生化反应工程 微生物反应动力学127页PPT

菌体的生长比速：
dx
(h-1)
dt X
每克菌体在一小时内的生长量，它表示细胞繁殖的 速度或能力。
产物的形成比速： dp
(h-1)
dt X
每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合
成产物的速度或能力，可以作为判断微生物合成代
谢产物的效率。
得率(或产率，转化率，Y)：指被消耗的物质和所合 成产物之间的量的关系。包括生长得率(Yx/s)和产物 得率(Yp/s)。 生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源) 所产生的菌体重(g)，即Yx/s=ΔX／一ΔS。 提高微生物生长得率的措施： 1 要筛选优良的菌种，其本身就应具备高的生长得率。 2 要选择合适的培养基配方，提供略微过量的其它营 养物质，使碳源成为最终的限制性物质。 3 还须选择和控制合适的培养条件，使得微生物的代 谢按所需方向进行。 4 在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染。
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。
二 细胞生长速率与底物浓度的关系
1、莫诺方程 当培养液中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的生长速
率是限制性底物浓度 s 的函数：
dx f s
dt
莫诺方程（Monod）：
s m Ks s
描述比生长速率与单一限制性底 物之间的关系。
——比生长速率，hr-1 Ks——细胞对底物的半饱和常数，g/L s——单一限制性底物的浓度，g/L
x
x x0 et 或
x 1 dx
t
dt
x0 x
0
x ln t
x0
③世代时间td：
也称倍增时间（doubling time），是细胞浓度增长一倍 所需要的时间，也即细胞分裂一次，繁殖一代所用的时间。

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

第一节 微生物生长动力学 第二节 基质消耗动力学 第三节 代谢产物的生成动力学
什么是发酵动力学？
发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间
动态定量关系，定量描述微生物 生长 和 产物形成 过程。
主要研究：
1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成 速率、底物消耗速率及其转化率、效率等； 2、影响发酵动力学参数的各种理化因子； 3、发酵动力学的数学模型。
0
x0 （0<t<t1)
µm
x0e µm t (t1<t<t2)
µ = ms
Ks s
0 -a
x= x0e µm(t2-t1) e µt (t2<t<t3)
xm (t3<t<t4) xme -a t (t4<t<t5)
分批发酵动力学-细胞生长动力学
其它模型1
在无抑制作用情况下（但有底物限制存在）
m 1 exp S KS
产物比生成速率
qP
1 dP x dt
（6-17）
qS
YG
m
qP YP
ds x mx 1 dp
dt YG
YP dt
qS
YX / S
qs qp YP / S
ds 1 dx x
dt YX / S dt YX / S
ds 1 dp dt YP/ S dt
分批发酵动力学-基质消耗动力学
③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。
分批发酵动力学-基质消耗动力学
产物得率系数：
Yp/s ,YP / O2 ,YATP / s ,YCO2 / s ：
消耗每克营养物（s）或每克分子氧(O2)生 成的产物(P)、ATP或CO2的克数。

1
2
3
4
5
6
7
取10支试管为例，按表操作。
比浊法发是酵根液据菌(m悬l液) 的透0光.3量间接地0测.3定细菌的0数.3量。 0.3
0.3
0.3
0.3
将此上法述 分蒸各为馏管湿水溶重液法(m混和l匀干) 后重，法1在。.7540nm波1长.7下，用空1白.7管溶液调1.零7，测定吸1.光7度值。 1.7
2.直接称重法
此法分为湿重法和干重法。干重法系单位体积培养物经过 滤（或离心）后，在105℃烘箱中烘干至恒重（1～1.5hr）， 冷却至室温称重。 具体操作：先称取干燥的滤纸重量，记为W1（g），取发酵液过 滤，上清液保存于冰箱进行糖浓度测定，菌体和滤纸一起于 105℃烘至恒重后称滤纸和菌体重量，记为W2（g），根据下式 计算菌体生物量，单位 g/L。
生化反应工程实验课件
一．实验目的
1.掌握细胞反应动力学的研究方法； 2.巩固还原糖和生物量的测定原理与方法； 3.掌握酶反应速度的实验测定方法； max和米氏常数Km的测定方法。
用制作标准曲线中的空白管溶液调零。 在一定范围内，还原糖的量与棕红色物质颜色的深浅成正比关系，在 540nm波长下测定光密度值，查对标准曲线便可求出还原糖的量。 用制作标准曲线中的空白管溶液调零。 具体操作：将培养0 h、1h、2h、2. 5hr），冷却至室温称重。 掌握酶反应速度的实验测定方法； 取10支试管为例，按表操作。 细菌悬浮液的浓度在一定范围内与光密度成正比，所以可用比色计测定菌液的光密度(OD值)表示样品菌液浓度。 比浊法是根据菌悬液的透光量间接地测定细菌的数量。 3,5－二硝基水杨酸比色法(DNS法)测定还原糖 掌握细胞反应动力学的研究方法； 比浊法是根据菌悬液的透光量间接地测定细菌的数量。 用制作标准曲线中的空白管溶液调零。 比浊法是根据菌悬液的透光量间接地测定细菌的数量。 [2] 程国华编著，生物化学实验技术. [1] 郭勇编著，现代生化技术.

分裂时间为90～120 min。
.
18
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。
.
19
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
1 细胞反应过程计量学
反应计量学是对反应物的组成和反应
转化程度的数量化研究。通过计量学，可
知道反应过程中有关组分的组成变化规律
以及各反应之间的数量关系。知道了这些
数量关系，就可以由一个物质的消耗或生
成速率来推知其他物质的消耗或生成速率。
.
40
由于细胞反应过程由众多组分参与，
且代谢途径错综复杂，在细胞生长和繁殖
的。
CH
O
m
n aO
2bNH
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
.
45
CH
O
bNH
m
n aO
2
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
• 式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz
是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元
素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z
最伟大的发现。
.
3
第三代现代生物技术产品
从1953年美国的Watson及Crick发现了
DNA分子的双螺旋结构，由此而来21世

就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
微生物反应动力学及过程分析
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。

《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

2 酶和细胞的固定化
酶和细胞的固定化方法很多，通常有吸附法，包埋法， 共价结合法和交联法。 （１）吸附法 有表面法和细胞聚集法两种。 （２）包埋法 是细胞或酶固定化最常用的方法，它是将酶 或细胞固定在高分子化合物的三维网状结构中。现有三种包 埋法，即凝胶包埋法、微胶囊包埋法和纤维包埋法。 （３）共价结合法 （４）交联法
以单底物Ｓ生成产物Ｐ的酶催化反应为例，Ｅ表示游离酶 ，其反应历程为
与化学催化相比较，酶催化具有下述特点： ①酶的催化效率高 ②酶催化反应具有高度的专一性，它包括酶对反应的专一性
和酶对底物的专一性。 ③酶催化反应的反应条件温和，无需高温和高压。 ④酶催化反应有其适宜的温度、pＨ、溶剂的介电常数和离子
1 概述 2 酶和细胞的固定化
1 概述
固定化酶是将酶固定在载体或限制在一定局部空间范围内 ，经固定化的酶虽然可以克服游离酶的缺点，但尚需进行提取 与纯化，才能得到酶，且固定化酶只适用于简单的酶反应。固 定化酶和固定化细胞统称为固定化生物催化剂。
固定化细胞是指将细胞固定在载体上或限制在一定局部空 间范围内。按细胞的生理状态，固定化细胞可分为固定化死细 胞，固定化休止细胞和固定化增殖细胞。
（１）竞争性抑制 当抑制物与底物的结构类似时，它们将竞 争酶的同一可结合部位———活性位，阻碍了底物与酶相结合 ，导致酶催化反应速率降低。
（２）非竞争性抑制 有些抑制物往往与酶的非活性部位相结 合，形成抑制物—酶的络合物后会进一步再与底物结合；或是 酶与底物结合成底物—酶络合物后，其中有部分再与抑制物结 合。
化学反应工程_工程是生物化学工程的一个分支，是生物技术实 现产业化的关键之一。
生物技术是应用生物学、化学和工程学的基本原理，利用生 物体（包括微生物、动物细胞和植物细胞）或其组成部分（细 胞器和酶）来生产有用物质，或为人类提供某种服务的技术。

1. 长时间的培养，微生物及变异， 发酵易染菌 2. 新加入的培养基与原有的不完全 混合，影响培养基的利用率 3. 必须和整个作业的其他工序一致 4. 收率与产物浓度较分批法稍低 5. 有可能被杂菌污染及变异，诸因 素对生物反应的研究和动力学关系 不能充分解释
第二节 分批培养动力学
连续发酵（continuous fermentation)即连续培养 类型
第二节 分批培养动力学
分批发酵（batch fermentation)即分批培养
阶段：分延迟期、对数生长期、减速期、稳定期和衰亡期。
第二节 分批培养动力学
分批发酵（batch fermentation)即分批培养
典型的分批发酵工艺流程
第二节 分批培养动力学
补料分批发酵（fed-batch fermentation) 即半连续发酵或半连续培养 定义：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。
第二节 分批培养动力学
连续发酵（continuous fermentation)即连续培养
特点
优点
缺点
1. 提供一个微生物在恒定状态下 高速生长的环境 2. 工业上减少清洗、装料等操作 3. 产物的生产稳定，可节省人力 物力等 4. 可作为分析微生物的生理、生 态及反应机制的有效手段 5. 所需的设备和投资少，便于实 现自动化 6. 产物质量比较稳定
三、 类型Ⅲ（与生长不相关型）
一般产物形成是在菌体生长接近或达到最高生长 时期（稳定期）
产物形成与碳源利用无准量 关系，如：抗生素、维生素等 次级代谢产物。
产量一般不超过碳源耗量的 10％。
第一节 发酵类型
发酵的分类对实践的指导意义
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；

C 6 H 1 O 6 2 6 x 2 O 2 ( 1 x ) C 2 H 5 O ( 4 x H 2 ) C 2 6 x O 2 O H
x变化则计量系数改变，在发酵过程更常用得率概念。
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微生物反应过程中的质量衡算:
碳源＋氮源＋氧＝菌体＋有机产物＋CO2＋H2O
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。如果碳源 由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为 CHxOyNz，忽略其他微量元素P, S和灰分等，此时用碳的定量 关系式表示微生物反应的计量关系是可行的。
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微生物的特点： 个体小，比表面积大 吸收多，转化快 生长旺，繁殖快 适应强，变异快 分布广，种类多
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1.4 微生物与发酵工业
发酵过程
利用微生物作为动力，生产某种特定产物的生物化学 过程。
发酵产品
酿造食品，酒精饮料，有机酸，核苷酸，氨基酸类物 质，酶制剂，抗生素，有机溶剂其它化工产品，营养和生 长必需物质，生物制药…。
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1.6 微生物反应动力学研究目的 微生物工程的基本任务是高效地利用微生物所具有的
内在生产力，以较低的能耗和物耗最大限度地生产生物产 品，因此必须对微生物反应的整个过程实现有效的控制。 微生物动力学为这一目的提供了部分理论依据。
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1.7 微生物反应动力学研究内容 微生物反应动力学是研究生物反应速度的规律，即细
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2.1 研究计量学的目的及计量学特点
ADP ATP
碳源 能源、细胞材料
中间产物 丙酮酸
ATP ADP