合物、脂肪、核酸、维生素和无机物等化 学物质。
关于微生物反应动 力学
主要内容 1、基本概念 2、微生物反应的物量衡算 3、微生物反应的能量衡算 4、微生物反应动力学
3.1 基本概念
3.1.1微生物的分类与命名 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、变形菌、 真菌、藻类和原生动物等。
酵母菌的生长方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂 （如同菌丝生长）三种。在最适条件下， 酵母在45 min内就可以分裂，比较典型的 分裂时间为90～120 min。
霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从菌丝 体（顶端生长）的顶端细胞间形成隔膜进 行生长，一旦形成一个细胞，它就保持其 完整性。霉菌的倍增时间可短至60～90 min，但典型的霉菌倍增时间为4～8 h。
细胞中某些元素（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。另外，还含有微量 的铝、铜、锰、钴等。
3.1.3 生长特性
由于微生物种类各异，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的繁殖。在适宜的生长
条件下，某些细菌的世 代 时 间 可 达 10 ～ 20min 。然而，比较典型的世 代时间为40～60 min。 当细菌分裂为二分裂时 ，世代时间等于倍增时 间（菌体量增加一倍所 需时间）。
霉菌(mould, mold)是丝状真菌(filamentous fungi)的一个通俗名称，在自然界分布很广， 其生长所要求的相对温度比细菌低。真菌有核， 呈丝状，直径一般为3～10μm，多分枝，有 或无隔膜。
霉菌多为腐生菌，也
有少数寄生于动物或
植物体内。它们具有
广泛的降解和合成能
力，是发酵生产某些
• 碳源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。碳源的主要作用是构成 细胞物质和供给微生物生长发育所需的能量。 大多微生物以有机含碳化合物作为碳源和能 源，例如糖类、淀粉、油脂等。光能自养微 生物（ photoautotroph）是利用光为能源， 二氧化碳为主要碳源。
• 氮源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。在微生物工 业中，硫氨、尿素、豆饼和玉米浆等是较 为常用的氮源。
• 好氧性微生物在Eh值为+0.1伏以上均可生长，以Eh等于 +0.3～+0.4伏时为适。厌氧微生物只能在Eh值小于+0.1伏以 下生长。兼性厌氧微生物在+0.1伏以上或以下均能生长。
二、温度
• 是影响微生物生长和繁殖的最重要的因素 之一。在一定范围内，微生物的代谢活动 与生长繁殖随着温度的上升而增加，温度 上升到一定程度，开始对机体产生不利影 响，如温度继续提高，细胞功能急骤下降， 以至死亡。
• 各种生物有其最适生长温度、最高生长温 度与最低生长温度，并且，最适、最高和 最低温度回因环境条件变化而变化。
病毒能在活细胞内繁殖， 但不能在一般培养基中 繁殖。病毒是通过复制 方式进行繁殖，即感染 细胞后“接管”寄主细 胞的生物合成机构，按 病毒的遗传特性，合成 病毒的核酸和蛋白质， 并且以指数方式进行复 制，幂大于2。
流行性感冒病毒
3.1.4 影响微生物反应的环境因素
一、营养物质
• 分为碳源、氮源、无机元素、微量营养素或 生长因素等。
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。
命名：“双名法”。
• 无机元素的主要功能是：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。需要量较大的无机元素是磷、硫、 镁、铁、钾、钙等，还需要几种微量的金 属元素，如锰，钴，铜，锌等。
生长因素（growth factor）：微生物维持 正常生活所不可缺少的，但其需要量又不 大。根据化学结构和代谢功能可将其分为 三类：即维生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。 工业生产中，常利用玉米浆等作生长因素 的供应量。
重要物质的主力军。
酵母菌(yeast) 是一个通 俗名称，是典型的真核 生物，多为单细胞，有 的也呈丝状。有的酵母 通过出芽进行无性繁殖， 也有的酵母进行分裂繁 殖。酵母既可进行好氧 呼吸，又能进行厌氧呼 吸。酵母菌在酒类酿造 中是不可缺少的。
病毒(virus)是存在于动物、植物、昆虫、真菌、藻类和细菌细 胞内的专性寄生物，是最小的微生物。病毒本身不具备或具 备最低的合成和代谢能力，只能在寄主细胞内生长繁殖，常 导致寄主细胞被破坏和死亡。寄生于细菌细胞内的病毒又称 为噬菌体。噬菌体是危害细菌发酵的重要根源。