发酵培养方法及发酵动力学

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
基质的消耗比速： （比消耗速率）
菌体的生长比速： （比生长速率）
产物的形成比速： （比生成速率）
dS
dt X
dX
dt X
dP
dt X
(qs, h-1) (qx, h-1) (qp, h-1)
V
1.2
V1m
0.μ8
0.6 0Vμ.mma4x//22
0.2
0 0KKsm
200
400 S 600
800
1000
max
S Ks S
（Monod方程）
μ：菌体的比生长速率 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数 μmax: 最大比生长速率
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。
dX d dt
kd X
FX d V
死细胞积累速率
（1）比生长速率（μ)
• 菌体生长速Fra Baidu bibliotek与培养基中菌体浓度之比，它与 微生物的生命活动有联系
在对数生长期， 是一个常数，这时
如何推导？
此式可在△t=td （td为倍增时间）时求得， td即在 时所需时间，于是td=ln2/μ=0.693/μ。
为比生长速率，单位是 h-1。
• 转化率：（已经反应的基质量）/（总共加入的基质
量）*100%
（2）发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质消耗速率： 菌体生长速率： 产物生成速率：
rs
dS dt
rx
dX dt
rp
dP dt
(g·L-1·h-1) (g·L-1·h-1) (g·L-1·h-1)
• 达到稳态后，整个过程中所有发酵参数（X、P、S等）恒 定不变。
• 优点：高效、可自控、产品质量稳定、降低劳动强度等
连续培养过程中的主要问题
• 易遭杂菌污染
• 生产菌株突变问题（菌种易退化）
– 回复突变的菌株有可能会取代生产菌株而成为优势 菌株，使连续发酵过程失败。
• 培养基质量
– 工业培养基的组成成分，如玉米浆、蛋白胨和淀粉 等，批与批之间有时会出现较大变化。
或：
S S Ks
m m
这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比 生长速率，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：
• 半分批培养（流加培养） • 反复分批培养 • 反复半分批式培养
一、分批发酵
• 培养基中接入菌种以后，除了空气的进出， 没有物料的加入和取出。
• 过程中发酵参数（菌浓、底物浓度、产物浓 度等）都随时间变化。 F(X, P, S, T, ... , t)
分批发酵的特点
• 优点
– 可进行少量多品种的发酵生产 – 原料要求较粗放 – 操作简单 – 周期短 – 染菌机会少
第三节 发酵动力学与发酵过程控制
F0, S0, X0, P0
F, S, X, P, Xd
S, X, Xd, V, P
一、发酵动力学
1、微生物细胞的生长动力学
细胞量的积累速率 = 细胞生长速率 – 细胞的死亡速率 + 细胞的添加速率 - 细胞的移去速率
dX dt
X
kd X
F0 X 0 V
FX V
2. 发酵动力学中常用术语
（1）得率
• 得率(Y) ，是指被消耗的物质和所合成产物之 间的量的关系，包括生长得率(Yx/s)和产物得 率(Yp/s)。
• 生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指 碳源)所产生的菌体重(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS。
• 产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的 产物g数(或mol数) ，即YP/S=P/(S。-S)。
连续培养装置
• 均匀混合的生物反应器
–恒化器 –恒浊器
• 非均匀混合的生物反应器
–活塞流反应器
恒化器(A)、恒浊器(B)和活塞流反应器(C)中的连续发酵
第二节 发酵动力学基本概念
• 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。
1. 常用参数符号及意义
• X：细胞干重（g/L） • S：底物浓度（g/L） • P：产物浓度（g/L) • T：温度（ºC） • t：发酵时间（h） • F：补料速率或体积流率（L/h） • V：发酵体积（L） • D：稀释率（F/V，h-1）
第八章 发酵培养方法及发酵动力学
第一节 发酵培养的方法
• 根据操作方式不同分为：
– 分批培养：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种 进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。
– 连续培养：反应开始后，一方面把底物连续地供给 到反应器中，另一方面又把反应液连续不断地取出 ，使反应条件不随时间变化。
– 分批补料培养：介于分批与连续培养之间，又分为 。
例题：某微生物的 ＝0.125 h-1，求td 。
（2）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)
现代细胞生长动力学的奠基人Monod 在1942年指出，在培养基中无抑制剂存 在的情况下，细胞的比生长速率与限制 性基质浓度的关系可用下式表示：
• 缺点
– 产率低 – 不适于测定动力学数据
分批培养中微生物的生长
迟滞期
对数生长期
稳 定期
衰亡期
二、分批补料培养技术
补加底物
较低浓度底物
底物消耗
底物浓度保持 在一定范围
维持微生 物生长
促进产 物形成
避免不利 因素产生
体积产量、产物浓度和产物得率提高
分批补料培养特点
• 优点：在于使发酵系统维持低的基质浓度。 • 低基质浓度的优点为：①可以除去快速利用碳源的阻
遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧 的矛盾。②避免培养基积累有毒代谢物。 • 缺点：增加了染菌机会；比生产速率下降。 • 适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸 、酶、核苷酸、有机酸等的生产。
三、连续培养技术
• 连续进出料液，保持发酵液体积恒定，使培养物在近似恒 定状态下生长的培养方法。
• Monod方程中 • ：比生长速率(h-1)； • ：最大比生长速率(h-1) • S：限制性基质浓度(g/L)； • Ks：饱和常数(g/L)，当μ等于1/2 时
的限制性基质浓度。
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 1 Ks 1
m m S