莫诺方程与米氏方程.ppt
- 文档编号:148800
- 上传时间:2022-10-04
- 格式:PPT
- 页数:97
- 大小:1,015.50KB
莫诺方程与米氏方程.ppt
《莫诺方程与米氏方程.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《莫诺方程与米氏方程.ppt(97页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第五章发酵动力学研究对象:
菌体生长、基质消耗、产物生成三者间的动态平衡及内在规律。
研究目的:
为最佳发酵条件控制提供依据。
第一节微生物生长代谢过程中的质量平衡一、微生物反应(生长代谢)过程中的碳平衡微生物反应通式:
碳源氮源O2菌体产物CO2+H2O微生物代谢的化学分子反应可表示为:
CHmOn+aNH3+bO2YcCHxOyNz+YcpCHuOvNw+(1-Yc-Ycp)CO2+dH2O10-1式Yc:
是与碳相关的菌体得率,Ycp:
是与碳相关的代调产物的得率。
根据反应平衡原理有:
aYcz+Ycpwb(1-Yc-Ycp+m/4-n/2)+(Ycp/4)(2v+3w-u)+(Yc/4)(2y+3z-x)dm/2+(Ycp/2)(3w-u)+(Yc/2)(3z-x),10-2式,1、最低培养基与完全培养基
(1)二者的概念;
(2)微生物对两种培养基的用途不同。
如图10-1,10-2所示,2、M代谢过程中基质和产物之间的C素平衡根据基质的变化情况可建立如下平衡关系:
CS=CX+CP+CCO2,如果用1、2、3、4表示基质、菌体、CO2、产物中碳的含量(g碳/mol)则,上述平衡也可表示为:
(微生物的基质消耗比速),(微生物的生长比速),(微生物的CO2生成比速),(微生物的产物生成比速),若定义:
则,上式可简化为:
由式可以判断代谢途径:
此值接近1,说明估计途径基本正确;小于0.6,则途径有误差。
3、微生物生长过程中的主要基质碳平衡在以糖为碳源的M生长过程中,消耗的碳(S)主要用来:
(1)满足菌体生长(个体增加)的需要,(S)G;
(2)维持菌体生存(能量)的消耗,(S)m;(3)转变为代谢产物所消耗,(S)P;则可表示为:
若用YG表示用于微生物生长的碳源对菌体的得率常数;m表示微生物的碳源维持常数;YP表示碳源对代谢产物的得率常数;则有,所以:
-式(10-7),在以细胞为目的产物的发酵生产中,如果忽略代谢产物的量,则有:
用对作图,得直线,可求得维持常数m,用于微生物生长的碳源对菌体的得率常数YG的倒数。
如下图所示:
m,(h-1),YG1,图10-3对作图结果,若定义YX/S为基质对菌体的得率,即:
则:
而:
即有:
用-1对作图,也得直线,如图10-4。
YG1,斜率m,-1,图10-4-1对YX/S-1作图结果,4、细胞物质生产过程中碳源的化学平衡YX/S越接近YG,说明碳源转化为菌体的效率越高。
注意理解YX/S与YG的区别,(YX/SYG),5、微生物生长过程中进行碳衡算的意义
(1)为提高生产水平提供依据。
(2)为建立发酵动力学模型奠定基础。
(3)为探求X的自控方法打下基础。
二、M生长代谢过程中的ATP循环与氧平衡1、ATP循环,2、ATP的产生生物氧化复习:
底物水平磷酸化(获得能量少)电子传递水平磷酸化(获得能量多),生物氧化,有氧氧化,无氧氧化,无传递体系,电子传递体系,氧化酶,需氧脱氢酶,NAD传递,FAD传递,以有机物为受体,以无机物为受体,底物水平磷酸化,H2O,Pi,底物水平磷酸化,NADH呼吸链,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素b-c-c1-aa3,2H+,ADPATP,ADPATP,3、微生物生长代谢过程中的氧平衡根据单一碳源培养基内,可建立下列平衡:
A(-S)=B(X)+C(P)+(O2)式中:
A、B、C分别为对应物质完全氧化时的需氧量.,O2,单位时间内维持生命活动的耗氧:
m0Xt,生长菌体的耗氧:
X/YGOYGO用于菌体生长的氧对菌体的得率,则有:
O2m0XtX/YGO-(10-10),由此可得到M培养时氧平衡式为:
即:
根据定义并结合10-10式,有:
-式(10-11),-式(10-12),当:
由实验求得微生物的某一生长比速对其所对应的耗氧比速作图时,可得到一直线(如下图所示),可确定相应的参数。
m0,(h-1),YGO1,图10-3对QO2作图结果,-式(10-7),-式(10-13),由10-11、10-12式可得:
同时,前面可知,由(10-13)和(10-7)式可得,有:
4、ATP对菌体的得率YATP及ATP平衡两种情况
(1)能量偶联型生长型YATP=10(g菌体/molATP)
(2)能量非偶联型生长YATP10(g菌体/molATP)(?
),第二节微生物生长代谢过程数学模型的建立一、连续培养时微生物生长数学模型酶反应服从米氏方程:
葡萄糖的比消耗速率与限制性底物浓度的关系也类似于米氏方程,即:
式中:
max葡萄糖最大的消耗比速;KS饱和常数;,式
(1),研究发现:
微生物连培养过程限制性基质浓度的倒数1/S与微生物生长比速的倒数1/的关系,如图10-9;限制性浓度与微生物生长比速的关系呈现饱和曲线,如图所示10-10;,由基质消耗对细胞得率YX/S定义:
有:
根据的定义有:
该式就是Monod方程,式中:
max:
最大比生长速率(h-1)。
KS:
为饱和常数,表示菌体对基质的亲和力的大小。
Monod式的生物学意义:
1、max、KS:
(1)特定M,特定条件,max、KS是定值,体现M的特性;
(2)不同M,max、KS不同,但:
max变化小,而KS变化大。
(3)同种M,在不同S中,max、KS值不同。
KS,亲和力,M对基质越不敏感;反之亲和力大,敏感。
2、S浓度变化对的影响
(1)S很小(SKS)时,SKSKS,,
(2)当S增大,与S渐不成正比;当(SKS)时,KSSS,=max。
,与S成正比。
(3)双倒数后,实验并作图可求得KS、max。
微生物生长这一酶反应,同样存在抑制作用。
竞争性抑制:
非竞争性抑制:
图1011,图1013所示。
二、分批培养时微生物生长数学模型分批培养特点:
一次接种,培养一定时间,一次放罐。
设:
种子罐开始细胞浓度为X0,在1小时内有部分细胞分裂(一分为二),假定分裂率为。
则:
每小时能分裂的细胞数为:
X0未分裂的细胞数为:
(X0-X0)所以,经过1小时后细胞浓度X1:
X1=X0-X0+2X0=X0(1+),经过2小时后细胞浓度X2:
X2(X1X1)2X1=X1(1+)X0(1+)(1+)=X0(1+)2类推:
经过t小时后,细胞浓度Xt:
Xt=X0(1+)t应用极限方式,有:
亦即:
X1=X0(1+)Xt=X0(1+)t=X0(1+)t,由假设,0,因此,种子罐内对数生长期菌体浓度与培养时间的关系式:
若微分上式,有:
即:
在微生物培养过程中,菌体在某时刻的增长速率和此时刻培养液中菌体浓度成正比。
(单位菌体在单位时间内的增加量)(即为菌体的比生长速率),实际生长比速kX,或,要得到培养时间与菌体浓度关系的表达式,则需要解微分方程:
复合函数求导:
则式
(1)可写作:
化简得:
一阶线性非齐次方程,其解为:
确定初始条件:
t=0时,X=X0,则得:
第三节微生物发酵动力学一般说来,M生长培养和发酵方式有,分批发酵,连续发酵,补料发酵,一、分批培养(batchculture)非恒态培养法,密闭系统,一次性,过程中营养成分不断降低。
(一)微生物生长曲线,分批培养微生物群体的生长,1.延缓期2.对数期3.稳定期4.衰亡期,1,2,3,4,
(二)四个时期1.延滞期(lagphase)其它名称:
停滞期、调整期、适应期现象:
活菌数没增加,曲线平行于横轴。
特点:
生长速率常数=0;细胞形态变大(长);细胞内RNA特别是rRNA含量增高;合成代谢活跃,易产生诱导酶;对外界不良条件敏感。
原因:
适应新的环境条件,合成新的酶,积累必要的中间产物。
影响延迟期长短的因素:
菌种接种物菌龄(对数生长期)接种量(大,易形成优势)培养基成分(合成与天然培养基),2.对数期(logarithmicphase)其他名称:
指数期现象:
细胞数目以几何级数增加,其对数与时间呈直线关系。
特点:
生长速率常数最大;平衡生长;代谢最旺盛;对理化因素较敏感;影响因素:
菌种;营养成分与浓度;培养温度;,3.稳定期(stationaryphase)又称:
恒定期或最高生长期特点:
细胞增殖与死亡数几乎相等,细胞数达最高值;开始积累内含物或产芽孢;开始合成次生代谢产物;影响因素:
限制性营养物的量;营养物的比例;有害代谢废物的积累;物化条件;,4.衰亡期(Deathordeclinephase)特点:
出现“负生长”;细胞出现多形态变化;菌体死亡、自溶;影响因素:
环境条件变化;分解代谢超过合成代谢;,(三)微生物生长速度的动力学方程比生长速率受限制性基质浓度的影响。
二者之间的关系由Monod式描述:
当存在多种限制性营养基质时,方程可改为:
如果所有营养物过量,细胞生长可处于对数生长期,可达到=max。
(四)营养利用和产物生成动力学1.反应速度方程式的推导,根据体系物料平衡原理有:
(1)菌体增长:
(2)限制性基质,这里:
(基质的菌体得率),(基质的产物得率),式中:
F,F:
基质流量(L/h);X:
细胞浓度(g菌体/L);V:
发酵液体积(L);S0:
流入基质浓度(g基质/L)S:
流出基质浓度(g基质/L)YX/S:
基质的菌体得率(g菌体/g基质)YP/S:
基质的产物得率(g产物/g基质)QP:
比产物生成速率(g产物/g菌体.h)X:
菌体浓度(g菌体/L)m:
碳源维持常数(g基质/g菌体.h)P:
发酵液中产物浓度(g产物/L);k:
产物分解常数(h-1);,(3)产物生成,产物浓度变化生成量流出量分解量,用于分批发酵,F,F0,考虑产物不分解,则分批发酵动力学为:
菌体浓度变化:
产物浓度变化:
基质浓度变化:
二、补料分批培养,1、单一补料分批培养(P162)是补料分批培养中的一种类型。
特点:
补料一直到培养液达到额定值,中途不取出培养液。
间歇补料操作,连续补料操作,按操作方式,假定:
S0、X0分别为起始营养物和菌体的浓度,S为某时刻底物浓度则:
某一时刻培养液中细胞浓度X为,最大细胞浓度Xmax为:
此时,若以恒定F流加培养基,并保证Dmax,则:
加入的限制性营养物会很快被消耗。
这表明,补料所引起的培养体系的基质浓度变化dS/dt=0,即:
X增加,但X却不变,即:
若定义:
并将其微分,可得:
由B和C式可推出D由A、B、C式推出:
补料分批培养数属半稳恒状态,与恒定状态D不同。
即,在半稳恒状态下有:
明确半稳定状态补料分批培养:
(1)须满足D
(2)D是变化量。
2、补料分批培养的应用优点:
解除底物抑制、反馈调节作用;较少菌体生成,提高底物转化率;方便调节pH和菌体所处时期的控制;应用:
多种产品,三、连续培养连续培养:
等量、同时地加入和排出培养基。
原理:
对数期后期,以一定的速度流进新鲜培养基,同时以溢流方式流出培养液,使培养物达到动态平衡。
单罐连续发酵多罐连续发酵,
(一)连续培养设备类型,均匀混合反应器,恒化器,恒浊器,连续培养设备,活塞流反应器,恒浊器与恒化器的比较,连续发酵优点(相对于分批发酵而言):
高效,简化;自控;产品质量稳定;节约,均衡;连续发酵不足:
菌种易退化;易污染;营养物利用率低;,
(二)单罐连续发酵动力学假定:
培养(发酵)是在理想状态下进行。
(1)物料进罐就混合均匀;
(2)罐内无菌体死亡;,1、细胞:
对于连续发酵系统,细胞平衡为:
在流加新鲜培养基和忽略细胞死亡的情况下,则有:
要使连续系统稳定运行,必有:
这里:
是一个表示M性质的参数;D是一个物性参数;单罐连续培养:
有利于研究细胞在一定比生长速率下的特性。
2、限制性基质,稳定状态时,系统内:
在这种情况下,细胞浓度为:
定义:
细胞产率DX则:
3、产物,稳恒状态时:
则有:
假定流加物料中限制性营养基质浓度为S0,则,临界稀释速率Dc此时可能达到的比生长速率,即:
当DDc时,冲出现象;当DDc时,反应器中限制性基质的稳态浓度S:
(由Monod式可知),D与X、S、DX的关系如P166图10-21所示:
X,DX,S,D,式中:
F:
流入流出基质流量(L
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 方程