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1、 教材 姚汝华主编. 微生物工程工艺原理. 华南理工大学出 版社 参考书籍 余龙江主编. 发酵工程原理与技术应用.化学工业出版社，2006- 2008 俞俊棠等主编. 生物工艺学(上下册). 华东理工大学出版社 梅乐和等主编. 生化生产工艺学. 科学出版社 Peter F. Stanbury, Allan Whitaker, Stephen J. Hall. Principles of Fermentation Technology. (2nd Edition) 发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间 动态定量关系，定量描述微生物 生长 和 产物形成 过程。 主要研究： 1、发酵动
2、力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成 速率、底物消耗速率及其转化率、效率等； 2、影响发酵动力学参数的各种理化因子； 3、发酵动力学的数学模型。 认识发酵过程的规律 优化发酵工艺条件，确定最优发 酵过程参数，如：基质浓度、温 度、pH、溶氧，等等 提高发酵产量、效率和转化率等 研究发酵动力学的目的 本章的重要性 一条主线： 发酵工艺过程 两个重点： 发酵过程的优化与放大 三个层次： 分子、细胞、反应器 四个目标： 高产、高效、高转化率、低成本 主要方法：基于发酵动力学研究来实现 发酵过程放大的两个基本问题： 发酵放大条件的优化 核心：发酵动力学研究，获得细胞生长及其产物合成放大过 程特征
3、及其对环境的响应特征； 重点研究微生物与物理、化学环境的相互作用，揭示放大规律。 反应器性能优化 重点研究混合与传质问题，满足发酵最适条件需要 侧重反应器的设计与放大 生化反应： aA + bB cC + dD 反应动态平衡 改变条件 破坏平衡 如何能最快最多的获得目的产物 温度酸碱度浓度 催化剂 如何确定高产高效 的最佳条件？ 采用反应动力学方法 进行定量研究 动力学主要探讨反应速率问题： 分子层次（酶催化与生物转化） 基于关键生化反应（限速步）及其关键酶的动力学 特征及其影响因素 采用一系列分子水平的方法 细胞层次（代谢网络与细胞工厂） 基于细胞信号传导、代谢网络、细胞物质运输的系 列关键
4、生化反应的综合表现 采用一系列细胞水平的方法，包括细胞群体行为分 析 反应器层次（过程工程） 基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应 采用一系列优化反应器发酵条件的方法 课程重点：主要针对微生物发酵的表观动力学， 通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细 胞群体酶促反应体系的宏观变化速率，主要包括 ： 细胞生长动力学 底物消耗动力学 产物合成动力学 重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的 动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。 但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达到 认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。 l首先研究微生物生长和产物合成限制因子； l建立细胞生长、
5、基质消耗、产物生成模型； l确定模型参数； l实验验证模型的可行性与适用范围； l根据模型实施最优控制。 分批发酵动力学 连续发酵动力学 补料分批发酵动力学 分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接 种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。 分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延 滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止 期）和衰亡期五个时期。 典型的分批发酵工艺流程图 分批发酵过程 t1 t2 t3 t4 t5 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线 菌体浓度X 时间 t 分批发酵动力学-细胞生长动力学 微生物细胞倍增时间与群体生长动力学 细菌：典型倍增时间1hr 酵母：典型倍增时间2hr 放线菌和丝
6、状真菌：典型倍增时间48hr 微生物细胞群体生长动力学是反映整个群体的生长特 征，而不是单个微生物生长倍增的特征。 因此，菌龄是指一个群体的表观状态。 关于菌龄的描述 细胞生长动力学 基质消耗动力学 产物形成动力学 微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细 胞数量在单位时间内的增加量来表示（、n）： 或 或 X细胞浓度（g/L）；N细胞个数； t生长时间； X0、Xt初始微生物浓度和t时细胞浓度； N0、Nt初始细胞个数和t时细胞个数； 以细胞浓度表示的比生长速率； 以细胞数量表示的比生长速率。 分批发酵动力学-细胞生长动力学 llag: x不变, 即 lexp:(假定无抑制作用存在) 分批发酵动
7、力学-细胞生长动力学 lDecline（开始出现现一种底物不足的限制）: (1)若不存在抑制物时时 Monod 模型: 分批发酵动力学-细胞生长动力学 式中: S限制性基质浓度，mol/m3 Ks底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生 物对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力越小， 越小。 当S较高时，(对数期满足S10Ks)，此时，= m 当S较低时，(减速期， S10Ks)，此时S， 减速期， 分批发酵动力学-细胞生长动力学 比生长素率 限制性底物残留浓度St 残留的限制性底物浓度对微生物 比生长率的影响 表征与培养基中残留的 生长限制性底物St的关系 Monod方程
8、： Ks底物亲和常数，等于 处于1/2m时的底物浓度， 表征微生物对底物的亲和力 ，两者成反比。 酶促反应动力学米氏方程： 受单一底物酶促反应限制的微生物 生长动力学方程Monod方程： Monod方程应用： 测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值） 实验确定适于微生物生长的最佳底物（ ？） 比较不同底物发酵最终残留的大小（ ？） 比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培 养的稀释率 lStationary（不生长或生长率与死亡率相等）: ldying: （浓度最大） 分批发酵动力学-细胞生长动力学 (比死亡速率 ，s-1) l假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则微生物生长动 力学可用
9、阶段函数表示如下： 0 x0 （0tt1) m x0e m t (t1tt2) = x= x0e m(t2-t1) e t (t2tt3) 0 xm (t3tt4) -a xme -a t (t4tt5) l在无抑制作用情况下（但有底物限制存在） 分批发酵动力学-细胞生长动力学 式中n为常数 x为细胞浓度 l培养液中有抑制物的情形 高浓浓度基质质抑制存在的情况下 式中，Kis为为抑制常数，抑制作用越强，Kis越小 分批发酵动力学-细胞生长动力学 其它模型2 高浓度产物抑制的情况下 线性 指数 产物积累一定量才有 抑制作用 分批发酵动力学-细胞生长动力学 其它模型2 其中：k，k1，k2为常数
10、分批发酵中初始底物浓度对稳定期 菌体浓度的影响 AB区：菌体浓度与初 始底物浓度成正比，有： X为菌体浓度， 为针对底物的 细胞得率，初始X0为零； S0为底物初始浓度； St为底物残留浓度。 BC区：随S0增加， 菌体浓度达最高水平，再 增加S0 ，菌体不再增加。 C区：菌体活性受初始 高浓度底物及高渗作用抑 制，菌体浓度与初始底物 浓度成反比。 高浓度底物 抑制的情形 l 当培养基中存在多种限制性营养物时， Monod方程应改为？ 分批发酵动力学 指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量。其大小取 决于生物学参数（,x ）和化学参数（DO,C/N,磷含量等 ） （1）生长得率系数 Yx/s、
11、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克营养物、每克分子氧以及 每千卡能量所生成的细胞克数； Yx/c、 Yx/N、 Yx/p、Yx/Ave- ：消耗每克C、每克N、每克P 和每个有效电子所生成的细胞克数； Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。 分批发酵动力学-基质消耗动力学 消耗每克营养物（s）或每克分子氧 (O2)生成的产物(P)、ATP或CO2的克数。 分批发酵动力学-基质消耗动力学 l 产物得率系数： ： 定义：表观得率 专一性得率 *专一性用于生长的底物量S不含用于维持能 耗及产物形成部分的用量。 分批发酵动力学-基质消耗动力学 基质消耗速率与生长、合成关系如下： 表观：
12、 专一性： 分批发酵动力学-基质消耗动力学 为了扣除细胞量的影响， 定义：基质比消耗速率 产物比生成速率 分批发酵动力学-基质消耗动力学 = 若生长阶段产物生成可以忽略，即 分批发酵动力学-基质消耗动力学 1/Yx/s 1/ 1/YG m l 图解法求微生物的本征参数YG和m 分批发酵动力学-基质消耗动力学 若生产阶段微生物生长可以忽略， 分批发酵动力学-基质消耗动力学 = l 图解法求微生物的本征参数Yp和m 1/Yp/s 1/qp m 1/YP 根据发酵时间过程分析，微生物生长与 产物合成存在以下三种关系： l与生长相关生长偶联型 l与生长部分相关生长部分偶联型 l与生长不相关无关联 分批
13、发酵动力学-产物形成动力学 相关型部分相关型 非相关型 产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图 产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直 接结果，菌体生长速率的变化与产物生成速率的 变化相平行。 分批发酵动力学-产物形成动力学 产物间接由能量代谢生成，不是底物的 直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的 主流产物（与初生代谢紧密关联）。 分批发酵动力学-产物形成动力学 若考虑到产物可能存在分解时，则 产物生成与能量代谢不直接相关，通过细胞 进行的独特的生物合成反应而生成。 分批发酵动力学-产物形成动力学 分批发酵动力学 杀假丝菌素分批发酵动力学分析 杀假丝菌 素分批发酵 中的葡萄糖 消耗、
14、DNA 含量和杀假 丝菌素合成 的变化 。 l 应用举例 v优点： 操作简单、投资少 运行周期短 染菌机会减少 生产过程、产品质量较易控制 v缺点： 不利于测定过程动力学，存在底物限制或抑制问题 ，会出现底物分解阻遏效应?及二次生长?现象。 对底物类型及初始高浓度敏感的次级代谢物如一些 抗生素等就不适合用分批发酵（生长与合成条件差 别大） 养分会耗竭快，无法维持微生物继续生长和生产 非生产时间长，生产率较低 l连续发酵概念： 在发酵过程中，连续向发酵罐流加培养基， 同时以相同流量从发酵罐中取出培养液。 连续发酵特点： 添加培养基的同时，放出等体积发酵液， 形成连续生产过程，获得相对稳定的连续发酵状 态。 连续发酵类型： 单级 多级连续发酵 （一）连续发酵类型及装置 （二）连续发酵动力学模型 1.单级恒化器连续发
