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1、第八章 微生物反应动力学主讲： 许钦坤电话： 13531451507E-mail: QQ: 3932990办公： B3101 1发酵过程动力学研究的基本内容发酵类型分批培养动力学连续培养动力学主要内容第一节 发酵动力学的研究内容及目的研究反应速度及其影响因素并建 立反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应器特性+反应器的操作模型操作条件与反应结 果的关系，定量地 控制反应过程发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产 物生成的动态平衡及其内在规律。 发酵动力学研究目的：通过发酵动力学的研究来进行最佳 发酵工艺条件的控制。已建立动力学模型的类型q 现象模型（经验模型）：目前大多数模型能
2、定量地描述发酵过程能反映主要因素的影响第二节 发酵的类型 主要研究：产物形成与低物利用的关系，即 碳源的利用与产物形成速度的关系。 碳源在培养基中主要作为能源物质，但是当 缺少细胞的组成成分时，碳源也能作为构成 细胞的材料。发酵类型6 6与生长相关型： 特点： 微生物的生长、碳源的利用、产物合成直接相 关连。几乎都在相同时间出现高峰。菌体生长型:终产物就是菌体本身，菌体增加与 碳源利用平行，且两者之间有定量关系。如酵母、 蘑菇菌丝等代谢产物型：是指产物的积累与菌体增长相平行 ，并与碳源消耗有准量关系。如酒精、乳酸、葡萄 糖发酵等。第型第型生长部分相关型 特点：发酵的第一时期菌体迅速生长，产物的
3、形 成很少或全无；第二时期，产物以高速度形成 ，生长也出现第二个高峰，碳源利用在二个时 期都很高。 分两类：产物的形成是经过连锁反应的过程；如：丙酮丁醇、丙酸等产物的形成不经过中间产物的积累。如：谷氨酸第型与生长不相关型： 特点：产物的合成是在菌体的浓度接近或达到最高 之后才开始的。产物合成速度与碳源利用也不存 在定量关系。 例子：多数次生代谢产物的发酵属这种类型，如各 种抗生素和微生物毒素等物质的生产。第三节 微生物分批培养动力学分批培养：一次投料，一次接种，一次收获的间歇培养方式。简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓
4、度和产物浓度等参数都随时间变化。13131、微生物在一个密闭系统中的生长情况：时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期延迟期：指数生长期:减速期:静止期： ;衰亡期:一、微生物的生长动力学延迟期：少量细菌接种到新鲜培养基后，一般不立即进行繁殖，生长速度近于零。因此在开始一段时间，细菌数几乎保持不变，甚至稍有减少。这段时间被称为延迟期，又称为迟缓期、调整期或滞留适应期。处于延迟期细菌细胞的特点是分裂迟缓、代谢活跃。延迟期的长短与菌种、种龄、接种量和培养基成分有关。 分批培养中，要经历五个阶段：1515对数期 在对数期，培养基成分虽然发生改变，但是细胞 的生长速率维持恒定。当培养基中营养过量
5、时，生 长速度与营养物浓度无关。以细胞重量的增加表示 生长速度。积分td为倍增时间，既细胞重量增加一倍所需要的时间 。一般，细菌的td为1560分钟，酵母为45120分 钟，霉菌为28小时。 1616稳定期稳定期阶段，因营养物质耗尽及有害物质 的大量积累，细胞的浓度达到最大值，不再 增加，此时的细胞比生长速率为0。1717减速期对数期细胞的大量繁殖，培养基中营养物质迅速消耗 ，有害物质逐渐积累，细胞的比生长速率逐渐下降，进入减速期，培养基中不存在抑制细胞生长的物质时，细 胞的比生长速率和限制性基质的浓度有如下关系： =mS/（Ks+S） S：限制性基质浓度 Ks：饱和常数 这个关系式称为Mon
6、od方程式，是一个经验公式。 有抑制细胞生长的物质存在时，这公式需要变化 。1818静止期在静止期阶段，因营养物质耗尽及有害物质的大量积累，细胞的浓度达到最大值，不再增加，此时的细胞比生长速率为0.1919衰亡期细胞开始死亡，活细胞的浓度不断下降，在工业生产上，通常在对数生长的未期或衰亡期开始以前，结束发酵过程。因此，这个阶段的研究不多。 2020微生物限制生长基质Ksmax （hr-1）大肠杆菌葡萄糖0.22 -大肠杆菌乳糖0.58-啤酒酵母乳糖2.63.00.18啤酒酵母葡萄糖0.56-纤维素分解菌葡萄糖0.860.125固氮菌葡萄糖0.160.330.13青霉菌氧气0.0070.35Ks
7、和max值随菌种、限制性基质种类的变化Ks：饱和常数；max: 最大比生长速度1、得率系数（Yx/s）：碳源+氮源+氧-细胞+产物+CO2+H2O Yx/s、Yx/o2 、Yx/kcal：消耗每克营养物、每摩尔氧和每千卡能 量所生成的细胞数Yx/c、 Yx/p 、Yx/N、Yx/Ave-：消耗每克碳、每克磷、每克氮 和每个有效电子生成的细胞数Yx/ATP： 消耗每克分子ATP所生成的细胞克数二、分批培养中基质的消耗动力学符 号 定 义 因 次 Y X/S X /-S g细胞干重/g基质 or g细胞干重/mol基质Y X/O X/-O2 g细胞干重/gO2 or g细胞干重/mol O2YX/
8、ATP X/ ATP g细胞干重/mol ATPY X/S ：相对于基质消耗的实际生长率；X:肝细胞的生长量 ； -S：基质的消耗量 SS1 菌体S2 产物S3 维持X S（底物） X（菌体） P（产物）+维持维持消耗(m) ：指维持细胞最低活性 所需消耗的能量，一般 来讲，单位重量的细胞 在单位时间内用于维持 消耗所需的基质的量是 一个常数。2、基质消耗速率：在实际中要协调这三部分三 产物形成动力学一类发酵： 产物的形成和菌体的生长相关xp：以细胞为基准的产物得率系数二类发酵产物的形成和菌体的生长部分相关xp：与生长关联的细胞生产能力，：非生长关联比生长速率三类发酵产物的形成和菌体的生长不相
9、关xp培养基中的营养物质被微生物细胞所利用生成细胞：细胞得率系数生成代谢产物：产物得率系数消耗一克营养物质生成的细胞的克数或生成的产物的克数工业上，一段时间的平均值， 获得为表观得率系数分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学2727分批发酵的优缺点优点：即操作简单，周期短，染菌的机会 减少，生产过程和产品质量易掌握。缺点：存在基质抑制问题，出现二次生长 现象。如对基质浓度敏感的产物，或次级代 谢物，抗生素，用分批发酵不合适，因其周 期较短，一般在12天，产率较低，不适于 测定动力学数据。 2828连续培养：又称连续发酵，是在开放系统中进行 的，是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同
10、时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内 的液量维持恒定，是培养物在进似恒定状态下生长 的培养方法。经连续培养后，流出的培养液进行固液分离，经 浓缩后的细胞悬浮液再被送回发酵罐；相当于不断 进行接种，可以提高发酵罐中的细胞浓度，也有利 于提高连续培养系统的操作稳定性。第四节 连续培养动力学29291、均匀混合的生物反应器 在这种反应器中，培养基经搅拌而混合均匀 ，反应器中的各部分培养基间不存在浓度梯度。 这种连续培养装置又可进一步分为恒化器和恒浊 器两种。 连续培养设备的类型3030恒化器：使培养液中的限制性营养物浓度保持恒定。 当处于恒定状态时，细胞的生长速度是通过调节微生物 需要的营养物质
11、的浓度来控制，工业中主要用来生产微 生物菌体在恒化器中，一方面菌体密度会随时间的增长而增高 ，另一方面，限制生长因子的浓度又会随时间的增长而 降低，两者互相作用的结果，出现微生物的生长速率正 好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡。3131恒浊器 是根据培养器内微生物的生长密度，并借 光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。在这一 系统中，当培养基的流速低于微生物生长速度时，菌 体密度增高，这时通过光电控制系统的调节，可促使 培养液流速加快，反之亦然，并以此来达到恒密度的目的。因此，这类培养器的工作精度是由光电控制系 统的灵敏度来决定的。 3232在恒
12、浊器中的微生物，始终能以最高生长速率进行生长，并可在允许范围内控制不同的菌体密度。在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，都可以利用恒浊器。一般来说，恒浊器较难控制，目前大多数研究工作者都利用恒化器进行连续培养的研究。 33332、活塞流反应器这是一种不均一的管状反应器，培养基由反应器的一端流入，而从另一端流出。在这种反应器中，没有返混现象，因而，反应器内 的培养基呈极化状态，在其不同的部位，营养物的成分、细胞数目、传质效果、氧供应和生产量都不相同 。对于这类反应器，在其入口处，加入物料的同时也 必须加入微生物细胞。通常是在反应器的出口处装一 支路，使细胞
13、返回，也可以来自另一连续培养装置( 种子供应系统)。3434在进行任何连续培养的开始，都要先做分批培养，让微生物在接种后生长繁殖达到一定细胞浓度，并进入产物合成期，然后才开始以恒定的流量向发酵罐流加培养基，同时以相同的流量放出培养液，使发酵罐内培养液的体积保持恒定微生物持续生长并持续合成产物。如果在发酵管中进行充分的搅拌，则培养液中各处的组成相同，与流出液的组分相同，即为一连续流动搅拌发酵罐。一、单级恒化器连续培养的动力学3535细胞的物料平衡细胞的物料平衡表示为：流入的细胞流出的细胞+生长的细胞死去的细胞=积累的细胞X0和X：分别为流入和流出发酵罐的细胞浓度（g/l）F：培养基流速（L/h）
14、V：发酵罐内液体体积（l）和a：分别为比生长速率和比死亡速率（h-1；t：时间（h）3636二、细胞循环的单级连续培养将单级恒化器的流出液用 离心机离心，将流出液中 的微生物细胞再部分地回 加到发酵罐内，形成再循 环系统。特点：相当于不断地进行 接种，这样不但提高了发 酵罐中的细胞浓度，也有 利于提高连续培养系统的 操作稳定性。3737基本恒化器的改进有多种方法，但最普通的办法是增加罐的 级数和将菌体送回罐内。 多级连续培养：把多个发酵罐串联起来，第一个发酵罐的情 况与单罐培养相同，以后下一个的进料时前一发酵罐的出料， 这样就组成了多级串联连续培养在实际生产中，也可以向第二级以后的各级发酵罐补
15、充新的 培养基三、多级连续培养三、多级连续培养3838应用举例：对于代谢产物如青霉素，其菌体生长的最佳温度为30C, 而产青霉素的最佳生产温度为20C，在单级反应中无法兼顾，而采用双罐联续培养，可以解决了上述问题。3939连续培养的优点和缺点优点：1、提供了微生物在恒定状态下高速生长的环境 ，便于对微生物代谢、生理生化和遗传特性的研究。 2、在工业生产上可减少分批培养中每次清洗、装 料、接种和放罐等时间。 3、连续培养生产出的发酵产品，质量比较稳定 4、连续培养所需设备和投资少，而且便于控制缺点： 1、在长时间培养中，菌体易于发生变异，并容易 染上杂菌 2、如操作不当，新加入的培养基与原有的培养 基不易完全混合4040连续培养的实施1、在连续培养中，选择适当的限制性基质，可使产物量大大 提高。2、多级连续培养方法可满足微生物不同生长阶段对不同营养 的需求。如菌体生长阶段和抗生素生产期需要控制不同的培养条 件，如温度、营养和pH值等，连续培养中，可以在不同级的发酵 罐里设定不同的培养条件，既满足菌体生长有满足产物的得到。例如：用葡萄糖-半乳糖
