[工学]第五章 发酵过程动力学的基本概念

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1、第五章 发酵过程动力学的基本概念 发酵动力学内容v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 v研究内容：包括了解发酵过程中菌体生长速 率、基质消耗速率和产物生成速率的相互关 系，环境因素对三者的影响，以及影响其反 应速度的条件第一节 发酵过程的反应描述及速度概念X S（底物） X（菌体） P（产物）发酵研究的内容：发酵过程反应的描述菌种的来源找到一个好的菌种发酵过程的工艺控制最大限度发挥菌种的潜力发酵过程动力学的基本概念v发酵过程的反应描述及速度概念基质的消耗速度：发酵过程反应速度的描述基质的消耗比速：(g.L-1.s-1)(h-1、s-1)单位时间内

2、单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称 为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念X S（底物） X（菌体） P（产物）发酵过程动力学的基本概念v发酵过程的反应描述及速度概念基质的消耗比速：(h-1)菌体的生长比速：产物的形成比速：(h-1)(h-1)发酵过程反应速度的描述X S（底物） X（菌体） P（产物）发酵过程动力学的基本概念v发酵过程的反应描述及速度概念分批发酵的定义：是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。 在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它 物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。 v 分批发酵的特点：微生物所处的环境在发酵过

3、程中不断变化，其物理， 化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。 v 分批发酵的优缺点优点： v 操作简单； v 操作引起染菌的概率低。 v 不会产生菌种老化和变异等问题缺点：非生产时间较长、设备利用率低 v 分批发酵的生长曲线单细胞微生物的生长曲线发酵过程动力学的基本概念 v微生物生长动力学的基本概念第二节 微生物生长动力学的基本概念 一、微生物在一个密闭系统中的生长情况分批发酵第二节 微生物生长动力学的基本概念 一、微生物在一个密闭系统中的生长情况分批发酵时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期稳定期衰亡期延迟期：指数生长期:倍增时间：td 减速期:稳定期： ;衰亡期:发酵过程动力学的

4、基本概念v微生物生长动力学的基本概念倍增时间（doubling time）：细胞浓度增长一倍所需要的时间(一) 延滞期v把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的最 初一段时间里，尽管微生物细胞的重量有所增加 ，但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞 期v微生物生长动力学的基本概念延滞期细胞特点： v细胞本身面临着一系列的变化，如PH值的改 变、营养物质供给增加等。因而，延滞期的微 生物主要是适应新的环境，让细胞内部对新环 境作出充分反应和调节，从而适应新的环境 v从生理学的角度来说，延滞期是活跃地进行生 物合成的时期。微生物细胞将释放必需的辅助 因子，合成出适应新环境的酶系，为将来的增 殖作

5、准备v微生物生长动力学的基本概念延滞期长短的因素v接种材料的生理状态，如果接种物正处于指数生 长期，则延滞期可能根本就不出现，微生物在新 的培养基中迅速开始生长繁殖，如果接种物在原 培养基中已将营养成分消耗殆尽，则要花费较长 时间来适应新培养基 v培养基的组成和培养条件也可影响延滞期的长短 v接种物的浓度对延滞期长短也有一定影响，加大 接种浓度可相应缩短延滞期v微生物生长动力学的基本概念延滞期长短对发酵结果的影响v种子培养基和培养条件必须合适，只有这样才能 获得高的产量 v接种后延滞期的长短关系到发酵周期的长短，而 与产物形成速率和产率并无必然联系 v实际生产过程中，为缩短发酵周期、提高设备利

6、 用宰、提高体积生产率，就必须尽可能地缩短延 滞期v微生物生长动力学的基本概念延滞期解决途径：延滞期解决途径：v一是尽量选择处于指数生长期的种子 v二是扩大接种量。但是，如果要扩大接种量，又 往往需要多级扩大制种，这不仅增加了发酵的复 杂程度，又容易造成杂菌污染，故而应从多方面 考虑v Back tov微生物生长动力学的基本概念(二)指数生长期v对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间 内其细胞数目将成倍增加 v而对于丝状微生物而言，单位时间内其生物量 将加倍 v此时，如以细胞数目或生物量的对数对时间作 一对数图，将得一直线，因而这一时期称作指 数生长期 v微生物生长动力学的基本概念指数生长期

7、细胞特点v细胞保持均恒生长. v不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质， 并不断向培养基中分泌代谢产物. v由于此时培养基中的营养成分远远过量，且积累 的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖 ，因而微生物的生长速率不受这些因素的影响， 而仅与微生物本身的比生长速率及发酵液中的 菌体细胞浓度X (g/L)相关.v微生物生长动力学的基本概念对于单细胞的微生物来说，还可进一步简化为N培养基中的细胞密度对于特定的微生物而言，其比生长速率只与三个因素有关。 限制性营养物质的浓度S、最大比生长速率m、半饱和常数Ks假定营养物质进入细胞后，立即被利用而不积累，则存在以下 关系式： Ks一一半饱和常数，

8、为 为1/2 m时限制性营养物 质的浓度.v微生物生长动力学的基本概念v如果各种营养物质均大大过量的话，则=m， 这时便是指数生长期。也就是说，处于指数生 长期的微生物,其生长繁殖不受营养物质的限 制，因而具有最大比生长速率。如果发酵的目 的是为了获得微生物菌体的话，则应尽量设法 维持指数生长期. v微生物生长动力学的基本概念指数生长期细胞特点微生物的最大比生长速率在工业上的意义v为保证工业发酵的正常周期，要尽可能地使微生 物的比生长速率接近其最大值 v最大比生长速率不仅与微生物本身的性质有关， 也与所消耗的底物以及培养的方式有关 v限制微生物生长代谢的并不是发酵液中营养物质 的浓度，而是营养

9、物质进入细胞的速度v Back tov微生物生长动力学的基本概念v 培养基中营养物质迅速消耗，有害物逐渐积累，细胞比 生长速率逐渐下降 v 当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关系为Monod方程式v 为细胞比生长速率 (h-1) v S为限制性基质浓度(mol/m3) v Ks为半饱和常数(mol/m3) v Back to(三) 减速期v微生物生长动力学的基本概念(四)稳定期v在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断 被消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在 不断积累。受此影响，微生物的生长速率和比 生长速率就会逐渐下降，直至完全停止，这时 就进入稳定

10、期。 v处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变 ； v但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞 的组成物质还在不断变化。v微生物生长动力学的基本概念v此时，有的细胞开始老化、裂解，形成芽孢，并 向培养基中释放出新的碳水化合物和蛋白质等， 这些物质可以用来维持生存下来的细胞的缓慢生 长. v微生物的很多代谢产物，尤其是次级代谢产物， 是在进入稳定期后才大量合成和分泌的v Back tov微生物生长动力学的基本概念(四)稳定期(五) 衰亡期v在衰亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆 尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开 始死亡 v这时，以生存细胞的数目的对数对时间作半对数 图，可得一直线

11、，这说明微生物细胞的死亡呈指 数比率增加 v在发酵工业生产中在进入衰亡期之前应及时将 发酵液放罐处理 v微生物生长动力学的基本概念二、补料（流加）分批发酵（fed-batch fermentation）v定义：补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发 酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新 鲜培养基的发酵方式 v补料分批发酵的优缺点优点： v 使发酵系统中维持很低的基质浓度 v 和连续发酵比、不需要严格的无菌条件 v 不会产生菌种老化和变异等问题缺点： v 存在一定的非生产时间 v 和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险 v微生物生长动力学的基本概念补料分批发酵的类型 v按补

12、料方式不同可分为： （1）连续流加 （2）不连续流加 （3）多周期流加 v按补料成分的不同可分为： （1）单一组分流加 （2）多组分流加 v按控制方式的不同可分为： （1）反馈控制 （2）无反馈控制二、补料分批发酵v微生物生长动力学的基本概念v定义 培养基料液连续输入发酵罐，并同时放 出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液 量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基 质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体 浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式 v 三、连续发酵v微生物生长动力学的基本概念v连续发酵的优缺点优点：v能维持低基质浓度 v可以提高设备利用率和单位时间的产量 v便于自动控

13、制缺点：v菌种发生变异的可能性较大 v要求严格的无菌条件 三、连续发酵v微生物生长动力学的基本概念v连续发酵的类型1 恒化培养：使培养基中限制性基质的浓度保持恒 定2 恒浊培养：使培养基中菌体的浓度保持恒定三、连续发酵v微生物生长动力学的基本概念四、微生物的生长动力学、Monod方程q 微生物的生长速度：f(s,p,T,pH,)q 在一定条件下(基质限制)：f(S)发酵过程动力学的基本概念v微生物生长动力学的基本概念Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 Monod方程(1949)米氏方程:发酵过程动力学的基本概念 v微生物生长动力学的基本概念v为1/2max时限制性营养物质的浓度：菌体的生

14、长比速S：限制性基质浓度Ks：半饱和常数 max: 最大比生长速度单一限制性基质：就是指 在培养微生物的营养物中 ，对微生物的生长起到限 制作用的营养物.发酵过程动力学的基本概念v微生物生长动力学的基本概念Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或：这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生 长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个 参数。发酵过程动力学的基本概念v微生物生长动力学的基本概念例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l) 6 33 64 153 221 (h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在该培养条件

15、下，求大肠杆菌的max，Ks和td?解：将数据整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3S 6 33 64 153 221发酵过程动力学的基本概念v微生物生长动力学的基本概念max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/Ltdln2/ max0.64 h发酵过程动力学的基本概念v微生物生长动力学的基本概念第三节 产物形成动力学的基本概念一、初级代谢产物和次级代谢产物(p69)次级代谢产物：还有一类产物，对细胞的代谢功能没 有明显 的影响，一般是在稳定期形成，如抗生素、植物激素 、微生物多糖、聚羟基烷酸酯等，这一类化合物称为 次级代谢产物初级代谢产物：微生物合成的主要供给细胞生长的 一类物质。 如单糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸等单 体，这些物质称为初级代谢产物发酵过程动力学的基本概念v产物形成动力学的基本概念次级代谢的调节类型：v 酶合成的诱导调节通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，是 基因水平上的调节，属于粗放调节，间接而缓慢 v 反馈调节：通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的 速率的方式,是酶分子水平上的调节,属于精细调节v 包括次级代谢产物自身反馈抑制和反馈阻遏、分解代 谢产物调节、初级代谢产物调节 To第三节 产物形成动力学的基本概念 一、初级代谢产物和次级代谢产物发酵过程动力学的基本概念v产物形成动力学的基本概念v一条代谢途径