生物工艺学

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1、生物工艺学,主讲：河南大学生命科学学院 杨生玉 E-mail: ,第九章 生物反应动力学 及过程分析,第一节 微生物反应过程概论,一、微生物反应过程的主要特征 微生物是该反应过程的主体：是生物催化剂，又是一微小的反应容器。 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系。酶能够进行再生产。,微生物反应是非常复杂的反应过程（1）反应体系中有细胞的生长，基质消耗和产物的生成，有各自的最佳反应条件。 （2）微生物反应有多种代谢途径。 （3）微生物反应过程中，细胞形态、组成要经历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同菌龄，有不同的活性。,二、微生物反应动力学的描述方法,细胞生长动力学 反应基质消耗动力学 代谢

2、产物生成动力学 发酵过程：包括细胞内的生化反应，胞内与胞外的物质交换，胞外物质传递及反应。,发酵过程特点,多相：气相、液相和固相 多组分：培养基中多种营养成分，多种代谢产物，细胞内也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。 非线性：细胞代谢过程用非线性方程描述。 复杂群体的生命活动,反应动力学描述的简化,动力学是对细胞群体的动力学行为的描述 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值，在此基础上建立的模型称为确定论模型，如果考试每个细胞之间的差别，则建立的模型为概率论模型。 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做为过程变量。菌体视为单组

3、分的模型为非结构模型，通过物料平衡建立超经验或半经验的关联模型。,如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为均衡生长。 如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加比例不同，称为非均衡生长。生长模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构模型。 将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。 如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化模型。,非结构模型,结构模型,确定论模型,最理想情况 不考虑细胞内部结构 各种细胞均一 细胞群体做为一种溶质 A,细胞之间无差异，是均一的，细胞内有多个组分存在。B,均衡生长,概率论模型,不考虑细胞内部结构 各种细胞不均一 C,实

4、际情况： 细胞内多组分； 细胞之间不均一 D,均衡生长,对细胞群体的描述模型,发酵动力学中常用的几个术语,1得率(或产率，转化率，Y)：包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。 得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。 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)，即Yx/s=X/S。,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基质数量，即投入的基数减去残留的基质量(S。-S)。 转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。,提高微生物生长得率的措施,首先，要筛选优良的菌种，其

5、本身就应具备高的生长得率。 其二，要选择合适的培养基配方，提供略微过量的其它营养物质，使碳源成为最终的限制性物质。 其三，还须选择和控制合适的培养条件，使得微生物的代谢按所需方向进行。 另外，在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染。,2基质比消耗速率(qs ，g(或mo1)g菌体h)：系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。,3产物比生产速率(qp，g(或mo1)g菌体h)：系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速度或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。4发酵周期：实验周期是指接种开始至培

6、养结束放罐这段时间。但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌、冷却等辅助时间也计算在内。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，这样才能正确反映发酵设备的利用效率。,工业发酵的技术经济指标,一、容量产率和产物形成的比速率 容量产率指的是单位时间内单位反应器容积的产物。 计算产率时，不仅应把合成产物所用时间考虑进去，还应计入与生产相关的其他时间，即发酵罐的维修、清洗、准备所用时间，灭菌时间，以及接种后的延滞期时间，这样才能全面、客观地评估出工艺过程的成本效益。,分批发酵的容量产率,产物形成曲线的切线表示的是最大容量产率；连接原 点和产物形成曲线终点的

7、连线其斜率表示的是总的平均容量产率。,研究发酵动力学的步骤,1. 为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。 2. 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。 3. 建立各种数学模型以描述各参数随时间变化的关系。 4. 通过计算机的在线控制，反复验证各种模型的可行性与适用范围。,发酵动力学的研究内容,主要包括：细胞生长和死亡动力学，基质消耗动力学，氧消耗动力学，CO2生成动力学，产物合成和降解动力学，代谢热生成动力学等。 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。,过程控制和监测

8、,Sugar consumption,pH,Temperature,Fermentation time (h),Agitation,Cell Dry Weight,Product,发酵动力学内容及目的,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。 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。,研究发酵动力学的目的,（1）确定最佳发酵工艺条件 （2）建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 （3）可在此研究基础上进行优选。,发酵动力学的作用,要进行

9、合理的发酵过程设计，必须以发酵动力学模型作为依据。 目前国内外正利用电子计算机，根据发酵动力学模型来设计程序，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺参数，从而使生产控制达到最优化。 发酵动力学的研究正在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。,第二节 发酵动力学分类,一、根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类,细胞浓度(x)或产物浓度对时间作图时，两者密切平行，其最大的比生长速率和最大的产物合成比速率出现在同一时刻。一般来说在这种类型的发酵生产中，控制好最佳生长条件就可获得产物合成的最适条件。,1生长产物合成偶联型：也称型。这种发酵类型的特点是： 微生物的生长和糖的利用与产物合成直

10、接相关连。 产物的形成与生长是平行的。 产物合成速度与微生物生长速度呈线性关系，而且生长与营养物的消耗成准定量关系。 这种类型的产物主要是葡萄糖代谢的初级中间产物，如乙醇发酵就属于此类型。,2生产与产物合成非偶联类型：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速率很难与生长相联系。产物合成速度与碳源利用也不存在定量关系。 一般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，此时比生长速率已不处于最高速率。,3生长产物合成半偶联类型：亦称型。它是介于生长产物合成偶联型与生长产物合成非偶联之间的中间类型，产物的合成存在着与生长相联和不相联两个部分。 该类型的动力学产

11、物合成比速率的最高时刻要迟于比生长速率最高时刻的到来。,二、根据产物形成与基质消耗的关系分类,(1)类型 产物的形成直接与基质(糖类)的消耗有关，这是一种产物合成与利用糖类有化学计量关系的发酵，糖提供了生长所需的能量。糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的，如利用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长。 在厌氧条件下，酵母菌生长和产物合成是平行的过程；在通气条件下培养酵母时，底物消耗的速度和菌体细胞合成的速度是平行的。这种形式也叫做有生长联系的培养。,(2)类型 产物的形成间接与基质(糖类)的消耗有关，例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。 即微生物生长和产物合成是分开的，糖分既供应生长所需能量，又充作产物合成

12、的碳源。 但在发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅速，一个是最高生长时期，另一个是最大产物合成时期。 如在用黑曲霉生产柠檬酸的过程中，发酵早期糖被用于满足菌体生长，直到其他营养成分耗尽为止；然后代谢进入使柠檬酸积累的阶段，产物积累的数量与利用糖分数量有关，这一过程仅得到少量的能量。,(3)类型 产物的形成显然与基质(糖类)的消耗无关，例如青霉素、链霉素等抗生素发酵。 即产物是微生物的次级代谢产物，其特征是产物合成与利用碳源无准量关系。产物合成在菌体生长停止及底物被消耗完以后才开始。此种培养类型也叫做无生长联系的培养。,三、根据反应形式分类,(1)简单反应型 营养成分以固定的化学量转化为产物，没

13、有中间物积聚。又可分为有生长偶联和无生长偶联两类。(2)并行反应型 营养成分以不定的化学量转化为产物，在反应过程中产生一种以上的产物，而且这些产物的生成速率随营养成分的浓度而异，同时没有中间物积聚。,(4)分段反应型 其营养成分在转化为产物之前全部转变为中间物，或营养成分以优先顺序选择性地转化为产物。反应过程是由两个简单反应段组成，这两段反应由酶诱导调节。(5)复合型 大多数发酵过程是一个联合反应，它们的联合可能相当复杂。,(3) 串联反应型 是指在形成产物之前积累一 定程度的中间物的反应。,第三节 微生物生长动力学,微生物培养过程根据培养条件要求分为好氧培养和厌氧培养。 好氧发酵有液体表面培

14、养，在多孔或颗粒状固体培养基表面上培养和通氧深层培养几种方法。 厌氧发酵采用不通氧的深层培养。 无论好氧与厌氧发酵都可以通过深层培养来实现，这种培养均在具有一定径高比的圆柱形发酵罐内完成。,(1)分批式操作 底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。 (2)半分批式操作 也称流加式操作。是指先将一定量底物装入罐内，在适宜条件下接种使反应开始。反应过程中，将特定的限制性底物送入反应器，以控制罐内限制性底物浓度保持一定，反应终止取出反应系。 (3)反复分批式操作 分批操作完成后取出部分反应系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作进行。,(4)反复半分批式操作 流加

15、操作完成后，取出部分反应系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作进行。 (5)连续式操作 反应开始后，一方面把底物连续地供给到反应器中，另一方面又把反应液连续不断地取出，使反应条件不随时间变化。,一、分批发酵法,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。 这一过程中在某些培养液的条件支配下，微生物经历着由生到死的一系列变化阶段，在各个变化的进程中都受到菌体本身特性的制约，也受周围环境的影响。,分批发酵的特点,微生物所处的环境是不断变化的 可进行少量多品种的发酵生产 发生杂菌污染能够很容易终止操作. 当运转条

16、件发生变化或需要生产新产品时，易改变处理对策 对原料组成要求较粗放,分批培养过程中细菌生长曲线：可分为调整期、对数生长期、平衡期和衰亡期四个阶段。 研究细胞的代谢和遗传宜采用生长最旺盛的对数生长期细胞。 在发酵工业生产中，使用的种子应处于对数生长期，把它们接种到发酵罐新鲜培养基时，几乎不出现调整期，这样可在短时间内获得大量生长旺盛的菌体，有利于缩短生产周期。 在研究和生产中，时常需要延长细胞对数生长阶段。,分批培养条件下微生物的生长曲线,(一) 延滞期,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。,延滞期细胞特点： 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。 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，为将来的增殖作准备。,