第6章 发酵动力学

反应动力学模型
+
反应器特性
反
应
器
的
操作条件与反应结
操
果的关系，定量地
作
控制反应过程
模
型
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：
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。
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
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
1.2
V1m
V1m
0.8
0.8
00V..μm46/2
0.6 0V.m4/2
0.2
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 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
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
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： r ds dt
ds
基质的消耗比速： dt X
(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
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
t5
时间 t
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Baidu Nhomakorabea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 的变化 。
菌体浓度
减速期
静止期 衰亡期
延迟期
指数生长期
时间
延迟期： dx 0
dt
指数生长期: max 倍增时间：td
减速期: d 0
dt
静止期： dx 0;
dt
X Xmax
衰亡期: dx 0
dt
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。
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
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
ds
基质的消耗比速： dt X
(h-1)
dx
菌体的生长比速： dt X
(h-1)
dp
产物的形成比速： dt X
(h-1)
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
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）
0.2 0 0K m 200
400 S 600
0 0K m 200
400 S 600
800 1000
800 1000
V
V


max
S Ks S
米氏方程:
S v vmax Ks S
V
1.2
V1m
0.μ8
0.6 0V.m4/2
0.2
0 0K m
200
400 S 600


max
S Ks S
800
1000
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
反应动态平衡 改变条件 破坏平衡
催化剂 温度
酸碱度 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