生物反应器基础微生物生长动力学

关于生物反应器基础微生物生长动力学第一页，共七十二页，2022年，8月28日第一节微生物生长的基本特征微生物的种类（可分为三大类）：Ⅰ、非细胞型微生物（病毒）；Ⅱ、原核细胞型微生物，仅有原始细胞核，如细菌、放线菌等；Ⅲ、真核细胞型微生物，霉菌、酵母菌和单细胞藻类，原生动物。

第二页，共七十二页，2022年，8月28日微生物的作用：微生物是生物反应过程的催化剂，催化原料转化为有用的产品；微生物如同一个微小的容器，原料中的反应物透过微生物细胞周围的细胞壁和细胞膜进入微生物体内，把反应物转化为产物，接着这些产物又被释放出来。第三页，共七十二页，2022年，8月28日

一、生长现象与繁殖方式

微生物可分为成三大类：Ⅰ、非细胞型微生物学（病毒）；Ⅱ、是原核细胞型微生物，仅有原始细胞核，如细菌、放线菌等；Ⅲ、是真核细胞型微生物，霉菌、酵母菌和单细胞藻类，原生动物。

第四页，共七十二页，2022年，8月28日表5-1微生物的生长现象与繁殖方式类别生长特征繁殖方式细菌个体增重和增大

分裂繁殖放线菌、霉菌菌丝伸长和分支霉菌----无性孢子、有性孢子酵母菌个体增重和增大

出芽生殖放线菌----无性孢子第五页，共七十二页，2022年，8月28日微生物细胞在生长过程中的变化：其形态、组成、活性都处在动态变化过程中，使其经历生长、繁殖、维持、死亡等阶段。并使反应系统中的环境条件也处在动态变化之中。微生物细胞的基本组成：蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸等。

第六页，共七十二页，2022年，8月28日二、生长的测定

微生物生长的测定，通常是测群体的重量或细胞数，而不是测细胞个体的重量或大小。生长测定的常用理化方法，分为测定细胞数和细胞重量两类。第七页，共七十二页，2022年，8月28日1、计数器计数法

浊度计比浊法测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞数量的生长计数器计数法在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出细菌数的生长第八页，共七十二页，2022年，8月28日2、测定细胞重量

细胞干重称量法直接测定单位体积培养物的细胞干重，由此代表菌体细胞物质总量的生长细胞堆积容积测量法用锥形刻度管测量经离心的细胞沉淀物的容积，由此间接表示细胞重量的生长细胞组成分析法测定一种大分子的细胞组成(蛋白质、RNA、DNA等)，间接地算出细胞重量的生长

第九页，共七十二页，2022年，8月28日营养物消耗分析法测定培养基中不用于合成代谢产物的营养物（磷酸盐、硫酸盐等）的消耗，由此间接表示细胞重量的生长产物重量分析法测定培养中途形成的二氧化碳，氢，ATP等产物，由此间接地换算出细胞重量的生长第十页，共七十二页，2022年，8月28日第二节微生物生长动力学

什么是微生物生长动力学？微生物生长动力学是研究微生物生长过程的速率及其影响速率的各种因素，从而获得相关信息。微生物生长动力学可反映细胞适应环境变化的能力。

第十一页，共七十二页，2022年，8月28日一、微生物生长曲线

细胞的生长过程可以用细胞浓度的变化来描述和表达。若取细胞浓度的对数值与细胞生长时间对应作图，可得到分批培养时的细胞浓度变化曲线。第十二页，共七十二页，2022年，8月28日分批培养细胞的五个生长阶段延迟期：细胞浓度无明显变化对数期：细胞浓度随时间呈指数生长减速期：细胞的生长速率开始减缓静止期：细胞浓度不再增加，为最大值衰亡期：细胞开始死亡，细胞生长速率为负值第十三页，共七十二页，2022年，8月28日二、微生物生长动力学1、比生长速率若细胞物质或细胞数目增长一倍的时间间隔是常数，则微生物是以指数速率增长，可用数学模型来描述。（1）

（2）式（1）表明，细胞物质随时间的增加而增加式（2）表明，细胞数目随时间的增加而增加第十四页，共七十二页，2022年，8月28日

若μ为常数，则：

对式（1）积分得：

在大多数情况下，生长是以物质的增加衡量的，因而得到应用。

此式可在△t=td（td为倍增时间）时求得，td即在时所需时间，于是td=ln2/μ=0.693/μ。

为比生长速率，单位是h-1。第十五页，共七十二页，2022年，8月28日

例题：某微生物的＝0.125h-1，求td。第十六页，共七十二页，2022年，8月28日

比生长速率的意义

比生长速率是菌体繁殖速率与培养基中菌体浓度之比，它与微生物的生命活动有联系

在对数生长期，是一个常数，这时

第十七页，共七十二页，2022年，8月28日

2、无抑制的细胞生长动力学

——Monod方程

现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年指出，在培养基中无抑制剂存在的情况下，细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示：第十八页，共七十二页，2022年，8月28日

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，因此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。

第十九页，共七十二页，2022年，8月28日

Monod方程中为比生长速率(h-1)；为最大比生长速率(h-1)，S为限制性基质浓度(g／L)；Ks为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率为最大比生长速率一半时的限制性基质浓度。

第二十页，共七十二页，2022年，8月28日细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系第二十一页，共七十二页，2022年，8月28日

将Monod方程变为

并作图。通过该图，即可以获得两个重要的动力学参数。第二十二页，共七十二页，2022年，8月28日第二十三页，共七十二页，2022年，8月28日Ks和μm值随菌种、限制性基质种类的变化微生物限制生长基质Ksμm（hr）大肠杆菌葡萄糖0.22--大肠杆菌乳糖0.58--啤酒酵母乳糖2.6~3.00.18啤酒酵母葡萄糖0.56--纤维素分解菌葡萄糖0.860.125固氮菌葡萄糖0.16~0.330.13青霉菌氧气0.0070.35第二十四页，共七十二页，2022年，8月28日

Monod方程虽然表述简单，但它不足以完整地说明复杂的生化反应过程，并且已发现它在某些情况与实验结果不符，因此人们又提出了另外一些方程,归纳于下表

第二十五页，共七十二页，2022年，8月28日单基质限制的细胞生长动力学模型第二十六页，共七十二页，2022年，8月28日第三节发酵动力学与发酵

过程控制发酵动力学是研究生物反应过程的速率及其影响因素，是生物反应工程学的理论基础之一。发酵过程动力学包括两个层次的动力学第二十七页，共七十二页，2022年，8月28日1、本征动力学（又称微观动力学）在没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。该速率除反应本身的特性外，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。

第二十八页，共七十二页，2022年，8月28日2、反应器动力学（又称宏观动力学）在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热第二十九页，共七十二页，2022年，8月28日一、发酵动力学发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。研究发酵动力学的目的在于按人们的需要控制发酵过程。

第三十页，共七十二页，2022年，8月28日1、产物合成动力学在连续培养的条件下，由生长、基质利用和产物形成的物料平衡方程，可以看出产物的形成与生长和细胞浓度的关系

第三十一页，共七十二页，2022年，8月28日1.1、细胞的生长细胞量的积累速率=细胞生长速率－细胞的消失速率第三十二页，共七十二页，2022年，8月28日1.2、基质的利用基质的消耗速率=补料中基质的添加速率－生长消耗的基质速率－产物合成用去的基质速率－维持所消耗的基质速率－基质的移去速率第三十三页，共七十二页，2022年，8月28日1.3、产物的形成产物形成的速率=产物合成速率－产物移去速率－产物被破坏速率第三十四页，共七十二页，2022年，8月28日二、代谢产物形成的动力学模型

Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种类型：类型Ⅰ称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模型；类型Ⅱ称为部分相关模型，或称不完全伴随生长的产物形成模型；类型Ⅲ称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成模型。

第三十五页，共七十二页，2022年，8月28日第三十六页，共七十二页，2022年，8月28日类型Ⅰ是指产物的生成与细胞的生长相关的过程(上图a)，此时产物通常是基质的分解代谢产物，代谢产物的生成与细胞的生长是同步的。动力学方程为：第三十七页，共七十二页，2022年，8月28日类型Ⅱ反应产物的生成与细胞生长仅有间接关系（上图b）。在细胞生长期内，基本无产物生成。动力学方程为：或第三十八页，共七十二页，2022年，8月28日第三十九页，共七十二页，2022年，8月28日

与μ之间的关系图第四十页，共七十二页，2022年，8月28日第四节发酵过程的代谢变化规律一、分批发酵1.概念分批发酵是指在一封闭培养系统内具有初始限制量基质的一种发酵方式第四十一页，共七十二页，2022年，8月28日2.分批发酵过程的典型类型

简单反应a、生长型：如产气杆菌（AerobacterCloacae）的生长

b、非生长型：如黑曲霉（Aspegillusniger）转化葡萄糖成为葡萄糖酸

并行反应：如粘红酵母（Rhodotorubaglutirus）

相继反应：如假单孢菌（PseudomonoasOualis）

分段反应：。如大肠杆菌（E.Coli）的二阶段式生长

第四十二页，共七十二页，2022年，8月28日3.分批发酵过程的生产率体积生产率是以每升发酵液每小时产生的产物克数（g/Lh）表示的，是对发酵过程总成果的一种衡量。总生产率:第四十三页，共七十二页，2022年，8月28日第四十四页，共七十二页，2022年，8月28日总生产率第四十五页，共七十二页，2022年，8月28日其中发酵过程总的运转周期为：第四十六页，共七十二页，2022年，8月28日丝状微生物发酵的

产物产率和基质的利用霉菌和其它丝状微生物的发酵产物产率和基质利用的动力学是很复杂的，典型的例子是青霉素发酵第四十七页，共七十二页，2022年，8月28日丝状微生物发酵过程获得高产的

一般规律

(1)在一固定的分批发酵时间内，存在一种得到最佳产率的最适的基质起始浓度。如果基质浓度太高，菌丝体生长过度，消耗大量基质导致“短周期发酵”现象的出现，造成产物生成量减少；如果基质浓度太低，菌丝体生长差，到产物生产期便没有足够的菌丝体制造产物。

第四十八页，共七十二页，2022年，8月28日（2）为了提高产物形成速率，对菌丝分枝程度也须加以优化。如果菌丝体分枝过少，停滞期和发酵周期均延长。目前已知菌丝体的分枝程度与种子的生长状况有关，因此需寻找最适的种子培养条件。

第四十九页，共七十二页，2022年，8月28日（3）为了提高氧的传递速率，对深层发酵过程似乎宜采用剧烈的搅拌，但是对于青霉素等利用丝状微生物的发酵过程来说，中等程度的搅拌对高产有利。对此有几种解释，普遍的认为是剧烈的搅拌所施加的剪切力会影响霉菌的形态，促进菌丝过多分枝，而使产量下降。第五十页，共七十二页，2022年，8月28日二、连续发酵把新鲜的培养基连续地供给均匀混合的发酵系统，同时又以相同的速度把含有细胞和产物的发酵液从发酵系统中抽出便可使发酵过程连续化

第五十一页，共七十二页，2022年，8月28日在连续培养系统中，微生物细胞的浓度、比生长速率和环境条件（如营养物质浓度和产物浓度），均处于不随时间而变化的稳定状态之下

第五十二页，共七十二页，2022年，8月28日连续培养的原理1、基于细胞量的物料平衡细胞的进入速率－细胞的流出速率＋细胞的生长速率－细胞的死亡速率＝细胞的积累速率第五十三页，共七十二页，2022年，8月28日简化后：在连续培养系统达到稳定状态时，上式可变为：第五十四页，共七十二页，2022年，8月28日在连续培养技术中被称为稀释速率，用符号“D”表示

（等于培养液在罐中平均停留时间的倒数）在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。第五十五页，共七十二页，2022年，8月28日2、基于限制性营养成分的物料平衡养分进入系统的速率－养分流出系统的速率－用于生长的养分消耗的速率－用于维持的养分消耗的速率－用于产物形成的养分消耗的速率＝养分在系统中积累的速率第五十六页，共七十二页，2022年，8月28日在稳定状态下

，则以代入上式，得第五十七页，共七十二页，2022年，8月28日上式须符合以下假定细胞的得率系数假定与生长速率或稀释速率无关

假定细胞浓度的绝对值与除限制性营养成分以外的所有营养成分无关

限制性营养成分的细胞得率系数只受限制性养分的影响，但是其它环境因素如pH、温度和溶解氧必须维持恒定产率第五十八页，共七十二页，2022年，8月28日达到最大的细胞产率的稀释率，并不等于达到最大的细胞得率时的稀释率。因此，过程的最佳化往往必须采取折衷的方法，要同时考虑到产率、转化率和流出液的残留基质浓度。第五十九页，共七十二页，2022年，8月28日分批培养过程与连续培养过程产率的比较第六十页，共七十二页，2022年，8月28日分批和连续培养产率的比较分批培养中最大比生长速率（h）

分批培养中最大比生长速率（h）0.050.090.804.60.100.211.06.80.200.531.29.50.401.5第六十一页，共七十二页，2022年，8月28日恒化器的实际运行情况与理论

状态的对比

碳源限制性恒化器

受N或硫酸盐限制的恒化器

受K、Mg或磷酸盐限制的恒化器非恒化连续培养

第六十二页，共七十二页，2022年，8月28日连续培养过程中的主要问题

杂菌污染问题生产菌株突变问题第六十三页，共七十二页，2022年，8月28日1、杂菌污染问题杂菌污染问题是连续培养中难以解决的问题。要了解污染的杂菌在什么样的条件下会在系统中发展成为主要的微生物群体。在连续发酵过程中，需要长时间连续不断地向发酵系统供给无菌的新鲜空气和培养基，这就不可避免地发生杂菌污染问题。第六十四页，共七十二页，2022年，8月28日假设连续培养系统被外来的生物Y、Z和W污染，这些污染菌的积累速率可用以下物料平衡式表示：污染菌积累的速率＝污染菌进入的速率－污染菌流出的速率＋污