第五章 发酵过程动力学的基本概念

第五章 发酵过程动力学的基本概念 发酵动力学内容
发酵动力学： 是研究发酵过程中菌体生长、 发酵动力学 ： 是研究发酵过程中菌体生长 、 基质消耗、 基质消耗 、 产物生成的动态平衡及其内在规 律 研究内容： 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 环境因素对三者的影响， 系 ， 环境因素对三者的影响 ， 以及影响其反 应速度的条件
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微生物生长动力学的基本概念
延滞期解决途径： 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， 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， 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 杂程度， 又容易造成杂菌污染， 考虑
dt
稳定期 稳定期：
时间
dx =0 dt
;
X = X max
dx <0 dt 倍增时间（ 倍增时间（doubling time）：细胞浓度增长一倍所需要的时间 ）
衰亡期: 衰亡期:
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微生物生长动力学的基本概念 (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， 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。 但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞期
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发酵过程动力学的基本概念 第一节 发酵过程的反应描述及速度概念
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） （底物） （菌体） （产物） 发酵研究的内容： 发酵研究的内容： 菌种的来源——找到一个好的菌种 找到一个好的菌种 菌种的来源 发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力 最大限度发挥菌种的潜力 发酵过程的工艺控制
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发酵过程的反应描述及速度概念 发酵过程反应的描述
发酵过程动力学的基本概念
发酵过程的反应描述及速度概念
发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） （底物） （菌体） （产物） 基质的消耗速度： 基质的消耗速度：
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微生物生长动力学的基本概念
(二)指数生长期
对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间 对细菌、 酵母等单细胞微生物来讲， 内其细胞数目将成倍增加 而对于丝状微生物而言， 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 此时， 一对数图，将得一直线， 一对数图 ， 将得一直线 ， 因而这一时期称作指 数生长期
ds r= dt
X
(g.L-1.s-1)
ds 基质的消耗比速： 基质的消耗比速： σ = 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 单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体） 比速， 为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念
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微生物生长动力学的基本概念 延滞期细胞特点： 延滞期细胞特点： 细胞本身面临着一系列的变化， 细胞本身面临着一系列的变化 ， 如 PH值的改 值的改 营养物质供给增加等。因而， 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， 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， 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， 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。 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， 因子，合成出适应新环境的酶系，为将来的增 殖作准备
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微生物生长动力学的基本概念
指数生长期细胞特点
细胞保持均恒生长. 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， 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. 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， 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， 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， 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 及发酵液中的菌 比生长速率μ 仅与微生物本身的比生长速率μ及发酵液中的菌 相关. 体细胞浓度X 相关 体细胞浓度 (g/L)相关
发酵过程动力学的基本概念
微生物生长动力学的基本概念
第二节 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－分批发酵 微生物在一个密闭系统中的生长情况－
菌体浓度
减速期 稳定期 衰亡期
延迟期： 延迟期：
dx =0 dt
指数生长期 延迟期
指数生长期: = max 指数生长期: 倍增时间：td 减速期: 减速期: d < 0
化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。 化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。
分批发酵的优缺点
优点： 优点： 操作简单； 操作简单； 操作引起染菌的概率低。 操作引起染菌的概率低。 不会产生菌种老化和变异等问题 缺点：非生产时间较长、 缺点：非生产时间较长、设备利用率低
分批发酵的生长曲线－－单细胞微生物的生长曲线 分批发酵的生长曲线－－单细胞微生物的生长曲线 －－ /jpkc/fjgc
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微生物生长动力学的基本概念
对于单细胞的微生物来说， 对于单细胞的微生物来说，还可进一步简化为
N—培养基中的细胞密度 培养基中的细胞密度 对于特定的微生物而言，其比生长速率只与三个因素有关。 对于特定的微生物而言，其比生长速率 只与三个因素有关 只与三个因素有关。 对于特定的微生物而言 限制性营养物质的浓度S、最大比生长速率 饱和常数Ks 限制性营养物质的浓度 、最大比生长速率 m、半饱和常数 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 假定营养物质进入细胞后，立即被利用而不积累， 假定营养物质进入细胞后 关系式： 关系式： Ks一一半饱和常数，为 一一半 一一 饱和常数， 为1/2 m时限制性营养物 质的浓度. 质的浓度
在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制 的酸或碱外 的酸或碱外， 在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它 物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。 物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。
分批发酵的特点：微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理， 分批发酵的特点：微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，
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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 接种材料的生理状态， 生长期，则延滞期可能根本就不出现， 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， 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， 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， 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
(四)稳定期
在细胞生长代谢过程中， 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 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， 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， 生长速率就会逐渐下降 ， 直至完全停止 ， 这时 就进入稳定期。 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； 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， 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。 的组成物质还在不断变化。
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发酵过程的反应描述及速度概念
发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） （底物） （菌体） （产物） 基质的消耗比速： 基质的消耗比速：
ds σ = dt dx = dt
dp π = dt
X
(h-1)
菌体的生长比速： 菌体的生长比速：
X
X
(h-1)
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微生物的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 为保证工业发酵的正常周期 ， 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， 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， 的浓度，而是营养物质进入细胞的速度 Back to
= max
S Ks + S
为细胞比生长速率 (h-1) 为细胞比生长速率 S为限制性基质浓度 为限制性基质浓度(mol/m3) 为限制性基质浓度 Ks为半饱和常数 为 饱和常数(mol/m3) Back to
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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 种子培养基和培养条件必须合适， 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， 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 实际生产过程中 ， 为缩短发酵周期 、 利用宰、 提高体积生产率， 利用宰 、 提高体积生产率 ， 就必须尽可能地缩 短延滞期
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微生物生长动力学的基本概念
指数生长期细胞特点
如果各种营养物质均大大过量的话， 如果各种营养物质均大大过量的话，则=m， 这时便是指数生长期。也就是说， 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 长期的微生物 , 因而具有最大比生长速率 最大比生长速率。 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， 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. 维持指数生长期.
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微生物生长动力学的基本概念
(三) 减速期
培养基中营养物质迅速消耗，有害物逐渐积累， 培养基中营养物质迅速消耗，有害物逐渐积累，细胞比 生长速率逐渐下降 当培养基中不存在抑制细胞生长的物质时， 当培养基中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的比生 长速率和限制性基质的浓度关系为Monod方程式 长速率和限制性基质的浓度关系为 方程式
产物的形成比速： 产物的形成比速：
(h-1)
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微生物生长动力学的基本概念
第二节 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－分批发酵 微生物在一个密闭系统中的生长情况－
分批发酵的定义：是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。 分批发酵的定义：是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。