第6章 发酵动力学

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。
研究发酵动力学的目的

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
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：
求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和倍增时间td?
解：将数据整理：
S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 102 153 221
S


S
m

m
Ks
400
S
300

1

S
m

m
Ks
/s
200
m 0.9
100
ks
0 0
m 108.4
催化剂
改变条件
温度 酸碱度
破坏平衡
浓度
如何确定高产高效 的最佳条件？
采用反应动力学方法 进行定量研究
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

二、微生物的生长动力学、Monod方程

微生物的生长速度：
μ＝f（s，p，T，pH，……,）

在一定条件下(基质限制)：
μ＝f（S）
Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程（1949）
1.2 V1m 0.8 0.6 Vμ/2 m 0.4 0.2 0 0K m 200 400 S 600 800 1000
提高发酵产量、效率和转化率等

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
动力学主要探讨反应速率问题：
生化反应： aA + bB cC + dD 如何能最快最多的获得目的产物 反应动态平衡
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质的消耗比速：
ds dt dx dt dp dt
X
(h-1)
菌体的生长比速：
X
(h-1)
产物的形成比速：
(h-1)
X
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
+
两级连续发酵示意图
连续发酵动力学-发酵装置-多级串联
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
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
发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质的消耗速度：
ds r dt
X
(g.L-1.s-1)
ds 基质的消耗比速： dt
(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
发酵过程反应速度的描述
1000
max
μ：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数 μmax: 最大比生长速度
S Ks S
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 起到限制作用的营养物。
Monod方程的参数求解（双倒数法）：
max
S Ks S
将Monod方程取倒数可得：
1.2 V1m 0.8 0.6 V m/2 0.4 0.2 0 0K m 200 400 S 600 800 1000
V
V
max
S Ks S
米氏方程:
v vmax
S Ks S
1.2 V1 m 0.8 0.6 V m /2 0.4 0.2 0 0K
m
μ
V
200
400
S
600
800
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
的变化 。
杀假丝菌素分批发酵动力学分析
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。

连续发酵类型：
单级
多级连续发酵
连续发酵动力学-发酵装置

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
单级连续发酵示意图
连续发酵动力学-发酵装置-多级串联

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。
D( s0 s ) x
连续培养操作的模型分析
D
D( s0 s ) x YX
s
D↑
μ↑
σ↑
S ↑
x↓
max
S0 max K s S0
max
S Ks S
D>μmax时会造成菌体的洗出
12 10
X
S , X , DX
8 6 4 2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2


YX
s


YP
s
m
m: 维持消耗系数 YX/s: 细胞对基质的理论得率系数 YP/s: 产物对基质的理论得率系数
第六节 反应动力学的应用—
o
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)
o
dx 对菌体: V xV Fx dt xV Fx dx 0 稳态 F dt D V
稀释率(D): 补料速度与 反应器体积 的比值(h-1)
物料衡算（连续培养的反应器特性）
o
ds 对基质: V Fs0 xV Fs dt
稳态
ds 0 dt
稀释率(D): 补料速度与 反应器体积 的比值(h-1)
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。
分批发酵动力学-产物形成动力学
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→生长部分偶联型
与生长不相关→无关联
二、Gaden对发酵的三分类与Pirt方程：
p x

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 。
分批发酵过程
典型的分批发酵工艺流程图
分批发酵动力学-细胞生长动力学
菌体浓度X t1
t2
t3
t4 时间 t
t5
分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线
分批发酵动力学
应用举例
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

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。
Ks 1 m m S 1 1
或：
S


S
m

m
Ks
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） Μ（h-1） 6 0.06 33 0.24 64 0.43 153 0.66 221 0.70
153 170 220 S（mg/L） 100 120 μ（h-1） 0.667 0.706 0.754 0.773 0.815
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
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。
次级代谢产物：由微生物产生的，与微生物生长、繁殖无关的
〖一类发酵〗
产物的形成和菌体的生长相偶联
p
x
〖二类发酵〗 产物的形成和菌体的生长部分偶联
p
x
〖三类发酵〗 产物的形成和菌体的生长非偶联
〖Pirt方程〗
π＝a + bμ

a=0、b≠0： 可表示一类发酵
a≠0、b ≠ 0： 可表示二类发酵 a=0、b≠0：可表示三类发酵
相关型
部分相关型
的比生长速率µ 保持一定。
连续发酵动力学-发酵装置-细胞回流式
F Se
(1 ) F X
F Xe
F, cX
细胞回流的单级连续发酵示意图
a: 再循环比率（回流比） c: 浓缩因子
连续发酵动力学-发酵装置-塞流式
无菌培养 基流入
发酵罐 d 供给连续接 种再循环
培养物 流出
物料衡算（连续培养的反应器特性）
减速期 静止期 衰亡期
dx 0 dt
指数生长期: max
倍增时间：td
d 0 dt
dx 0; dt dx 0 dt
菌体浓度
减速期:
指数生长期 延迟期
静止期：
时间
X X max
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。
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
第五节 基质消耗动力学的基本概念
S1 菌体 S S2 产物 S3
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。
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质的消耗比速：
ds dt dx dt dp dt
X
(h-1)
菌体的生长比速：
X
(h-1)
产物的形成比速：
(h-1)
X
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
物料衡算：
ds ds1 ds2 ds3来自百度文库 dt dt dt dt
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。
发酵动力学研究的基本过程

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
发酵过程反应的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） 发酵研究的内容： 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
100 200
μmax，＝1.11 (h-1); Ks＝97.6 mg/L
s
td＝ln2/ μmax＝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μmax,半饱和常数Ks （2）比生长速率为μmax时的倍增时间td。