天津商业大学:《生物工艺学》课程PPT教学课件(中,生物化学工程)第六章 微生物培养技术与动力学(微生物发酵动力学)

第六章:微生物培养技术与动力学 6.1 微生物发酵动力学 6.1.1 分批培养 营养物和菌种一次加入进行培养,直到结束放出,中 间除了空气进入和尾气排出,添加消泡剂和调节pH, 与外 部没有物料交换, 属于非稳态过程。 优点:放大到罐操作比较容易,操作简单 缺点:培养初期营养物过多/后期代谢产物的积累可 能抑制生长,培养的中后期可能又因为营养物浓度过低而 降低培养效率,总设备生产能力不高
第六章:微生物培养技术与动力学 6.1 微生物发酵动力学 6.1.1 分批培养 营养物和菌种一次加入进行培养,直到结束放出,中 间除了空气进入和尾气排出,添加消泡剂和调节pH, 与外 部没有物料交换, 属于非稳态过程。 优点:放大到罐操作比较容易,操作简单 缺点:培养初期营养物过多/后期代谢产物的积累可 能抑制生长,培养的中后期可能又因为营养物浓度过低而 降低培养效率,总设备生产能力不高

● 延迟期(lag phase) 是微生物适应新环境的 过程.,表现为细胞的数量 没有增加,但一些参与物 质的运输/与初级代谢相 关的酶类会诱导合成;以 及一些辅助因子的合成 需要一些时间。所以, 其时期的长短与细胞的 生理状态和细胞的浓度 有关。 ● 对数生长期(log phase/exponential growth phase) 培养基营养丰富,细胞生长不受限制,细胞浓度随时间指数生 长。 △分批培养过程中,微生物的生长曲线
● 延迟期(lag phase) 是微生物适应新环境的 过程.,表现为细胞的数量 没有增加,但一些参与物 质的运输/与初级代谢相 关的酶类会诱导合成;以 及一些辅助因子的合成 需要一些时间。所以, 其时期的长短与细胞的 生理状态和细胞的浓度 有关。 ● 对数生长期(log phase/exponential growth phase) 培养基营养丰富,细胞生长不受限制,细胞浓度随时间指数生 长。 △分批培养过程中,微生物的生长曲线

dx/dt =μx, μ=(1/x) (dx/dt) x: 细胞的浓度g/L t: 培养时间h, μ : 比生长速度h -1 单位菌体浓度引起的菌 体增长,反映了指数生 长期细胞生长的快慢。 对数期μ为常数,初始条件: t0=0, t; x0 , x, 积分得: 6.87*1010
dx/dt =μx, μ=(1/x) (dx/dt) x: 细胞的浓度g/L t: 培养时间h, μ : 比生长速度h -1 单位菌体浓度引起的菌 体增长,反映了指数生 长期细胞生长的快慢。 对数期μ为常数,初始条件: t0=0, t; x0 , x, 积分得: 6.87*1010

影响μ的因素 细胞的种类, 培养条件(培养温度,限制性基质浓度, pH, 溶氧) 倍增时间td:当细胞群体增加一倍时,所需的时间。由公式 描绘营养物的浓度对微生物生长的影响:1942年,Monod总结 了经验方程 微生物td : 0.5-5 h 动物细胞td :15-100 h 植物细胞td : 24-74 h td 和μ反映在对数生长期微生物的生长特性
影响μ的因素 细胞的种类, 培养条件(培养温度,限制性基质浓度, pH, 溶氧) 倍增时间td:当细胞群体增加一倍时,所需的时间。由公式 描绘营养物的浓度对微生物生长的影响:1942年,Monod总结 了经验方程 微生物td : 0.5-5 h 动物细胞td :15-100 h 植物细胞td : 24-74 h td 和μ反映在对数生长期微生物的生长特性

Monod方程呈双曲线。 µm最大比生长速率,s: 限制性营养物质的浓度, Ks: 饱和常数,为比生 长速度等于最大值的一 半时的底物浓度。其值 大,表示微生物对营养 物质的吸收亲和力小, 反之,就越大。 #当底物浓度很低时,即a 段,S«Ks, 从Monod 式中得 # b段为适合Monod方程段
Monod方程呈双曲线。 µm最大比生长速率,s: 限制性营养物质的浓度, Ks: 饱和常数,为比生 长速度等于最大值的一 半时的底物浓度。其值 大,表示微生物对营养 物质的吸收亲和力小, 反之,就越大。 #当底物浓度很低时,即a 段,S«Ks, 从Monod 式中得 # b段为适合Monod方程段

# c 段为S»Ks,由于底物浓度过高导致的底物抑 制或代谢产物产生抑制,不符合Monod方程,对 于前者,有下列公式描述: 营养物质的 抑制,如G 代谢产物产 生的抑制, 如乙醇 #当底物浓度很高时且无抑制现象发生,即d 段,S » Ks, 从Monod 式中得
# c 段为S»Ks,由于底物浓度过高导致的底物抑 制或代谢产物产生抑制,不符合Monod方程,对 于前者,有下列公式描述: 营养物质的 抑制,如G 代谢产物产 生的抑制, 如乙醇 #当底物浓度很高时且无抑制现象发生,即d 段,S » Ks, 从Monod 式中得

几种不同微生物的4az值 微生物 培养温度(℃) Hmas (h) 细菌 37 0.6-1.0 酵母 30 0.30.5 霉菌 28 0.10.3 Monod方程中的某些Ks值 限制性营养物 Ks(mg/L) 微生物 葡萄糖 1.0 产气肠道菌 葡萄糖 2.04.0 大肠杆菌 葡萄糖 25.0 酿酒酵母 甲醇 0.7 假单胞菌 氨 0.1 产气肠道菌 镁 1.6 产气肠道菌 硫酸盐 3.0 产气肠道菌

例:在5 m3培养液中,按5%接种量接种,已知原接 种液中含菌5×106(个/毫升),如果培养后发酵液 中的菌体含量需达4×109(个/毫升),求所需培养 时间。假定在整个培养时间,均满足s »Ks的条件, 已知μmax=0.8 h-1 解: 因为s »Ks,故 ① 所以①积分得 ② 依题意 于是
例:在5 m3培养液中,按5%接种量接种,已知原接 种液中含菌5×106(个/毫升),如果培养后发酵液 中的菌体含量需达4×109(个/毫升),求所需培养 时间。假定在整个培养时间,均满足s »Ks的条件, 已知μmax=0.8 h-1 解: 因为s »Ks,故 ① 所以①积分得 ② 依题意 于是

● 稳定期 (stationary phase) 由于营养物的消耗和代谢产物的积累,是微生物的生长速度下降直至停 止。从而进入静止期。此时细胞浓度值为最大。 若生长速率的下降是由于营养物质的消耗造成的,假设接种细胞后立即 进入指数生长期且一直保持到静止期 刚接入菌时,底物浓度为S, 刚进入稳定期时S=0 式中: KS是常数,X:细胞浓度,S为限制 性营养物质的浓度 ⅰ ⅱ 单纯由于营养物质的耗竭造 成的生长速率的下降可以通 过提高营养物质的初始浓度 来推迟稳定期的出现
● 稳定期 (stationary phase) 由于营养物的消耗和代谢产物的积累,是微生物的生长速度下降直至停 止。从而进入静止期。此时细胞浓度值为最大。 若生长速率的下降是由于营养物质的消耗造成的,假设接种细胞后立即 进入指数生长期且一直保持到静止期 刚接入菌时,底物浓度为S, 刚进入稳定期时S=0 式中: KS是常数,X:细胞浓度,S为限制 性营养物质的浓度 ⅰ ⅱ 单纯由于营养物质的耗竭造 成的生长速率的下降可以通 过提高营养物质的初始浓度 来推迟稳定期的出现

● 衰亡期 (death phase/decline phase) 由于环境的恶化,培养液中的细胞开始死亡。,在微生 物的培养过程中,对衰亡期的研究一般较少。主要由于 大多数分批培养的发酵生产,均是在衰亡期开始之前就 已经停止操作,它的研究对生产价值不大,。 衰亡期的生物群体遵循指数规律衰减 即: 式中Xm:最大生物群体浓度; a:微生物的比生长速率。 X: 死亡细胞的浓度
● 衰亡期 (death phase/decline phase) 由于环境的恶化,培养液中的细胞开始死亡。,在微生 物的培养过程中,对衰亡期的研究一般较少。主要由于 大多数分批培养的发酵生产,均是在衰亡期开始之前就 已经停止操作,它的研究对生产价值不大,。 衰亡期的生物群体遵循指数规律衰减 即: 式中Xm:最大生物群体浓度; a:微生物的比生长速率。 X: 死亡细胞的浓度
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