①细菌群体的复杂性：通常1mL培养液中含有107～108个细胞，每个细胞都经历生长、成熟、衰亡的过程，同时伴有退化、变异
②多 相：体系中有液相、固相、气相，性质不同，相内、相间有反应、传质
③多组份：细胞组成复杂,蛋白质、脂肪、糖、核酸、维生素、无机盐、水等,培养液中的营养物，代谢产物
④非线性：生化反应过程复杂,不能用线性方程描述
非结构模型的假设有：１，不考虑胞内存在的各种反应和各种组分的功能。２，细胞处于均衡的生长状态，胞内组成将不随细胞的生长而变化，所以细胞被视为一个组成恒定的生物相，所有反应均在细胞与环境之间进行。３，细胞生长过程的唯一变量为细胞的质量或浓度。 反应速率的定义 ① 绝对速率：rX?② 相对速率
dcX dt
无抑制的细胞反应动力学
上式称为莫诺得(Monod)方程，形式式上与酶催化动力学的M-M方程相似，但Monod方程是从经验得出的，常称为形式动力学。Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下。
①细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的惟一变量是细胞的浓度。 ②培养基中只有一种底物是生长限制性底物，而其他组分为过量，不影响细胞的生长。 ③细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。 Monod方程ｕ为相对速率 米氏方程ｕ是绝对速率
Monod方程表述简单，应用范围广泛，是细胞生长动力学最重要的方程之一。
但是，Monod方程仅适用于细胞生长较慢和细胞密度较低的环境下。因为只有这时，细胞的生长才能与底物浓度cS成一简单关系式。
如果底物消耗速率过快，则极有可能产生有害的副产物：在细胞浓度很高时，则有害的副产物可能更多。
因此，人们又提出如下一些无抑制的细胞生长动力学。 影响细胞反应速率的主要环境因素 （1）温度
温度对细胞内所进行的各种生化反应和其生长速率都有很大的影响。
微生物细胞根据其最适宜培养温度可分为低温菌、中温菌、高温菌、特耐高温菌和超级高温菌。 (2)pH
? pH也是影响细胞生长的一个重要因素。
? 对于细胞能够进行生长的pH范围大约为3-4个pH单位。而最适宜的pH范围为1-2
个pH单位。
? 每一类细胞对pH的要求是不同的。 （3）溶氧
底物消耗与产物生成动力学
（１）底物消耗速率与消耗比速率 ???maxcS KS?cS底物消耗速率可通过细胞得率系数与细胞生长速率相关联。 (2) 包括维持能的底物消耗动力学
当底物既是能源又是碳源时、就应考虑维持能所消耗的底物。 (3)包括产物生成的底物消耗动力学
底物在细胞内合成产物的模型取决于产物的生成是否与能量代谢过程相耦联。 代谢产物生成动力学
一．生长偶联型（相关模型）
是指产物的生成与细胞的生长过程相关，即产物通常是基质的分解代谢产物(如乙醇
发酵)或代谢过程的中间产物(如氨基酸发酵),代谢产物的生成与细胞的生长是同步的。
产物的生成速率为： rP?dcP?YP/XrX?YP/X?cX qP?YP/X? dt二．生长部分偶联型（部分相关模型）
产物的生成与细胞生长部分相关。动力学方程为：
rP??rX??cX
等式两边除以CX，则有：
qP?????
说明：第一项与细胞生长有关，第二项无关 ；?、?由细胞生理特性与生长条件而定，只有通过对不同的细胞代谢过程进行研究，才能找出其与细胞生长条件、环境因素的关系。 三．非生长偶联型（非相关模型）
产物的生成与细胞的生长无直接关系，特点是当细胞处于生长阶段时，并无产物积累，
而当细胞生长停止后，产物却大量生成 。
rP??CXqp??
细胞死亡(灭菌)动力学
灭菌的目的：杀菌的同时不破坏营养成分。
设计灭菌操作，必须以细菌芽孢作为杀灭对象，因为要杀灭了芽孢，其他杂菌一定也杀灭。这一点，既是食品灭菌的依据，同时也是发酵培养基灭菌操作的基础。 微生物受热死亡的原因主要是因高温使微生物体内的一些重要蛋白质，如酶等发生变性，从而导致微生物无法生存而死亡。
微生物受热死亡的规律有很多类型，但常见的是对数死亡律，也称对数残存律。 -dNV/dt=kdNV 其中：
NV是活菌体浓度，以活菌体个数/ml kd是比死亡速率常数，min-1 对数死亡律 -dNV/dt=kdNV ln(NV/N0)=-kdt NV=N0exp(-kdt)
t=2.303×log(NV/N0)/kd kd值反应了微生物耐热性的强弱，越小表明微生物越不易热死；反之越易热死。 微生物受热死亡的活化能一般要比营养成分热分解的活化能大的多，E1?300KJ/mol，E2?90KJ/mol，则E2-E1?-210KJ/mol，这就意味着当温度升高时，微生物的死亡速率要比营养成分的破坏速率增加的多，这正是为什么采用高温、瞬时灭菌-HTST (High Temperature Short Time)。
培养基灭菌的工程设计 1.间歇灭菌
整个灭菌过程由加热、保温和冷却三个阶段组成 2.连续灭菌
? 与间歇灭菌相同，连续灭菌也需要加热、保温和冷却三个阶段； ? 间歇灭菌这三个阶段在空间上相同，在时间上不同；
? 连续灭菌这三个过程同时发生，但在空间上不同，因此需要有加热设备、保温设别
和冷却设备。
细胞反应动力学参数的估计 动力学实验的目的
1. 确定反应速率与反应物浓度之间的函数关系，这实际上是确立速率方程的基本形式； 2. 确定动力学参数，例如细胞反应器中的Ks和μmax的值； 3. 确定动力学参数与反应条件，例如温度、pH等因素的关系。 实验反应器：积分反应器，微分反应器
第三章 固定化生物催化剂反应过程动力学
生物催化剂的固定化 1.酶的固定化 １．包埋
将酶包埋在凝胶的微细格子中或半透性的聚合膜所包埋，使酶分子不能从凝胶的网格中漏出。 ２．结合
酶或细胞利用共价键或离子键、物理吸附等方法结合于水不溶载体； ３．交联
利用双功能试剂的作用，在酶分子间发生交联，凝集成网状结构，构成固定化酶； ４．混合法
固定化生物催化剂的催化特性
? 活性的改变（通常情况活性下降） ? 稳定性改变（通常稳定性增强） ? 底物专一性改变
? 最适pH和最适温度改变 ? 动力学常数改变
影响固定化生物催化剂特性的因素：1）分子构象的改变2）位阻效应3）微环境效应（分配效应）4）扩散效应 外扩散有效因子
化工上引用效率因子来描述固体催化剂颗粒催化反应进行的有效程度，固定化酶为固体催化剂，效率因子定义为：
?E?R有外扩散影响时的实际反应速率?si 无外扩散影响时的固定化酶外表面处的反应速率rsoDa?DaI cI1?KI由上式可求出1－cS?cScSDa??DaIcK?cS1?IK?cSKI式中RSi—同时存在外扩散限制和非竞争性 抑制时的宏观速率； DaI—包括化学抑制影响的丹克莱尔数。液体在载体微孔内的扩散
? 分子扩散：扩散阻力主要来自于分子间的碰撞
? 努森扩散：扩散阻力主要来自于分子与孔壁间的碰撞，常发生在微孔直径较小的情
况。
Fick定律（描述微孔内液体分子扩散速率）：
Ns??De?pdcs De?DH dz?pDe—有效扩散系数
D —分子扩散系数
εp —固定化酶颗粒的孔隙率，其值为0~1
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