生物工艺学第五章生物反应动力学.ppt

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国家十一五规划教材国家十一五规划教材生物工艺学生物工艺学（邱树毅主编）配套课件（邱树毅主编）配套课件共38页第2页目录目录目录第一章绪论第一章绪论第二章工业微生物菌种选育、制备与保藏第二章工业微生物菌种选育、制备与保藏第三章工业培养基及其设计第三章工业培养基及其设计第四章生物工艺过程中的无菌技术第四章生物工艺过程中的无菌技术第五章第五章生物反应动力学生物反应动力学第六章第六章发酵过程原理发酵过程原理第七章第七章生物反应器及生物工艺过程的放大生物反应器及生物工艺过程的放大第八章第八章生物反应过程参数检测与控制生物反应过程参数检测与控制第九章第九章生物产品分离及纯化技术生物产品分离及纯化技术第十章第十章生物产品工艺学及应用生物产品工艺学及应用共38页第3页目录第五章第五章生物反应动力学生物反应动力学5.15.1生物反应动力学概述生物反应动力学概述5.1.15.1.1菌体生长速率菌体生长速率5.1.25.1.2基质消耗速率基质消耗速率5.1.35.1.3代谢产物的生产速率代谢产物的生产速率5.25.2生物反应过程的质量和能量平衡生物反应过程的质量和能量平衡5.2.15.2.1质量平衡质量平衡5.2.25.2.2能量平衡能量平衡5.35.3微生物发酵动力学微生物发酵动力学5.3.15.3.1分批发酵分批发酵5.3.25.3.2连续发酵连续发酵5.3.35.3.3分批补料发酵分批补料发酵共38页第4页目录5.15.1生物生物反应动力学概述反应动力学概述生物反应动力学研究的核心之一是反应速率，可用生物反应动力学研究的核心之一是反应速率，可用绝对速率绝对速率和和比速比速率率两种定义来描述。

两种定义来描述。

绝对速率绝对速率（简称速率简称速率），对于液态发酵过程，定义为单位时间、单位对于液态发酵过程，定义为单位时间、单位反应体积某一组分的变化量，单位为反应体积某一组分的变化量，单位为g/（Lg/（Lhh），当为反应热的生成速率，当为反应热的生成速率时，单位为时，单位为kJ/（kJ/（LLhh）。

用下面表达式来表示。

用下面表达式来表示：

比速率比速率是是以菌体浓度为基准以菌体浓度为基准来表述各组分的变化速率，单位为来表述各组分的变化速率，单位为hh-1-1，当为反应热的比速率时，单位为当为反应热的比速率时，单位为kJ/（kJ/（gghh）。

比速率的大小反应了具有。

比速率的大小反应了具有催化活性的细胞活力大小，其中的菌体浓度为单位体积或单位面积的培养催化活性的细胞活力大小，其中的菌体浓度为单位体积或单位面积的培养基中的菌体量。

基中的菌体量。

除受细胞自身的遗传信息支配外，还受环境因素的影响。

除受细胞自身的遗传信息支配外，还受环境因素的影响。

共38页第5页目录5.1.15.1.1菌体生长速率菌体生长速率菌体的生长速率菌体的生长速率是指是指微生物微生物群体群体的生长速率（群体生物量的生长速的生长速率（群体生物量的生长速率），率），是单位时间内，单位体积或单位表面积的培养基中菌体量（是单位时间内，单位体积或单位表面积的培养基中菌体量（菌体干菌体干重重）的增加。

）的增加。

菌体的生长是靠消耗营养物质获得菌体生物量增长的物质基础及能量。

菌体的生长是靠消耗营养物质获得菌体生物量增长的物质基础及能量。

可以用可以用菌体得率菌体得率或或生长得率生长得率来描述被消耗基质与合成菌体量之间的关系，来描述被消耗基质与合成菌体量之间的关系，即消耗单位底物所生成的菌体干重，单位为即消耗单位底物所生成的菌体干重，单位为gg菌体菌体/g/g底物底物。

公式公式：

式中：

式中：

菌体干重，。

菌体干重，。

基质消耗量，。

基质消耗量，。

rrxx菌体生成速率，菌体生成速率，g/（Lg/（Lhh）；rrss基质消耗速率，基质消耗速率，g/（Lg/（Lhh）；共38页第6页目录好氧微生物的生长及代谢都需要氧气，在发酵过程中溶解氧浓度过高好氧微生物的生长及代谢都需要氧气，在发酵过程中溶解氧浓度过高或过低都会影响微生物的生长及产物合成。

或过低都会影响微生物的生长及产物合成。

在好氧发酵过程中，氧的消耗在好氧发酵过程中，氧的消耗与基质的消耗同等重要。

与基质的消耗同等重要。

氧的消耗速率与比消耗速率氧的消耗速率与比消耗速率可表示为：

可表示为：

（11）如果基质的消耗仅用于细胞的生长，）如果基质的消耗仅用于细胞的生长，基质的消耗速率可通过菌体基质的消耗速率可通过菌体的生长得率与细胞的生长速率之间进行关联。

则培养基中的的生长得率与细胞的生长速率之间进行关联。

则培养基中的基质基质ss的消耗速的消耗速率率rr及比消耗速率及比消耗速率qq可表示为：

可表示为：

式中：

式中：

rr基质的消耗速率，基质的消耗速率，g/（Lg/（Lhh）；qq基质的比消耗速率，基质的比消耗速率，hh-1-1。

rs=5.1.25.1.2基质消耗速率基质消耗速率（22）在在基基质质中中的的某某些些成成分分如如碳碳源源，除除了了构构成成菌菌体体生生长长的的组组成成成成分分外外，还还提提供供菌菌体体生生长长代代谢谢的的能能量量需需要要。

所所以以在在基基质质的的消消耗耗中中若若考考虑虑提提供供能能量量，维维持代谢的部分，持代谢的部分，则则基质消耗速率及比消耗速率基质消耗速率及比消耗速率表示为：

表示为：

式式中中：

YYx/sx/s是是理理论论得得率率，为为细细胞胞得得率率的的最最大大值值，是是一一个个常常数数，g/gg/g。

细细胞胞的的维维持持系系数数，ss-1-1。

细细胞胞维维持持系系数数对对于于菌菌株株是是一一种种特特性值，对于特定的菌株在特定的培养条件下，是一个常数性值，对于特定的菌株在特定的培养条件下，是一个常数式中：

式中：

菌体干重，菌体干重，gg；ss用于维持的基质消耗量，用于维持的基质消耗量，gg共38页第7页目录5.1.25.1.2基质消耗速率基质消耗速率合合成成代代谢谢：

又又称称同同化化作作用用，是是新新陈陈代代谢谢当当中中的的一一个个重重要要过过程程，利利用用能能量由小的前体或分子合成较大分子的过程。

量由小的前体或分子合成较大分子的过程。

分分解解代代谢谢：

又又称称异异化化作作用用，是是生生物物体体将将体体内内的的大大分分子子转转化化为为小小分分子子并并释放出能量释放出能量ATP的过程，如呼吸作用。

的过程，如呼吸作用。

合合成成代代谢谢为为分分解解代代谢谢提提供供物物质质基基础础，分分解解代代谢谢为为合合成成代代谢谢提提供供能能量量来来源。

源。

维维持持代代谢谢：

又又叫叫內內源源代代谢谢、内内呼呼吸吸，是是指指活活细细胞胞群群体体的的生生长长速速率率与与死死亡亡速速率率处处于于动动态态平平衡衡时时，无无新新生生物物量量的的生生成成及及无无胞胞外外代代谢谢产产物物合合成成的的状状态态，细胞所需能量由细胞内源储藏物的氧化及降解产生。

细胞所需能量由细胞内源储藏物的氧化及降解产生。

细细胞胞维维持持系系数数m（s-1）：

是是指指单单位位质质量量的的干干菌菌体体在在单单位位时时间间内内因因维维持持代谢消耗的基质的质量。

代谢消耗的基质的质量。

特定菌株在特定条件下的特定菌株在特定条件下的m值是一个常数。

值是一个常数。

（3）当当产产物物的的合合成成与与能能量量代代谢谢过过程程相相偶偶联联时时，基基质质的的消消耗耗速速率率也也应应考虑产物的生成速率。

考虑产物的生成速率。

共38页第8页目录5.1.35.1.3代谢产物的生成速率代谢产物的生成速率一、根据代谢产物与微生物生长繁殖的关系一、根据代谢产物与微生物生长繁殖的关系：

（1）

（1）初级代谢产物：

初级代谢产物：

与微生物自身生长繁殖关系密切，与微生物自身生长繁殖关系密切，是微生物生长过程必需的一类结构简单、代谢途径明确、产是微生物生长过程必需的一类结构简单、代谢途径明确、产量较大的小分子物质。

量较大的小分子物质。

如：

氨基酸、核苷酸、核酸等。

如：

氨基酸、核苷酸、核酸等。

（2）

（2）次级代谢产物：

次级代谢产物：

与微生物的生长繁殖无明确关系，与微生物的生长繁殖无明确关系，在微生物的生长后期，细胞浓度积累到一定量后产生的分子在微生物的生长后期，细胞浓度积累到一定量后产生的分子结构复杂、代谢途径独特的物质（初级代谢产物作其前体）。

结构复杂、代谢途径独特的物质（初级代谢产物作其前体）。

如：

抗生素、生物碱、色素、毒素等。

如：

抗生素、生物碱、色素、毒素等。

二、根据产物生成速率与细胞生成速率之间的动态关系：

二、根据产物生成速率与细胞生成速率之间的动态关系：

（11）生长关联型）生长关联型（22）生长部分关联型）生长部分关联型（33）非生长关联型）非生长关联型共38页第9页目录5.1.3.15.1.3.1生长相关型生长相关型生长关联型生长关联型是指是指产物的生成与细胞的生长密切相关，是细产物的生成与细胞的生长密切相关，是细胞能量代谢的直接结果。

胞能量代谢的直接结果。

此类产物通常是基质分解代谢产物，与细胞的生长相关，此类产物通常是基质分解代谢产物，与细胞的生长相关，常是一些初级代谢产物，如：

乙醇、乳酸、葡萄糖酸等，常是一些初级代谢产物，如：

乙醇、乳酸、葡萄糖酸等，故故产产物的生成与细胞的生长是同步的和偶联的。

物的生成与细胞的生长是同步的和偶联的。

其动力学方程可表其动力学方程可表示为：

示为：

rp=Yp/xrx=Yp/xCxqp=Yp/x*rx产物生成关联模型动力学特征示意图产物生成关联模型动力学特征示意图共38页第10页目录由图可见由图可见细胞与产物的浓度、反应速率、比速率变化细胞与产物的浓度、反应速率、比速率变化几乎为同步的，几乎为同步的，最大值出现的时间相差不大，当基质浓度最大值出现的时间相差不大，当基质浓度开始降低时，细胞及产物的浓度开始增长；基质的消耗速开始降低时，细胞及产物的浓度开始增长；基质的消耗速率逐步增高时，细胞及产物的生成速率也先后增加；基质率逐步增高时，细胞及产物的生成速率也先后增加；基质及细胞的比速率几乎为同步，产物的比生成速率在前期增及细胞的比速率几乎为同步，产物的比生成速率在前期增长时与基质、细胞的比速率也几乎同步，但后期达最大值长时与基质、细胞的比速率也几乎同步，但后期达最大值后，就出现延后现象。

后，就出现延后现象。

由图可知由图可知共38页第11页目录5.1.3.25.1.3.2生长部分关联型生长部分关联型生长部分关联型：

生长部分关联型：

该类反应产物的生成与基质的消耗仅该类反应产物的生成与基质的消耗仅有间接关系，有间接关系，是细胞的能量代谢的间接结果，产物的生成与底是细胞的能量代谢的间接结果，产物的生成与底物的消耗仅有时间关系，无直接的化学计量关系。

物的消耗仅有时间关系，无直接的化学计量关系。

产物生成部分关联模型动力学特征示意图产物生成部分关联模型动力学特征示意图由图可知由图可知共38页第12页目录从图中可以看出从图中可以看出当细胞及基质的比速率下降到一定程度，当细胞及基质的比速率下降到一定程度，细胞浓度有一定的积累时，产物生成才有较明显的增加，细胞浓度有一定的积累时，产物生成才有较明显的增加，开始开始大量生成、积累。

大量生成、积累。

如：

氨基酸、柠檬酸等物质的生成。

如：

氨基酸、柠檬酸等物质的生成。

其动力学可以用其动力学可以用Luedeking-PiretLuedeking-Piret方程表示为：

方程表示为：

式中：

式中：

为与菌体生长速率相关的产物生成常数为与菌体生长速率相关的产物生成常数为与菌体浓度相关的产物生成常数为与菌体浓度相关的产物生成常数在此模型中的一些特殊情况，如考虑到产物可能存在在此模型中的一些特殊情况，如考虑到产物可能存在部分分解时，还可以可写成：

部分分解时，还可以可写成：

式中：

式中：

kdkd产物分解常数产物分解常数共38页第13页目录5.1.3.35.1.3.3非生长关联型非生长关联型非生长关联型非生长关联型是指是指产物的生成与细胞的生长无直接联系，产物的生成与细胞的生长无直接联系，即产物的生成