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第三章 微生物发酵动力学;??发酵动力学： 它以化学热力学(研究反应的方向)和化学动力学(研究反应的速度)为基础，研究发酵过程中变量在活细胞作用下变化的规律， 以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响。 ??研究目的： 有助于我们更加深入地认识和掌握发酵过程，为工业发酵的模拟、优化和控制订下良好的理论基础。 ??研究内容： ①细胞生长和死亡动力学； ②基质消耗动力学； ③氧消耗动力学； ④二氧化碳生成动力学； ⑤产物合成和降解动力学； ⑥代谢热生成动力学。;;一、模型的简化; 细胞的生长、繁殖代谢的生物化学过程体系具有多相、多组分、非线性的特点。 多相指的是体系内常含有气相、液相和固相； 多组分是指在培养液中有多种营养成分，有多种代谢产物产生，在细胞内也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物； 非线性指的是细胞的代谢通常需用非线性方程来描述。 ; 同时，细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命活动，通常每1ml培养液中含有104~108个细胞，每个细胞都经历着生长、成熟直至衰老的过程，同时还伴有退化、变异。 因此，要对这样一个复杂的体系进行精确的描述是困难的。为了工程上的应用，首先要进行合理的简化，在简化的基础上建立过程的模型。 ;要简化的内容有:： ①微生物反应动力学是对细胞群体的动力学行为进行描述。 ②不考虑细胞之间的差别 (treat all cells as equivalent )，而是取其性质上的平均值。在此基础上建立的模型称为非分立模型 (Unsegregated ）。 ③在细胞的生长过程中，细胞内各种成分视为以相同的比例增加，而且忽略环境的变化对菌体组成的影响。 ;1.4 模型的简化 ( Model Simplification); 细胞的组分是复杂的，有蛋白质、脂肪、核酸等，这些成分的含量大小随环境条件的变化而变化。 如果是在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，则称为结构模型，它能从机理描述细胞的动态行为。 在结构模型中，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白质的含量作为过程的变量，将其表示为细胞组成的函数。 ;; 如果把菌体视为单组分，则环境的变化对菌体组??的影响可被忽略，在此基础上建立的模型称为非结构模型。它是在实验研究的基础上，通过物料衡算建立起经验或者半经验的关联式。 从模型的简化考虑一般采用：均衡生长的非结构模型。 ;一、Gaden对发酵的三分类;类型Ⅱ（混合型） 产物的合成和菌体的生长部分偶联　　 产物的形成与细胞生长部分相关或具有间接关系，例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。;;类型Ⅲ（非偶联型）　产物的合成和菌体的生长非偶联 产物的形成与细胞生长不相关或无直接关系，其特点是细胞生长期基本无产物合成，细胞停止生长，产物则大量合成。属于这类的产物是次级代谢产物。例如青霉素、链霉素等抗生素发酵。 ;第三节 微生物生长和分批发酵动力学;间歇培养的最大特点： 反应体系中微生物浓度和生理状态随培养时间变化，营养成分和代谢产物亦随培养时间而变化。 ; 将细胞接入新鲜培养基后， 定时取样分析细胞浓度随时间的变化，可以发现细胞的生长曲线呈明显的几个时期。;(二)四个时期 1.延滞期（lag phase） 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（logarithmic phase） 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（stationary phase） 又称：恒定期或最高生长期 特点： ①细胞增殖与死亡数几乎相等，细胞数达最高值； ②开始积累内含物或产芽孢； ③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（Death or decline phase） 特点： ①出现“负生长”； ②细胞出现多形态变化； ③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；;About Lag Phase;About Exponential Phase