发酵工程-发酵动力学

3、分批培养的底物消耗动力学 ① 得率系数 ② 基质消耗动力学参数 ③ 基质消耗动力学
4、分批发酵的产物形成动力学
由于微生物细胞代谢所生成的产物种类繁 多，细胞内生物合成的途径十分复杂，代谢调 节机制各不相同。为了研究在工业发酵过程中 如何提高代谢产物的产量，就必须首先确定目 的代谢产物的合成与微生物细胞生长的动力学 关系，再根据这种动力学关系来初步确定发酵 控制的基本策略和工艺优化对策。
发酵动力学
一、分批发酵 Baidu Nhomakorabea批发酵的操作最为简单，在培养基中接
种后只需维持一定的温度，对于好氧培养过程 则还需进行通气搅拌。向发酵罐内一次性投入 发酵培养基和菌种，中间除了空气进行和尾气 排出，与外部没有任何物料交换，放料后再重 复投料、灭菌、接种和发酵等操作。
采用分批发酵操作简单、周期短、染菌的 机会减少，而且生产过程、产品质量容易控制。 但分批发酵不利于测定其生长过程动力学，因 使用复合培养基，底物限制或抑制问题非常复 杂；对底物类型及初始浓度敏感的次级代谢物 如一些抗生素等不适合采用分批发酵。
Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的动 态关系，将其划分为生长相关型、生长部分相关 型和非相关型三种情况。
① 生长相关型
生长相关型是指产物的生成与细胞的生长 密切相关的动力学过程，产物的合成是微生物细 胞主要能量代谢的直接结果。即产物是基质分解 代谢产物或合成细胞生长必需的代谢产物，通常 指微生物的分解代谢产物或更广泛意义的初级代 谢产物，如乙醇、葡萄糖酸、乳酸等。
td?
解：将数据整理：
S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3
S
6 33 64 153 221
S/μ 的平均值为202.536，S的平均值为152.6。
1

Si
Si
i
5
S

S
1
max
Si2 5 (S)2
Ks S 1 S 49.94
其产物形成速率
dP dt
YP / X
dX dt
式中YP/X为以细胞为基准的产物得率系数。
② 生长部分相关型 生长部分相关型指代谢产物是能量代谢的
间接结果，不是底物直接氧化产物，而是菌体 内生物氧化过程的主流产物。如氨基酸、柠檬 酸的发酵等。其产物形成速率
dX 0 dt
对数生长期又称指数期。在这一阶段中， 由于培养基中营养物质丰富，有害代谢物少， 微生物细胞的生长不受限制，因此细胞质量和 数目均随时间呈指数增加。细胞生长速率与细 胞浓度是一级动力学关系
dX X
dt
在对数生长阶段，细胞的生长不受基质浓
度限制，比生长速率μ 达到最大值μ max并保持 不变，μ ＝μ max。对上式积分
对数 衰减期 生长期
稳定期
衰亡期
菌体浓度X
延滞期
时间t
延滞期又称停滞期、调整期或适应期。指 微生物接种到新鲜培养基中后一段时间内，菌 体数目增加不明显的的一段时期。这是由于接 种初期微生物细胞对生长环境有一个适应的过 程，这个时期的长短取决于种子质量、菌龄、 接种量等因素。如果接种物处于对数生长期， 延迟期就短；同一菌种，接种量大延迟期则短。 在延迟期微生物细胞浓度（或数量）的变化
x
dX

t
dt
x0 X
0
得
ln X t
X0
细胞浓度增加一倍（X＝2X0）时所需时间为：
td

ln 2
max

0.693
max
细菌的倍增时间一般为0.25-1h，酵母约为1.152h，霉菌约为2-6.9h。
经过对数生长期细胞的大量繁殖，培养基中营养 物质迅速消耗，有害物质逐渐积累，细胞的比生 长速率逐渐下降，进入减速期。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μ 和限制性基质的浓度S有如下关系（Monod方程）：
dx 0 dt
x xmax
由于生长环境恶化，菌体繁殖越来越慢， 死亡数越来越多，菌体死亡的速率超过生长速 率。在衰亡期，菌体形态显著改变，出现多形 态的细胞衰退型，如菌体变长、肿胀或扭曲， 有时菌体自溶难以辨认，新陈代谢活动趋于停 滞等。大多数分批发酵在到达衰亡期前就要结 束发酵，否则易引起目的代谢产物的大量分解， 以及菌体自溶而使后提取困难并影响产品得率。
或
S S Ks
max max
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) 6 33 64 153 221 μ (h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70 求在该培养条件下，求大肠杆菌的μ max，Ks和
1、微生物发酵过程动力学的描述
① 菌体生长速率 微生物进行发酵的反应动力学描述常采用群 体来表示。微生物群体的生长速率反映群体 生物量的生长速率。在液体培养基中的群体 生长，其生长速率指单位体积、单位时间里 生长的菌体量。
② 基质消耗速率 ③ 产物的生成速率
2、分批发酵的生长动力学
分批发酵是一种准封闭培养，其发酵过程 属于典型的非稳态过程，随着发酵初期接入微生 物细胞对培养环境的适应和生长，基质被逐渐消 耗，代谢产物不断积累，整个过程中菌的浓度、 营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。 在分批发酵过程中，微生物生长通常经历延滞期、 对数生长期、减速期、稳定期（静止期）和衰亡 期五个时期，如图
maxS
Ks S
式中，μ max最大比生长速率，h-1；Ks为底物饱和
常数，g/L。
饱和常数Ks的物理意义是Ks为比生长速率等
最大比生长速率的一半时的底物浓度。 Monod方程的参数求解(双倒数法)：
将Monod方程取倒数可得：
1 1 Ks 1
max max S
max max
所以μ MAX为1h-1,饱和常数KS为49.94mg/L
td

ln 2
max
0.693
因营养物质的耗尽和代谢物（包括有害的 和目的产物）的大量积累，细胞死亡数逐步上 升，菌体的繁殖数与死亡数大致平衡，使活细 胞数不再增加，进入稳定期。稳定期是以发酵 法生产菌体或与菌体生长相关的代谢产物的最 佳收获期，如单细胞蛋白、有机酸、氨基酸等 的生产。