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1、第二节 微生物发酵动力学一、发酵动力学概论v1. 发酵动力学研究的内容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。v具体包括v细胞生长和死亡动力学v基质消耗动力学v氧消耗动力学vCO2生成动力学v产物合成和降解动力学v代谢热生成场动力学v以上各方面不是孤立的，而是既相互依赖又相互制约 ，构成错综复杂、丰富多彩的发酵动力学体系2. 研究发酵动力学的目的v（1）以发酵动力学模型作为依据，合理设计的发酵过程，确定最佳发酵工艺
2、条件v（2）利用电子计算机，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺参数，确立发酵过程中菌体浓度、基质 浓度、温度、pH、溶氧等工艺参数的控制方案，从而使生产控制达到最优化，v（3）在此研究基础上进行优选，为试验工厂数据的放大、为分批发酵过渡到连续发酵提供理论依 据。3. 相关术语v（1）得率(或产率，转化率，Y)：v是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。包括生长 得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。v生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生 的菌体重(g) 。v产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或 mol数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的
3、基质数量，即投入的基数减去残留的基质量。 v 转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。v(2) 比速率v基质比消耗率（mol/gh）系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的比率。表示细胞对营养物质利用 的速率或效率。v菌体比生长率（mol/gh）系指每克菌体在一小时内增加菌体的比率。表示细胞的繁殖速率。v产物比消耗率（mol/gh）系指每克菌体在一小时内合成产物的比率，它表示细胞的生产能力或合成 产物的速度，可以作为判断微生物合成代谢产物的 效率。v (3) 发酵周期v实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。v工业生产周期，计算劳动生产率时则应把发酵罐的清 洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间
4、计算在内，以反映 发酵设备的利用效率。即从第一罐接种经发酵结束至 第二次接种为止这段时间为一个发酵周期。二、微生物发酵动力学1. 微生物生长曲线 微生物生长包括细胞体积增大和细胞数量增加 典型单细胞微生物的生长曲线如下图(1) 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。(2) 对数生长期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 半对数图，将得一直线，因而这一时期称作指数 生
5、长期。 (3) 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。(4) 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，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。2. 微
6、生物生长动力学v（1）Monod方程式vMonod方程式是应用最普遍的微生物生长方程式，其曲线、方程如下v 比生产率，1/hv m 最大比生产率，1/hv Ks饱和常数，g/ Lv m S生长限制基质浓度，g/Lvm/2 v v Ks sv由图可知， 饱和常数Ks是比生长率达最大比 生长率 m值一半时的生长限制基质浓度。vs ，理论上 m vMonod方程式适用于条件v适用于单一基质限制及不存在抑制性物质的情况 ，其他营养是过量的，且没有抑制物的生成。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
7、计算出Monod方程的两个 参数。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求在该培养条件下，求大肠杆菌的max，和Ks?解：将数据整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3S 6 33 64 153 221max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L（2） 细胞死亡动力学v微生物在培养过程中，由于基质的限制，部分细胞会发生 死亡和自溶，其死亡曲线、方程如下v d d 细胞比死亡率，1/hv dm d m 最大细胞比死亡率，1/h v K d 细胞死亡常
8、数，g/ L v dm /2v K d s三、发酵过程动力学模拟v1. 分批发酵v发酵工业中常见的分批方法是采用单罐深层培 养法，每一个分批发酵过程都经历接种，生长 繁殖，菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产 物。v分批式操作将全部物料一次装入罐内，在适宜 条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部 发酵醪液一次放出操作类型。v特点：v可进行少量多品种的发酵生产；v发生杂菌污染能够很容易终止操作；v当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易 改变对策；v对原料组成要求较粗放v分批发酵整个发酵过程的x，n，p，s随发酵 时间t的变化，其动力学模拟如下图s - 基质曲线x - 菌体曲线p - 产物曲线n
9、 - 氮源浓度曲线 v2.分批补料发酵（也称流加式操作）v是先投入一定量底物装入罐内，到发酵过程的适当时期， 开始连续补加碳-能源/氮源/其他基质，使发酵过程中，限制性底物浓度在罐内保持一定；发酵液体积达到最大工作 体积时，终止发酵，醪液一次全部取出的发酵方法，介于 分批发酵与相连续发酵之间的一种发酵技术，在发酵工业 中普遍应用。v适用范围v分批补料发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷 酸、有机酸及高聚物等的生产。v优点：v与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中 维持很低的基质浓度，以便除去快速利用碳源的 阻遏效应；v避免培养基积累有毒代谢物；v能较长时间维持活菌体的浓度，延长生产时
10、间；v改善发酵醪液的流体性质，降低粘度；v减缓供氧的矛盾，增加溶氧；v减轻设备负荷；v分批补料发酵过程生产阶段菌体浓度、生长限制 基质浓度s、产物浓度、产率Rp （dp/dt）和发 酵液的体积V随时间t的变化曲线产物产物 曲线曲线体积体积 曲线曲线菌体菌体 曲线曲线基质基质 曲线曲线产率产率 曲线曲线t tS S、x x、V V p p、R Rp pv3.反复分批补料发酵v是在分批补料发酵的基础上，每个一定时间按 比例放出一部分发酵液，是发酵液的体积始终 不超过发酵罐的最大工作体积的发酵方法。v反复分批补料发酵理论上可以无限延长发酵周 期，直到发酵产率明显下降，才最后将发酵液 一次全部放出。这
11、种操作既保留了补料分批发 酵的优点，又避免了它的缺点，发酵工业很普 遍。v反复分批补料发酵分为三个阶段：v简单分批操作的生长阶段；v补料分批的生长阶段；v反复补料分批的生长阶段。v前两个阶段的模拟与补料分批发酵完全 一样，第三阶段是补料分批操作的不断重 复。v反复分批补料发酵过程生产阶段菌体浓度、生长限制基质浓度s 、产物浓度、产率Rp （dp/dt）和发酵液的体积V随时间t的变化曲线产物曲产物曲 线线p p体积曲体积曲 线线v v菌体曲菌体曲 线线x x基质曲基质曲 线线s s产率曲产率曲 线线R Rp pt tS S、x x、V V p p、R Rp pv4. 连续发酵v连续发酵是一个开放
12、系统，通过连续流加 新鲜培养基的同时，以相同的速率排出发 酵液；从而维持罐内的恒定的生长环境， 保持微生物细胞稳定的生长状态，发酵参 数变量（如营养物质浓度、产物浓度、 pH值，以及微生物细胞的浓度、比生长速率）达到恒定值的发酵方法。v包括恒化器发酵和恒浊器发酵v优点v连续发酵生产过程比较稳定、均衡，各 项参数也较恒定，品质量稳定。v连续发酵采用管道化和自动化生产，明 显降低劳动强度。 v连续发酵减少发酵设备的清洗、投料、 消毒等辅助时间，提高了设备利用率和 劳动生产率。 v灭菌次数少，延长检测探头的使用寿命v便于过程优化控制，有效提高发酵效率v缺点v仪器、设备及控制元件技术要求高，投资成本高v发酵周期长，易染菌v菌种易变异，易退化，从而降低产率v丝状菌体易结团，粘壁，不利发酵v基质利用率低v主要应用于研究，工业生产应用不多。目前仅在 些比较简单的发酵产品中应用，如酵母，单细胞蛋 白，酒精发酵、丙酮乙醇、石油脱蜡、活性污泥废 水处理等
