第三章微生物发酵动力学1讲解学习.ppt

第三章 微生物发酵动力学主要研究：主要研究： 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；发酵动力学分类发酵动力学分类 影响发酵动力学参数的各种理化因子； 发酵动力学的数学模型分批（间歇）发酵动力学；连续发分批（间歇）发酵动力学；连续发酵动力学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 研究对象：菌体生长、基质消耗、产物生成三者间的动态平衡及内在规律 研究目的：为最佳发酵条件控制提供依据 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、溶氧，等等 提高发酵产量、效率和转化率等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 l 首先研究微生物生长和产物合成限制因子；l 建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；l 确定模型参数； l 实验验证模型的可行性与适用范围；l 根据模型实施最优控制 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第一节 分批发酵动力学 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细胞生长动力学基质消耗动力学产物形成动力学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 1.1 细胞生长动力学 在细胞生长的过程中，包含两个相互作用的系统：分批发酵动力学-细胞生长动力学 微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细胞数量在单位时间内的增加量来表示（、n）：或或X细胞浓度（g/L）；N细胞个数； t生长时间；X0、Xt初始微生物浓度和t时细胞浓度；N0、Nt初始细胞个数和t时细胞个数； 以细胞浓度表示的比生长速率； 以细胞数量表示的比生长速率。

比生长速率指数生长方程分批发酵动力学-细胞生长动力学分批发酵动力学-细胞生长动力学分批发酵动力学-细胞生长动力学，又称停滞期、调整期、适应期，又称停滞期、调整期、适应期llag: x不变 t1 t2 t3 t4 t5 现象： 活菌数没增加，曲线平行于横轴 特点：生长速率常数= 0；细胞形态变大（长）；细胞内RNA特别是rRNA含量增高；合成代谢活跃，易产生诱导酶；对外界不良条件敏感 原因： 适应新的环境条件，合成新的酶，积累必要的中间产物 影响延迟期长短的因素：菌种接种物菌龄(对数生长期)接种量(大，易形成优势)培养基成分(合成与天然培养基)分批发酵动力学-细胞生长动力学lexp:(假定无抑制作用存在)lDecline（开始出现一种底物不足的限制）: (1)若不存在抑制物时 Monod 模型: 分批发酵动力学-细胞生长动力学减速期式中: S限制性基质浓度，mol/m3Ks底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生物对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力越小， 越小 当S较高时，(对数期满足S10Ks)，此时，= m 当S较低时，(减速期， S10Ks)，此时S， 减速期， 分批发酵动力学-细胞生长动力学比生长素率限制性底物残留浓度St 残留的限制性底物浓度对微生物 比生长率的影响 表征与培养基中残留的生长限制性底物St的关系 Monod方程： Ks底物亲和常数，等于处于1/2m时的底物浓度，表征微生物对底物的亲和力，两者成反比。

酶促反应动力学米氏方程：受单一底物酶促反应限制的微生物生长动力学方程Monod方程： Monod方程应用：测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值）；实验确定适于微生物生长的最佳底物；比较不同底物发酵最终残留的大小；比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培养的稀释率lStationary: （浓度最大）分批发酵动力学-细胞生长动力学 ldying: 分批发酵动力学-细胞生长动力学(比死亡速率 ，s-1)分批发酵动力学l 假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则微生物生长动力学可用阶段函数表示如下： 0 x0 （0tt1) m x0e m t (t1tt2) = x= x0e m(t2-t1) e t (t2tt3) 0 xm (t3tt4) -a xme -a t (t4tt5)其它模型1l在无抑制作用情况下（但有底物限制存在） 分批发酵动力学-细胞生长动力学式中n为常数 x为细胞浓度l培养液中有抑制物的情形 高浓度基质抑制存在的情况下 式中，Kis为抑制常数，抑制作用越强，Kis越小 分批发酵动力学-细胞生长动力学其它模型2 高浓度产物抑制的情况下 线性 指数 产物积累一定量才有抑制作用分批发酵动力学-细胞生长动力学其它模型2其中：k，k1，k2为常数分批发酵中初始底物浓度对稳定期菌体浓度的影响 AB区：菌体浓度与初始底物浓度成正比，有： X为菌体浓度， 为针对底物的细胞得率，初始X0为零；S0为底物初始浓度；St为底物残留浓度。

BC区：随S0增加，菌体浓度达最高水平，再增加S0 ，菌体不再增加 C区：菌体活性受初始高浓度底物及高渗作用抑制，菌体浓度与初始底物浓度成反比 高浓度底物抑制的情形l 当培养基中存在多种限制性营养物时， Monod方程应改为？分批发酵动力学例 题1、在一定条件下培养大肠杆菌，测得数据如下： 求：该培养条件下，大肠杆菌的最大比生长速率m， 饱和常数Ks，倍增时间td解：依据方程s/=Ks/m+1/mS(莫诺方程变形)，分别采用图解和回归法求解 计算与表中S相对应的S/分别为：110、108、137.5、129、148.8、192.5、203.3、231.8、246.4、311.3、287.7对S/S作图 由图中可得出斜率K为0.95，截距C为90， 又，m=1/K，Ks/m=C得m=1.05h-1 Ks=95mg/L=0.095g/L由方程 td=ln2/m=0.693/m，得td=0.66hl 得率系数 指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量其大小取决于生物学参数（,x ）和化学参数（DO、C/N、磷含量等） （1）生长得率系数 Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克营养物、每克分子氧以及每千卡能量所生成的细胞克数； Yx/c、 Yx/N、 Yx/p、Yx/Ave- ：消耗每克C、每克N、每克P和每个有效电子所生成的细胞克数； Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。

1.2-基质消耗动力学 消耗每克营养物（s）或每克分子氧(O2)生成的产物(P)、ATP或CO2的克数分批发酵动力学-基质消耗动力学（2） 产物得率系数： ： 定义：表观得率 专一性得率 *专一性用于生长的底物量S不含用于维持能耗及产物形成部分的用量分批发酵动力学-基质消耗动力学 基质消耗速率与生长、合成关系如下： 表观： 专一性： 分批发酵动力学-基质消耗动力学为了扣除细胞量的影响，定义：基质比消耗速率 产物比生成速率 分批发酵动力学-基质消耗动力学=若生长阶段产物生成可以忽略，即 分批发酵动力学-基质消耗动力学则，1/Yx/s1/ 1/YGml 图解法求微生物的本征参数YG和m分批发酵动力学-基质消耗动力学 若生产阶段微生物生长可以忽略，即分批发酵动力学-基质消耗动力学=则，l 图解法求微生物的本征参数Yp和m1/Yp/s1/qpm1/YP 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：l 与生长相关生长偶联型l 与生长部分相关生长部分偶联型l 与生长不相关无关联1.3-产物形成动力学相关型部分相关型非相关型产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图 与生长相关生长偶联型：乙醇发酵 产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直接结果，菌体生长速率的变化与产物生成速率的变化相平行。

分批发酵动力学-产物形成动力学与生长部分相关生长部分偶联型：乳酸、柠檬酸、氨基酸发酵 产物间接由能量代谢生成，不是底物的直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的主流产物（与初生代谢紧密关联） 分批发酵动力学-产物形成动力学与生长不相关无关联：抗生素发酵 （次级代谢物）若考虑到产物可能存在分解时，则产物生成与能量代谢不直接相关，通过细胞进行的独特的生物合成反应而生成 分批发酵动力学-产物形成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 l 应用举例分批发酵的优缺点v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v缺点：不利于测定过程动力学，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 l 连续发酵：在发酵过程中，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 多级连续发酵第二节 连续发酵动力学（一）连续发酵类型及装置（二）连续发酵动力学模型1.单级恒化器连续发酵2.多级恒化器连续发酵3.进行细胞回流的单级恒化器连续发酵（三）连续发酵动力学理论的应用 主要内容l 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l 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l 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在一恒定浓度水平，使菌的比生长速率保持一定培养基输入培养基进入下一级发酵罐培养基进入后处理或到下一级发酵罐 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 定义： 稀释率 D=F/V (h-1) F流量（m3/h） V培养液体积（m3） 理论停留时间 连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵l 细胞的物料衡算（和D的关系）对于单级恒化器：X0 =0 且通常有： 连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵积累的细胞（净增量） = 流入的细胞-流出的细胞+生长的细胞-死亡的细胞连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵A.稳定状态时， 此时 =D（单级连续发酵重要特征）B.不稳定时，当D，积累的营养组分=流入量-流出量-生长消耗量- 维持生命需要量-形成产物消耗量稳态时， =0,一般条件下,mx DC ，则会出现：DDC 由 可知 负增长，x，进入非稳态，菌体最终被洗出，即x=0 时，达到“清洗点”，此时， 连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发。