《发酵工程—5微生物反应动力学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发酵工程—5微生物反应动力学（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、九 、微生物反应动力学概述发 酵 工 程 微生物反应动力学微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌 种本身的性能，而且要赋以合适的环境条 件才能使它的生产能力充分表达出来。为 此我们必须通过各种研究方法了解有关生 产菌种对环境条件的要求，深入地了解生 产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以 及可能的代谢途径，为设计合理的生产工 艺提供理论基础。一、发酵类型发 酵 工 程 微生物反应动力学根据培养中过程中菌体的生长，发酵参数（ 培养基，培养条件等）和产物形成速率三者 间的关系将发酵过程划分为不同的类型。分批发酵类型分为： 第一类型 第二类型 第三类型分批发酵：在一封闭系统内含有初始限量基 质的发酵方式
2、。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。一、发酵类型发 酵 工 程 微生物反应动力学产物直接来源于初级代谢，菌体生长与 产物形成不分开。例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵第一类型（生长关联型）一、发酵类型发 酵 工 程 微生物反应动力学一、发酵类型发 酵 工 程 微生物反应动力学第二类型（部分生长关联型）产物也来源于能量代谢所消耗的基质（与碳 源消耗部分关联在一起），但其形成在菌体 增殖的后期； 生长出现两个峰； 例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。一、发酵类型发 酵 工 程 微生物反应动力学一、发酵类型发 酵 工 程 微生物反应动力
3、学第三类型（非生长关联型）产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体 利用中间代谢反应来形成的，即产物的形 成和初级代谢是分开的。 如抗生素发酵。一、发酵类型发 酵 工 程 微生物反应动力学一、发酵类型发 酵 工 程 微生物反应动力学分批发酵的分类对发酵实践具有指导意义如果生产的产品是生长关联型（如菌体与 初级代谢产物），宜采用有利于细胞生长 的培养条件，延长与产物合成有关的对数 生长期； 如果产品是非生长关联型（如抗生素）， 则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量 的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学发酵动力学： 研究发酵过程变量在活细胞的作用下的变
4、 化规律，以及发酵条件对这些变量变化的 影响，并以数学语言进行描述。分批发酵动力学二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学研究发酵动力学的目的通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调 控方式； 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的 工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势； 控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学发酵动力学研究的具体内容1. 微生物生长，死亡动力学； 2. 基质消耗动力学； 3. 产物合成动力学；二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学发酵动力学涉及的常规参数二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学细胞生
5、长的比速率 ：底物消耗的比速率qs产物形成的比速率qp：二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学丝状真菌和放线菌生长曲线 延迟期 对数生长期 静止期 减数期 衰亡期二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学细胞生长动力学模型在一个间隙培养的周期中，对数期是菌体 增殖的主要时期；在讨论微生物生长动力 学时，以生长曲线的对数期为基础建立其 生长模型。二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学在对数生长期，菌体生长比速为常数：在t0时，菌体浓度为X0；t1时，为X1，则（2） 式变为：二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物
6、反应动力学当 X 2X0 时，即细胞通过分裂繁殖一代， 数量增加一倍所用的时间叫世代时间或倍增 时间，用 td 表示。则：该式即是微生物在对数生长期的增殖模式二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学因菌体所处的环境条件而改变；环境的恶 化，菌体增殖进入减数期。1949年，莫诺发现细菌的比生长速率与单一 限制性基质之间存在一定关系；借助郎格谬 尔方程，莫诺建立了被称为莫诺方程的经验 公式：二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学该式中 max 称为最大比生长速率，是在 S KS，且其他成分保持不变的情况下取得的 ; S 是限制性底物浓度。由该式可知，当1/2max 时，有KS
7、= S；所 以，莫诺常数KS 的意义：当微生物的生长速 率等于最大比生长速率的一半时的底物浓度 ；KS 表示微生物对底物的亲和力。二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学当 S 时，m，说明 m只是理论上的 最大生长潜力，实际上是不可能达到的。二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学基质消耗动力学基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成 分，其消耗分为三个方面：细胞生长，合成新细胞；细胞维持生命所消耗能量的需求；合成代谢产物。二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学Yi/j是化学计量学中一种非常重要的参数，常用于对碳源等底物形成菌体或产物的潜力进 行评价，其中i 表
8、示菌体或产物，j 表示底物如，菌体对底物的得率系数可表示为得率系数(Yi/j)二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学代谢产物的得率用Yp/s表示： 用YG 表示菌体的理论得率： 用YP 表示代谢产物的理论得率： 二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学基质消耗速率： 在微生物反应中，碳源的用途主要消耗于：满足菌体生长消耗，用(S)G表示； 维持微生物生存的消耗，用(S)m表示； 合成代谢产物的消耗，用(S)P表示； 则碳源衡算式为： 二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学根据得率表达式结合碳源衡算式，得 ：式中：m为碳源维持常数 二、分批发酵动力学发 酵 工
9、程 微生物反应动力学于是 r ：基质消耗比速 二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学就 r 与的关系来看，该式是一条直线方 程，其截距为碳源维持常数 m，其斜率 为 1/YG在以微生物细胞为目的的培养过程中， 代谢产物的积累可以忽略不计，这样上 式就可简化为： 二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学m r（mol/g.h） （h-1） 斜率1/YG 对 r 作图二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学产物合成动力学产物的合成（指除细胞以外的产品），特 别是次级代谢产物的生物合成是一个非常 复杂的过程，目前大多数研究只限于以宏 观过程变量描述的模型，应用上有一定
10、的 局限性。二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学类型也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸 、乳酸）产物生成速率为二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学类型也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基 酸）产物生成速率为 与生长关联的细胞生产能力 非生长关联的生长比速二、分批发酵动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学类型也称为非偶联模型（抗生素、酶 、维生素、多糖）产物生成速率为P 产物失活常数三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学连续培养动力学连续培养方法是 1949 年由莫诺首先 提出和建立起来的；连续培养是针对 间隙（分批）培养而言的，即以一定 速率不断向混合均匀的发酵罐
11、中供给 新鲜的培养基，同时等量的排出发酵 液，维持发酵液量一定的培养方法。三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学分批发酵中，微生物处于连续变化的 环境中，菌体不能长期处于旺盛的发 酵期，发酵设备利用率低(非生产周 期长)，单位体积时间的产物量也较 少。三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学连续发酵中，微生物的生长代谢活动 保持旺盛的稳定状态，而 pH、营养 成分、溶解氧等都保持恒定，并从系 统外部予以调控。这样就大大提高了 设备利用率。与分批发酵相比较，连续发酵具有单 位产量的反应器容积小，人工费用低 ，产品质量稳定及发应速率容易控制 的优点。三、连续培养动力学发 酵
12、工 程 微生物反应动力学连续培养方法 从设备分类、从控制 方法分类、从菌种循环角度分类、从 培养级数分类三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学恒化器 具有恒定化学环境的反应器;恒化指 明了操作的稳定状态特征。恒化器的基本操 作模式如下图。单级连续培养三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学对于菌体：积累的细胞（进入-流出）的细胞 +（生 长-死亡）的细胞三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学因流入反应器的菌体浓度 x0 为零； ；培养液体积不变；F/V 单位体积培养液的流率，用稀释 率 D 来描述，表示反应器中物料更新 程度，是连续培养中的一个重要的参数 ;稀
13、释率的倒数就是物料在反应器中的 平均停留时间。三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学对于恒化器而言，因菌体浓度处于恒定状态 ，所以：三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学这表明，在一定范围内，人为地调节培养基 的流加速度，可以使细胞按照所希望的比生 长速率来生长。三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学对于限制性底物： 积累底物（流进-流出）-（生长+产 物+维持）所消耗的底物三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学产物形成量很小，可以忽略，这样，在恒定 状态下三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物
14、反应动力学对于产物形成：积累的产物（生成-流出）的产物三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学在恒定条件下：三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学上面的几个平衡式即是单级恒化器在达到平 衡时的基本特征，式中均涉及到稀释率。稀释率与细胞浓度、营养物质浓度之间存在 相互关系的关系。三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学连续培养中，变量很多，如 x、S、D及等 ，但这些变量中D是最基本的变量，这不仅 因为D可以通过加料量 F 而任意调节，更重 要的D一旦变化，就会引起 x、S、等一系 列变化，直至达到新的稳定状态。 三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学
15、教材 9-32、9-35式分别表示了 S 和 x 对培养 基流速（也就是 D）的依赖关系：当流速低，即 D 较小时，营养物质全部被 细胞利用，S 0，细胞浓度 x = S0Yx/s ；三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学如果D增加，开始x呈线性慢慢下降，然后 ，当Dmax时，x下降到 0 ；开始时，S随 D的增加而缓慢增加，当Dmax时，SS0 ；x0表示反应器中的菌体通过稀释被“清 洗出罐”，此时的稀释率定义为临界稀释率 Dc：三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学XSDXD(1/h)X，DX（g/L）S（g/L）DX1234500246810D0；x 达最大值,S
16、 最小。 D增大，S 增大，x减 少，直至最 后x=0三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学XSDXD(1/h)X，DX（g/L）S（g/L）DX1234500246810清洗点 ： D max 时 ，S迅速增大 到S0，x迅速 下降到0 。三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学三、连续培养动力学发 酵 工 程 微生物反应动力学可见，单级恒化器连续培养菌体的稳态操作 必须有DDc；如果DDcrit ，反应器中的菌体终将被冲出；如果 D 只稍微低于 Dc ，那么整个系统对外 界环境的变化是非常敏感的，随D的微小变 化，x 将发生巨大的变化。三、连续培养动力学发 酵 工 程
