6发酵动力学

第 2节
发酵动力学分类
1. 根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类 细胞浓度(x)或产物浓度对时间作图时 , 细胞浓度 或产物浓度对时间作图时, 或产物浓度对时间作图时 两者密切平行, 两者密切平行 , 其最大的比生长速率和 最大的产物合成比速率出现在同一时刻. 最大的产物合成比速率出现在同一时刻 . 一般来说在这种类型的发酵生产中, 控 一般来说在这种类型的发酵生产中 , 制好最佳生长条件就可获得产物合成的 最适条件. 最适条件.
(3) 分段反应型 其营养成分在转化为产物之前 全部转变为中间物, 全部转变为中间物,或营养成分以优先顺序选 择性地转化为产物. 择性地转化为产物.反应过程是由两个简单反 应段组成,这两段反应由酶诱导调节. 应段组成,这两段反应由酶诱导调节. (4) 串联反应型 是指在形成产物之前积累一 定 程度的中间物的反应 (5) 复合型 大多数发酵过程是一个联合反应, 大多数发酵过程是一个联合反应, 它们的联合可能相当复杂. 它们的联合可能相当复杂.
型发酵〗 〖 Ⅲ型发酵〗 产物的形成和菌体的生长非偶联
p x
2. 根据产物形成与基质消耗的关系分类
(1) 类型Ⅰ 类型Ⅰ
产物的形成直接与基质(糖类 的消耗有关 产物的形成直接与基质 糖类)的消耗有关,产 糖类 的消耗有关, 物合成与利用糖类存在化学计量关系, 物合成与利用糖类存在化学计量关系,糖提供 了生长所需的能量. 了生长所需的能量. 糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的,如 糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的, 利用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长. 利用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长. 在厌氧条件下, 在厌氧条件下,酵母菌生长和产物合成是平行 的过程;在通气条件下培养酵母时, 的过程;在通气条件下培养酵母时,底物消耗 的速度和菌体细胞合成的速度是平行的. 的速度和菌体细胞合成的速度是平行的.这种 形式也叫做有生长联系的培养. 形式也叫做有生长联系的培养.
?生长得率?基质消耗量转化为菌体生长量的比率?62?yxs生长得率gmol??x菌体生长量g??s基质消耗量gsx?y??sxg?其中63??为纯生长得率不包括维持代谢和产物合成gsxy???gs?产物得率?基质消耗量转化为代谢产物合成量的比率?64?yps实际产物得率gmol??p产物生长量??p产物生长量g??s基质消耗量ggsp?y??sp?其中65??为理论产物得率pspy???ps?2比速率包括基质比消耗率菌体比生长率产物比生产率?基质比消耗率molgh系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的比率
非结构模型
最理想情况
结构模型
均衡 生长 细胞之间无差异, 是均一的,细胞内 有多个组分存在.
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一 细胞群体做为一种溶质 A 不考虑细胞内部结构
B 均衡 生长 实际情况: 细胞内多组分; 细胞之间不均一 D
概率论模型 各种细胞不均一
C 对细胞群体的描述模型
(2) 宏观处理法 ) 与微观方法相对,不研究细胞内部基因结构, 与微观方法相对,不研究细胞内部基因结构, 表型,调控机制和代谢途径; 表型,调控机制和代谢途径;而把细胞看成一 种均匀分布的物质, 种均匀分布的物质,研究宏观变量整体之间的 关系的方法, 关系的方法,建立非结构动力学模型 (3)质量平衡法(质量守恒定律) )质量平衡法(质量守恒定律)
6. 发酵动力学与过程优化控制 发酵动力学通过对微生物生长率, 发酵动力学通过对微生物生长率,基质 和氧消耗率,产物合成率的动态研究, 和氧消耗率,产物合成率的动态研究, 实现发酵条件参数的在线检测, 实现发酵条件参数的在线检测,确定发 酵动力学模型,实现动态过程优化控制, 酵动力学模型,实现动态过程优化控制, 取得发酵产物最大量. 取得发酵产物最大量.
〖Ⅰ型发酵〗 型发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
p x
(2)生长产物合成半偶联类型:亦称Ⅱ型 )生长产物合成半偶联类型:亦称Ⅱ
它是介于生长产物合成偶联型与生长产物合成非偶联 之间的中间类型, 之间的中间类型,产物的合成存在着与生长相联和不 相联两个部分. 相联两个部分. 该类型的动力学产物合成比速率的最高时刻要迟于比 生长速率最高时刻的到来. 生长速率最高时刻的到来. 如柠檬酸,谷氨酸,赖氨酸,依康酸,丙酮, 如柠檬酸,谷氨酸,赖氨酸,依康酸,丙酮,丁醇发 酵
4. 发酵动力学研究的方法 (1)几个研究模型相关概念 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, 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 确定论模型, 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 概率论模型. 之间的差别,则建立的模型为概率论模型. 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型,称为结 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型,称为结 构模型,一般选取RNA,DNA,糖类及蛋白含量做为 构模型,一般选取 , , 过程变量. 过程变量. 菌体视为单组分的模型为非结构模型, 菌体视为单组分的模型为非结构模型,通过物料平衡建 非结构模型 立超经验或半经验的关联模型. 立超经验或半经验的关联模型.
(1)反应体系中有细胞的生长,基质消耗和 产物的生成,有各自的最佳反应条件. (2)其反应有多种代谢途径.
(3)微生物反应过程中,细胞形态,组成要
经历生长,繁殖,维持,死亡等若干阶段, 不同菌龄,有不同的活性. (4)发酵体系是多相体系,包括气相,液相 和固相.
(5)发酵体系是多组分的:培养基中多种 )发酵体系是多组分的: 营养成分,多种代谢产物, 营养成分,多种代谢产物,细胞内也具有不 同生理功能的大, 小分子化合物. 同生理功能的大,中,小分子化合物. (6)发酵过程细胞代谢是非线性,其过程 )发酵过程细胞代谢是非线性, 用非线性方程描述. 用非线性方程描述. (7)发酵过程复杂的群体生命活动. )发酵过程复杂的群体生命活动.
第 3 节 质量与能量平衡
1. 几个相关术语 (1) 维持因数 单位质量干菌体在单位时间内因维持 代谢消耗的基质量, 代谢消耗的基质量,用ms表示
型发酵〗 〖 Ⅱ型发酵〗 产物的形成和菌体的生长部分偶联
p x
(3)生产与产物合成非偶联类型:Ⅲ型 多数次生代谢产物的发酵属这种类型, 多数次生代谢产物的发酵属这种类型,如各种抗生 素和微生物毒素等物质的生产速率很难与生长相联 产物合成速度与碳源利用也不存在定量关系. 系.产物合成速度与碳源利用也不存在定量关系. 产物的合成是在菌体的浓度接近或达到最高之后才 开始的,此时比生长速率已不处于最高速率. 开始的,此时比生长速率已不处于最高速率. 如青霉素,链霉素,核黄素, 如青霉素,链霉素,核黄素,糖化酶的发酵
(3) 类型Ⅲ 产物的形成显然与基质 糖类 的 类型Ⅲ 产物的形成显然与基质(糖类 糖类)的 消耗无关,例如青霉素, 消耗无关,例如青霉素,链霉素等抗生素发 酵. 即产物是微生物的次级代谢产物,其特征是 即产物是微生物的次级代谢产物, 产物合成与利用碳源无定量关系. 产物合成与利用碳源无定量关系.产物合成 在菌体生长停止及底物被消耗完以后才开始. 在菌体生长停止及底物被消耗完以后才开始. 此种培养类型也叫做无生长联系的培养. 此种培养类型也叫做无生长联系的培养.
具体包括 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 以上各方面不是孤立的, 以上各方面不是孤立的,而是既相互依赖又相 互制约,构成错综复杂, 互制约,构成错综复杂,丰富多彩的细胞内的生化反应, 发酵过程 胞内与胞外的物质交换,胞外物质传递 及反应.微生物是该反应过程的主体, 是生物催化剂,又是一微小的反应容器, 其实质是复杂的酶催化反应体系.酶能 够进行再生产.
3. 研究发酵动力学的目的
(1)以发酵动力学模型作为依据,合理设计 的发酵过程,确定最佳发酵工艺条件. (2)利用电子计算机,模拟最优化的工艺流 程和发酵工艺参数,确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,从而使生产控制达到最优化. (3)在此研究基础上进行优选,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.
如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加,称为均 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. 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 非均衡生长. 不同,称为非均衡生长 不同,称为非均衡生长. 生长模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构模型. 生长模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构模型. 非结构模型 将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模型 分离化模型.在细胞浓度很高时采用. 为分离化模型.在细胞浓度很高时采用. 如果把细胞和培养液视为一相,建立的模型为均一化 如果把细胞和培养液视为一相,建立的模型为均一化 模型. 模型.
发酵系统中物质积累的速度 = 物质进入系统的速度+ 物质进入系统的速度+物质在系统生成的速度 -物质排出系统的速度-物质在系统消耗的速度 物质排出系统的速度-
5. 研究发酵动力学的步骤 (1). 为了获得发酵过程变化的第一手资料,要尽可 为了获得发酵过程变化的第一手资料, 能寻找能反映过程变化的各种理化参数. 能寻找能反映过程变化的各种理化参数. (2). 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起 找出它们之间的相互关系和变化规律. 来,找出它们之间的相互关系和变化规律. (3). 建立各种数学模型以描述各参数随时间变化的 关系. 关系. (4). 通过计算机的在线控制,反复验证各种模型的 通过计算机的在线控制, 可行性与适用范围.
第6章 发酵动力学
第1节 概 论
1. 发酵动力学研究的内容 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,产物生成的动态平衡及其内在规律. 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, 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, 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. 因素对三者的影响,以及影响其反应速度的条件.
3. 根据反应形式分类
(1) 简单反应型 营养成分以固定的化学量转化为 产物, 没有中间物积聚. 产物 , 没有中间物积聚 . 又可分为有生长偶联和 无生长偶联两类. 无生长偶联两类. (2) 并行反应型 营养成分以不定的化学量转化为 产物, 在反应过程中产生一种以上的产物, 产物 , 在反应过程中产生一种以上的产物 , 而且 这些产物的生成速率随营养成分的浓度而异, 这些产物的生成速率随营养成分的浓度而异 , 同 时没有中间物积聚. 时没有中间物积聚.
(2) 类型Ⅱ 产物的形成间接与基质 糖类 的消耗有关, 产物的形成间接与基质(糖类 的消耗有关, 糖类)的消耗有关
例如柠檬酸,谷氨酸发酵等. 例如柠檬酸,谷氨酸发酵等. 即微生物生长和产物合成是分开的, 即微生物生长和产物合成是分开的,糖分既供应生长所 需能量,又充作产物合成的碳源. 需能量,又充作产物合成的碳源. 但在发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅速, 但在发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅速,一个 最高生长时期,另一个是最大产物合成时期 最大产物合成时期. 是最高生长时期,另一个是最大产物合成时期. 如在用黑曲霉生产柠檬酸的过程中, 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; 满足菌体生长,直到其他营养成分耗尽为止;然后代谢 进入使柠檬酸积累的阶段, 进入使柠檬酸积累的阶段,产物积累的数量与利用糖分 数量有关,这一过程仅得到少量的能量. 数量有关,这一过程仅得到少量的能量.
(1)生长产物合成偶联型:也称Ⅰ型. )生长产物合成偶联型:也称Ⅰ 特点: 特点:
微生物的生长和糖的利用与产物合成直接相关连. 微生物的生长和糖的利用与产物合成直接相关连. 产物的形成与生长是平行的. 产物的形成与生长是平行的. 产物合成速度与微生物生长速度呈线性关系,而且生长 产物合成速度与微生物生长速度呈线性关系, 与营养物的消耗成准定量关系. 与营养物的消耗成准定量关系. 这种类型的产物主要是葡萄糖代谢的初级中间产物, 这种类型的产物主要是葡萄糖代谢的初级中间产物, 如酒精,葡萄糖酸,乳酸发酵就属于此类型. 如酒精,葡萄糖酸,乳酸发酵就属于此类型.