生化工程第五章微生物培养及发酵动力学课件.ppt

1、 第五章第五章 微生物培养及发酵动力学微生物培养及发酵动力学内容内容1 基本概念2 微生物反应的物料衡算3 微生物反应的能量衡算4 微生物反应动力学微生物生长的基质微生物生长的基质微生物反应的特点微生物反应的特点二二 微生物反应过程的质量衡算微生物反应过程的质量衡算例题：(选自贾士儒4869页)1.葡萄糖为基质进行面包酵母（）培养，培养的反应式可用下式表达，求计量关系中的系数a、b、c、d。反应式为：C6H12O63O2aNH3 bC6H10 NO3(面包酵母)cH2OdCO2 解：据平衡方程式,可得：C:6=6b+dH:12+3a=10b+2cO:6+6=3b+c+2dN:a=b方程联立求解

2、为：a=b0.48 c=4.32 d=3.12上述反应计量关系式为:C6H12O63O20.48NH3 0.48C6H10NO34.32H2O 3.12CO2 练习1葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行酿酒酵母发酵。呼吸商1.04。消耗100mol葡萄糖和48mol NH3生产了48 mol菌体、312 mol CO2和432molH2O。求氧的消耗量和酵母菌体的化学组成。（呼吸商RQCO2 生成速率/O2消耗速率）部分菌体得率与产物得率得率 定义单位YX/S消耗1g或1mol基质获得的干菌体克数，g/g,g/molYATP消耗1molATP获得的干菌体克数，g/molYKJ消耗1KJ热量获得的干菌

3、体克数，g/KJYX/O消耗1gO2获得的干菌体克数，g/gYX/H 1mol氢受体产生的干菌体克数，g/molYX/N 消耗1g氮产生的干菌体克数，g/molYX/NO3-消耗1mol NO3获得的干菌体克数，g/molYCO2/S消耗1mol基质产生的CO2的摩尔数，mol/molYCO2/O消耗1mol O2产生的CO2的摩尔数，mol/molYATP/S消耗1mol基质获得的ATP的摩尔数，mol/molYave-消耗1个有效电子获得的干菌体克数，g/ave细胞得率（生长得率）:YX/S生产细胞的质量g/消耗基质的质量g X/（-S）碳元素的细胞得率:YC 细胞生产量细胞含碳量/基质消

4、耗量 基质含碳量 YX/S(Xc/Sc)1葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行某细菌的好氧培养。消耗的葡萄糖有2/3的碳源转化为细胞中的碳。反应式为：C6H12O6aO2bNH3 c(C4.4OH7.3N0.86O1.2)dH2O eCO2计算上述反应中的得率系数YX/S 和YX/O解：据平衡方程式,可得：C:6=4.4ce H:12+3b=7.3c+2d O:6+2a=2.2c+d+2e N:b=0.86c 由于1mol葡萄糖中含碳72g,转化为细胞内的碳为722/3=48(g)故：（4.412）c=48 得：c=0.91 转化为CO2的碳为724824（g）故：12e=24 e=2解平衡方程中其

5、他未知数，得：b=0.78;d=3.85;a=1.47故平衡方程为：C6H12O61.47O20.78NH3 0.91(C4.4OH7.3N0.86O1.2)3.85H2O2CO2YX/S0.91（124.4167.3140.86161.2）/1800.46(g/g)(以细胞/葡萄糖计)YX/O83.1/（1.4732）1.77(g/g)(以细胞/氧计)第三节 微生物反应过程的能量衡算 微生物反应是放热过程。微生物利用碳源，通过呼吸（有氧）或发酵（无氧）将能量转化为ATP，供微生物生长、代谢，其余能量作为热量排出，进行微生物优化培养时，必须进行适宜的温度控制。n从反应热的角度考虑反应过程中的能

6、量代谢，进行能量衡算。一 菌体得率1YKJ ：微生物对能量的利用(消耗1KJ热量获得的干菌体克数，g/KJ)YKJ 故总表达式可写为：YKJ (-Ha)(X)+(-Hs)(-S)-(-Hp)(P)(-Ha)Yx/s+(-Hs)-(-Hp)Yp/s 干酪乳杆菌在蛋白胨、牛肉膏为主要成分的复合培养基中，分别以葡萄糖、甘露醇为能源进行培养，计算YKJ能源Yp/s（mol/mol）(以产物/基质计)Yx/s（g/mol）(以细胞/基质计)乳酸乙酸乙醇甲醇葡萄糖0.051.050.941.7662.0甘露醇0.40.221.291.640.5解：以葡萄糖为能源时，YKJ (-Ha)Yx/s+(-Hs)-

7、(-Hp)Yp/s 其中:(-Hp)Yp/s13630.05 8701.05 13680.94 2641.76 2732（kJ/mol）YKJ 22.1562.0+2816-2732 0.043（g/kJ）以甘露醇为能源时,(-Hp)Yp/s13630.4 8700.22 13681.29 2641.6 2925（kJ/mol）YKJ 22.1540.5+3038-2925 0.041（g/kJ）2解：Yx/s酵母细胞分子质量/1.11葡萄糖分子质量3.92126.51.9416/1.1118084.58/199.80.42（kg/kg）生成1kg酵母细胞需要葡萄糖1/0.42=2.38(kg

8、)Hh HsS-HxX 1.591042.381.501041 2.25104（kJ）2.分别采用含有蛋白胨和牛肉膏的复合培养基、含有多种氨基酸合成培养基和基本培养基进行单胞菌的厌氧培养。碳源为葡萄糖，获得如下结果(下表)。已知菌体的含碳量（以碳源/细胞计）为0.45g/g,求采用不同培养基时的YkJ.化工手册可知H葡萄糖2816kJ/mol,H乙醇1368kJ/mol,H乳酸1363kJ/mol,Ha培养基Yx/s(g/mol)(以细胞/葡萄糖计)Yp/s(mol/mol)(以乙醇/葡萄糖计)Yp/s(mol/mol)(以乳酸/葡萄糖计)菌体中由葡萄糖所来碳元素的量基本4.11.50.21.

9、0合成5.01.50.20.62复合8.01.60.20.48一 发酵动力学研究内容：研究细胞生长速度与产物生成速 度的关系及环境条件对速度的影响。二 发酵过程的反应描述：XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）发酵反应动力学的研究内容研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应器特性反应器特性+反应器的操作模型操作条件与反应结果的关系，定量地在线控制反应过程调调整整期期对对数数期期稳稳定定期期衰衰亡亡期期时间时间细菌数目的对数细菌数目的对数某种细菌的生长曲线二二 微生物生长曲线微生物生长曲线第一节第一节 微生物生长动力学的基本概念微生物生长动力学的

10、基本概念一、微生物在一个密闭系统中的生长情况：一、微生物在一个密闭系统中的生长情况：时间菌体浓度菌体浓度延迟期延迟期指数生长期指数生长期减速期减速期静止期静止期衰亡期衰亡期延迟期延迟期：dxdt0 0指数生长期指数生长期:mma ax x倍增时间倍增时间：td静止期：静止期：;dxdt0 0maxmaxXXXX衰亡期:dxdt0 0一 指数生长方程 dX/dt=（注：1）一般情况下，在微生物生长的各阶段，细胞增值规律均符合指数生长定律，但值随时间变化；2）在指数生长期，值达最大m，且保持稳定；其他生长期，值随时间变化。3）表示微生物生长快慢的另一方法：倍增时间td：菌体细胞质量增加一倍所需的时

11、间n td=0.693/例：以乙醇为碳源进行产气杆菌培养，菌体初始浓度X0=0.1kg/m3,培养至3.2h,菌体浓度为8.44kg/m3二 Monod方程n随温度、pH、基质浓度、产物浓度、溶氧等条件而变化.f(s,p,T,pH,)在一定条件下在一定条件下(基质限制基质限制)f(S)：菌体的生长比速：菌体的生长比速 S S：限制性基质浓度：限制性基质浓度 KsKs：饱和常数：饱和常数()maxmax:最大最大生长比速生长比速00.20.40.60.811.202 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0SVVmVm/2KmmaxsSKS：菌体的生长比速：菌体的生长比速S S：限制性

12、基质浓度：限制性基质浓度KsKs：饱和常数：饱和常数()maxmax:最大最大生长比速生长比速Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：111smmSKsmmSKS或：这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出生长速度，就可以通过回归分析计算出MonodMonod方程的两个方程的两个参数。参数。maxsKSS例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)6 33 64 153 221(h-1)0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的求在该培养条

13、件下，求大肠杆菌的maxmax，KsKs和和t td d?解解：将数据整理：将数据整理：S/100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221smmSKSmax，1.11(h-1);Ks97.6 mg/L01002000100200300400/ssm10.9m108.4sktdln2/max0.64 hsmmSKS第三节 产物形成动力学一、初级代谢产物和次级代谢产物次级代谢产物：还有一类产物，对细胞的代谢功能没有明显还有一类产物，对细胞的代谢功能没有明显 的影响，一般是在稳定期形成，如抗生素等的影响，一般是在稳定期形成，如抗生素等 这一类化合物称为次级

14、代谢产物。这一类化合物称为次级代谢产物。初级代谢产物：微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级 代谢产物。代谢产物。二、发酵动力学类型（产物形成和菌体生长关系）：一类发酵偶联型 产物的形成和菌体的生长相偶联xpt二类发酵混合型 产物的形成和菌体的生长部分偶联xpt三类发酵非偶联型 产物的形成和菌体的生长非偶联xpt浓度三 四.生产得率系数和产物得率系数1.生产得率系数：nYx/s表示每消耗1mol的基质所形成的菌体质量（g）Yx/s X/SX-X0/S0-SnYx/o2 表示每消

15、耗1mol的O2所形成的菌体质量（g）Yx/s X/O2nYx/ATP 表示每消耗1mol的ATP所形成的菌体质量（g）Yx/s X/ATP 2.产物得率系数：五.分批培养的生产率 一 单罐连续发酵的前提和假设：F(L/h)X(g/I)S(g/I)F(L/h)So(g/I)V=液体体积(L)X s单罐连续培养流入速度=流出速度=F反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等连续反应器：二 单罐连续发酵的动力学通过连续培养的物料衡算来推导其动力学方程：n连续培养中，稀释率（dilution rate）D=F/V,故：D D(1/h)：2)限制性底物的物料平衡：其中：S0，S流入和流出的营养底物的浓度（g

16、/L）；F培养液体积流量（L/h）；V反应器容积(L)；m维持系数（g基质/g细胞.h）；比生长速率（h1）；Yx/s以消耗基质为基准的细胞得率 （g细胞/g基质）；Yp/s以消耗基质为基准的产物生成率 （g产物/g基质）3）细胞浓度与稀释率的关系注：n连续培养的稳定状态下，Yx/s、S0、Ks及m均定值，故菌种浓度X、底物浓度取决于稀释率D。n连续培养的稳定状态下，X、S0、D为主要变量，其他属于因变量。但当D发生改变，均会造成X、S、的变化。菌种浓度菌种浓度X、基质浓度、基质浓度S、细胞产率、细胞产率P及稀释率及稀释率D的的关系关系菌种浓度X与稀释率D的关系：菌种浓度X、基质浓度S、细胞产率P及稀释率D的关系三 连续发酵与分批发酵生产率的比较 1四n连续发酵的应用范围：n主要用于生产微生物细胞、一级代谢产物等：面包酵母、单细胞蛋白（SCP）、啤酒、酒精、葡糖异构酶及工业污水处理发酵罐浓缩细胞CX1aFaF(1+a)FX1F1X2最终流出液连续离心培养基流入细胞再循环的单级恒流速连续发酵五 细胞再循环的单级恒流速连续发酵动力学2)限制性底物的物料平衡：据Monod方程:m*S/(Ks+S)又：D（1+C）则：SDKs（1+C）/m-D（1+C）(2)(1)(2)合并,得：X 1Yx/s/（1+C）S0DKs（1+C）/(m-D（1+C）)（3）