第三章 微生物发酵动力学.ppt

第三章 微生物发酵动力学主要研究微生物发酵（培养）过程中细胞（菌体）生主要研究微生物发酵（培养）过程中细胞（菌体）生 长（繁殖）、产物形成（合成）、基质（底物、营养物）利长（繁殖）、产物形成（合成）、基质（底物、营养物）利 用（消耗）的速度及其相互关系和各种因素的影响用（消耗）的速度及其相互关系和各种因素的影响本章主要内容如下：本章主要内容如下： ● ●发酵动力学分类发酵动力学分类 ● ●分批（间歇）发酵动力学分批（间歇）发酵动力学 ● ●连续发酵动力学连续发酵动力学 ● ●补料分批（半连续）发酵动力学补料分批（半连续）发酵动力学 ● ●工程菌发酵的特点工程菌发酵的特点• 发酵动力学主要研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间而变化的规律用数学模型定量地描述发酵过程中影响细胞生长、基质利用和产物生成的各种因素，是发酵动力学研究的重要方法• 重点：掌握发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产物生长速率及其相互关系，理解比速率的概念￿ 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 • 代谢产物生成动力学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 发酵动力学中常用的几个术语 • 1．得率包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s) 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=ΔX／ΔS• 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一S)• 2．基质比消耗速率(qs ， g(或mo1)／g菌体·h)：系指单位菌体（每克菌体）在单位时间（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• 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2 、比速率 细胞生长比速率： μ=1/X·dX/dt 基质消耗比速率： qS=1/X·dS/dt (ν) 氧消耗比速率： qO=1/X·dO/dt (Qo2) 产物生成比速率: qP=1/X·dP/dt （Qp） 反应热生成比速率：qHv=1/X·dHv/dt（三）、得率系数基质消耗对细胞的得率Yx/s 氧消耗对细胞的得率Yx/o 基质对代谢产物的得率Yp/s在分批培养时，某个时刻的得率系数一般不能视 为常数。

• 4．发酵周期：实验周期是指接种开始至培 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一节 发酵动力学分类●偶联型也称Ⅰ型，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利用速度的变化与产物合成速度的变化是平行的例如，酵母菌在厌氧条件下的酒精发酵和酵母菌的好气生长都属于本类型其底物消耗的速度与菌体细胞合成的速度或产物生成的速度是平行的￿￿●混合型也称Ⅱ型，在发 酵过程中有二个 时间对糖的利用 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 谷氨酸、赖氨酸 等氨基酸发酵和 柠檬酸、衣康酸 等有机酸发酵均 属于这一类型• 例如，使用棒状杆菌进行谷 氨酸发酵时，发酵过程分为 长菌期和产酸期两个底物快 速消耗阶段发酵第一个时 期菌体迅速增殖，产物积累 很少或全无；在第二个时期 光密度OD值稳定，谷氨酸迅 速积累所以，在谷氨酸发 酵中，弄清生长、产物与底 物之间的关系，对稳定地控 制发酵过程显然是很有益的 ￿• 又如，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；然后代谢进入柠檬酸积累的阶段，产物积累数量与利用糖分数量有关，这一过程仅得到少量的能量。

●非偶联型大多数发酵属于此 类，也称Ⅲ型，其 产物是微生物的次 级代谢产物，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 后才开始如青霉 素、链霉素等抗菌 素发酵均属于这一 类型微生物生长动力学 • 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分批培养条件下微生物的生长曲线细胞生长动力学(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• 延迟期如果新培养基中含有较丰富的某种营养物质，而在老环境 中则缺乏这种物质，细胞在新环境中就必须合成有关的酶 来利用该物质，从而表现出延迟期许多胞内酶需要辅酶 或活化剂，它们又是一些小分子或离子，具有较大通过细 胞膜的能力，当细胞转移到新环境时，这些物质可能因扩 散作用从细胞中向外流失，这也是产生延迟期的一个原因 • 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。

延滞期长短的因素• 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 • 培养基的组成和培养条件也可影响延滞期的长短 • 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看图识字？延滞期长短对发酵结果的影响• 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 • 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 • 实际生产过程中，为缩短发酵周期、提高设备利 用宰、提高体积生产率，就必须尽可能地结短延 滞期• 解决途径： • 一是尽量选择处于指数生长期的种子， • 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 考虑二)指数生长期• 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 • 而对于丝状微生物而言，单位时间内其生物量 将加倍 • 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 指数生长期。

指数生长期细胞特点• 细胞保持均恒生长• 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• 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μ 及发酵液中的生物量浓度X(g/L)相关• 细胞浓度随时间呈指数生长，单位细胞的生长速率达到并保 持最大值，单一细胞的重量、单位重量细胞的脱氧核糖核酸 、核糖核酸含量均恒定此阶段的细胞分裂繁殖最为旺盛，生理活性最高，因此在工 业微生物反应中，常转接处于指数生长期中期的细胞，以保 证转接后细胞能迅速生长，微生物反应能快速进行dX/dt=μ·X ， 其中X(g/L) ，t(s)，μ(s-1)， μ＝μm 代时（ td ，倍增时间，增代时间）：细胞浓度增 长一倍所需时间td=ln2/ μm =0.693/ μm种类细菌酵母霉菌哺乳动物细 胞植物细胞代时 (h)0.25-1 1.15-2 2-6.915-10024-74N—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μ只与三个因素有关限 制性营养物质的浓度、最大比生长速率μm、底物相关常数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一一底物相关常效，为μ为 1/2μm时限制性营养物质的浓度 • 如果各种营养物质均大大过量的话，则μ=μm ，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 • 最大比生长速率在工业上的意义 • 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 • 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 • 限制微生物生长代谢的并不是发酵液中营养物 质的浓度，而是营养物质进入细胞的速度 (三)稳定期• 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 • 处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变 ； • 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• 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。