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1、1,第五章 微生物反应动力学,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而变化的规律。,微生物反应是非常复杂的反应过程。,2,第一节 微生物反应过程概论,一、微生物反应过程的主要特征微生物是该反应过程的主体。微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系。,3,微生物反应是非常复杂的反应过程,（1）反应体系中有细胞的生长、基质的消耗和产物的生成，有各自的最佳反应条件。,（2）反应有多种代谢途径。,（3）反应过程中，细胞形态、组成随菌龄不同而不同。,4,二、微生物反应动力学的描述方法,细胞生长动力学,反应基质消耗动力学,代谢产物生成动力学,5,1生长产物合成偶联型,一、根据细胞生长与产物形成有否
2、偶联进行分类,第二节 发酵动力学分类,2生长产物合成半偶联类型,3生产与产物合成非偶联类型,6,单细胞的微生物可进一步简化为,N培养基中的细胞密度。,一、分批培养中细胞的生长动力学,第三节 微生物生长动力学,第一部分 分批培养动力学,7,Monod方程,S crit 临界底物浓度，比生长速率达到最大比生长速率 max时的最低底物浓度。对于任一营养物质 S S crit，为非限制性底物 S S crit，为限制性底物,KS一底物相关常数，为等于1/2m时限制性营养物质的浓度。,8,双基质限制生长动力学,两种基质浓度较低时，共同限制微生物生长：,多种限制性底物：,9,细胞生长稳定期和延迟期的Mon
3、od型动力学,(1) 延迟期动力学模型的建立,(2) 生长稳定期动力学模型的建立,式中和是经验常数，取=max和=xmax,10,基质比消耗率QS=-dS/Xdt产物比生产率QP=dP/Xdt,二、基质消耗动力学,基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成分，其消耗分为三个方面：细胞生长，合成新细胞；细胞维持生命所消耗能量的需求；合成代谢产物。,11,三、分批培养产物合成的动力学,(一)生产连动型产物形成(I型发酵),生长速率基质消耗qk产物形成qp,12,(二)部分生长连动型产物形成(II型发酵),13,(三)非生长连动型产物形成(型发酵),14,第二部分 连续培养动力学,连续培养： 以一定的速
4、率向发酵液中添加新鲜培养基的同时，以相同的速率流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定不变，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。,15,一、连续培养概述,按种类（设备）分： 全混流反应器 活塞流反应器,全混流反应器分为： 恒化器 恒浊器,16,二、连续培养反应动力学,对于正确设计一种连续发酵方案，重要的是选择适宜的稀释度D，为此必须了解产率Yx/s，生长比速率，最大比生长速率m、饱和常数Ks、产物形成速率以及营养消耗速率等。最合适的D值不仅和产量曲线(DX)有关，而且还应考虑原料的类型、价格、产品的经济价值等方面。,17,1、单级恒化器的发酵动力学,X：反应器内菌体浓度（g/L）P：产物浓
5、度（g/L）V：反应器内发酵液体积（L）So: 流加发酵液中基质的浓度(g/L)S: 反应器内基质的浓度(g/L)F: 补料速度(L/h),F,F,XSP,XSP,X0S0,18,对菌体,积累的细胞=(进入-流出)的细胞+(生长-死亡)的细胞,F,F,XSP,XSP,X0S0,19,对限制性底物,积累的底物=（进入-流出）的底物-（生长+形成产物+维持代谢）消耗的底物,F,F,XSP,XSP,X0S0,20,对产物形成,积累的产物=（生成-流出）的产物,21,连续培养时细胞浓度、限制性基质浓度、 细胞生产率与稀释率的关系,22,5、连续培养动力学的应用,确定最佳培养条件富集，选育特殊性状菌种建立选择性的培养环境生长速率不同的菌种在连续培养中的“去”“留”。,23,1、 什么是微生物反应动力学？,第五章 要 点,2、 画图说明发酵过程动力学的三个类型及其特征。,3、说明分批培养过程中发酵液中细胞浓度、基质浓度和产物浓度的变化情况。,4、连续培养的优点和缺点是什么？单级连续培养时培养达到稳定状态时的主要特点是什么？,