1、第6章 发酵动力学,本章主要内容,分批发酵动力学连续发酵动力学补料分批发酵动力学,发酵过程的反应描述及速度概念,发酵过程动力学研究的基本内容,菌体生长、产物形成、基质消耗动力学的基本概念,反应动力学的应用连续培养的操作特性,什么是发酵动力学？,发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系，定量描述微生物 生长 和 产物形成 过程。主要研究：1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及其转化率、效率等；2、影响发酵动力学参数的各种理化因子；3、发酵动力学的数学模型。,认识发酵过程的规律优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参数，如：基质浓度、温度、pH、
2、溶氧，等等提高发酵产量、效率和转化率等,研究发酵动力学的目的,本章的重要性一条主线： 发酵工艺过程两个重点： 发酵过程的优化与放大三个层次： 分子、细胞、反应器四个目标： 高产、高效、高转化率、低成本主要方法：基于发酵动力学研究来实现,生化反应： aA + bB cC + dD,反应动态平衡 改变条件 破坏平衡,如何能最快最多的获得目的产物,温度,酸碱度,浓度,催化剂,采用反应动力学方法进行定量研究,动力学主要探讨反应速率问题：,发酵动力学研究的几个层次（尺度）,分子层次（酶催化与生物转化）基于关键生化反应（限速步）及其关键酶的动力学特征及其影响因素采用一系列分子水平的方法细胞层次（代谢网络与
3、细胞工厂）基于细胞信号传导、代谢网络、细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现采用一系列细胞水平的方法，包括细胞群体行为分析反应器层次（过程工程）基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应采用一系列优化反应器发酵条件的方法,课程重点：主要针对微生物发酵的表观动力学，通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率，主要包括：细胞生长动力学底物消耗动力学产物合成动力学 重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。 但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达到认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。,发酵动力学研究的基本过程
4、,首先研究微生物生长和产物合成限制因子；建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；确定模型参数； 实验验证模型的可行性与适用范围；根据模型实施最优控制。,第一节 发酵过程的反应描述及速度概念,XS（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,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,XS（底物） X（菌体） P（产物）,基质的消耗比速：,(h-1
5、),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,XS（底物） X（菌体） P（产物）,第二节 发酵反应动力学的研究内容,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,已建立动力学模型的类型,机制模型：,根据反应机制建立,几乎没有,现象模型（经验模型）：,目前大多数模型,能定量地描述发酵过程,能反映主要因素的影响,第三节 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：,延迟期：,指数生长期:,倍增时间：td,减速期:,静止期： ;,
6、衰亡期:,什么是分批发酵？,分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止期）和衰亡期五个时期。,典型的分批发酵工艺流程图,分批发酵过程,t1 t2 t3 t4 t5,分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线,菌体浓度X,时间 t,分批发酵动力学-细胞生长动力学,分批发酵动力学,杀假丝菌素分批发酵动力学分析,杀假丝菌素分批发酵中的葡萄糖消耗、DNA含量和杀假丝菌素合成的变化 。,应用举例,分批发酵的优缺点,优点：操作简单、投资少运行周期短染菌机会减少生产过程、产品质量较易控制缺点：不利于测定过程
7、动力学，存在底物限制或抑制问题，会出现底物分解阻遏效应?及二次生长?现象。对底物类型及初始高浓度敏感的次级代谢物如一些抗生素等就不适合用分批发酵（生长与合成条件差别大）。养分会耗竭快，无法维持微生物继续生长和生产。非生产时间长，生产率较低。,二、微生物的生长动力学、Monod方程,微生物的生长速度： f（s，p，T，pH，,）,在一定条件下(基质限制)： f（S）,Monod研究了基质浓度与生长速度的关系Monod方程（1949）,米氏方程:,：菌体的生长比速 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
8、的营养物。,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。,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，Ks和倍增时间td?,解：将数据整理：,S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 102 153 221,max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L,tdln2/ max
9、0.64 h,Monod方程练习题,在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测定实验数据如下：求：（1）该条件下，大肠杆菌的最大比生长速率max,半饱和常数Ks（2）比生长速率为max时的倍增时间td。,第四节 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,次级代谢产物：由微生物产生的，与微生物生长、繁殖无关的 一类物质。一般是在稳定期形成，如抗生素 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。 如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级 代谢产物。,根据发酵时间过程分析，微生物生长与产物合成存在以下三种关系：与生长相关生长偶联型与生长部分相关生长
10、部分偶联型与生长不相关无关联,分批发酵动力学-产物形成动力学,二、Gaden对发酵的三分类与Pirt方程：,一类发酵 产物的形成和菌体的生长相偶联,二类发酵 产物的形成和菌体的生长部分偶联,三类发酵 产物的形成和菌体的生长非偶联,Pirt方程,a + b,a=0、b0： 可表示一类发酵,a0、b 0： 可表示二类发酵,a=0、b0：可表示三类发酵,相关型,部分相关型,第五节 基质消耗动力学的基本概念,XS（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。,基质的消耗比速：,(h-
11、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,XS（底物） X（菌体） P（产物）,XS（底物） X（菌体） P（产物）+维持,m: 维持消耗系数,YP/s: 产物对基质的理论得率系数,YX/s: 细胞对基质的理论得率系数,物料衡算：,o,第六节 反应动力学的应用 连续培养的操作特性,连续反应器：,流入速度=流出速度=F,反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等,V：反应器内发酵液体积(L)X：反应器内菌体浓度(g/L)So：流加发酵液中基质的浓度(g/L)S：反应器内基质的浓度(g/L)F：补料速度(L/h),什么是连续发酵？,连续发酵概念： 在发酵过
12、程中，连续向发酵罐流加培养基，同时以相同流量从发酵罐中取出培养液。连续发酵特点： 添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生产过程，获得相对稳定的连续发酵状态。连续发酵类型： 单级 多级连续发酵,连续发酵类型及装置 罐式连续发酵 单级 多级串联 细胞回流式 塞流式连续发酵,连续发酵动力学-发酵装置,单级连续发酵示意图,连续发酵动力学-发酵装置-单级,两个及以上的发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出 料作为下一级发酵罐的进料。,连续发酵动力学-发酵装置-多级串联,两级连续发酵示意图,罐式连续发酵实现方法恒浊法：通过调节营养物的流加速度，利用浊度计检测细胞浓度，使之恒定。恒化法：保持某一限制性基质
13、在一恒定浓度水平，使菌的比生长速率保持一定。,多级罐式连续发酵装置示意图,连续发酵动力学-发酵装置-多级串联,a: 再循环比率（回流比） c: 浓缩因子,细胞回流的单级连续发酵示意图,连续发酵动力学-发酵装置-细胞回流式,发酵罐,培养物流出,无菌培养基流入,供给连续接种再循环,d,连续发酵动力学-发酵装置-塞流式,o,物料衡算（连续培养的反应器特性）,对菌体:,稳态,稀释率(D):补料速度与反应器体积的比值(h-1),o,物料衡算（连续培养的反应器特性）,对基质:,稳态,稀释率(D):补料速度与反应器体积的比值(h-1),D,S,x,连续培养操作的模型分析,Dmax时会造成菌体的洗出,连续培养
14、的操作特性,连续培养中，最终在此培养体系中生存下来的微生物都是此时刻对该种底物表现出最大生长的微生物（或一个微生物生态）。,s0,当只有B时建立稳态：,B=D，对应S0,如果引入微生物A：,= A (S0),A D,x增加,s下降,A B下降,BD被洗出,连续培养富集微生物的原理,优缺点,添加新鲜培养基，克服养分不足所导致的发酵过程过早结束，延长对数生长期，增加生物量等；在长时间发酵中，菌种易于发生变异，并容易染上杂菌；如果操作不当，新加入的培养基与原有培养基不易完全混合。,连续发酵动力学-理论,什么是补料分批发酵？,补料分批培养（Fed-batch culture）： 分批发酵过程中补充培养
15、基，不从发酵体系中排出发酵液，使发酵液的体积随着发酵时间逐渐增加 。,概念：在发酵过程中，不连续地向发酵罐内加入培养基，但不取出发酵液的发酵方式。特点：由于培养基的加入，发酵液体积不断增加。,补料分批发酵动力学,半连续发酵概念： 在发酵过程中，每隔一定时间，取出一定体积的发酵液，同时在同一时间间隔内加入相等体积的培养基，如此反复进行的发酵方式。 特点： 稀释率、比生长速率以及其它与代谢有关的参数都将发生周期性的变化。,补料分批发酵动力学,类型,连续流加补料方式 不连续流加 多周期流加 快速流加 恒速流加 变速流加 单一组分补料 多组分补料,流加方式,补料分批发酵动力学,以补加的培养基成分来区分,可以解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应。避免在分批发酵中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。菌体可被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来作为控制细胞质量的手段。与连续发酵相比，补料分批发酵的优点在于：无菌要求低；菌种变异，退化少；适用范围更广。,补料分批发酵动力学,优点,本章小结,了解发酵反应动力学研究的基本内容及其中的基本概念。,掌握MONOD方程，及其参数的求解。,了解连续培养的特性。,典型微生物的生长速度,
