发酵动力学

分批发酵-细胞生长动力学
单细胞微生物 的生长曲线
分批发酵-细胞生长动力学
延迟期 延迟期系指培养基接种后，细胞浓度 在一段时间内无明显增加的这—阶段。它是细 胞在环境改变后表现出来的一个适应阶段。如 果新培养基中含有较丰富的某种营养物质，而 在老环境中则缺乏这种物质，细胞在新环境中 就必须合成有关的酶来利用该物质，从而表现 出延迟期。
第六章 发酵动力学
什么是发酵动力学
发酵动力学研究的是发酵过程的速率及其 影响因素。 在发酵过程中，反应体系各组分的浓度、 温度、溶液性质（如黏度）以及反应器的 形式和结构、操作方式、传质与传热都会 影响发酵过程的速率。
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
细胞生长动力学：研究影响细胞生长速率 的各种因素及其影响规律。 重点：Monod方程 底物消耗动力学 以C源为例 产物生成动力学 考虑产物生成速率与细胞生长速率相关
发酵动力学分类
根据产物形成与底物消耗的关系
Ⅰ型：产物形成直接与底物消耗有关（酒精发酵、乳酸发酵） Ⅱ型：产物形成与底物消耗间接有关（柠檬酸、谷氨酸发酵） Ⅲ型：产物形成与底物消耗无关（青霉素发酵、核黄素发酵）
实际得率
YP / S
P S
理论得率
P YPS (S ) P
上式： ΔP——产物生成量 ， ΔS ——底物消耗量
ΔSP ——用于产物生成的底物消耗量
产物关于细胞的得率
YP / X
P X
速率（绝对速率）
细胞生长速率 底物消耗速率 产物生成速率
rX
dX dt
rS
dS dt
rP
dP dt
细胞的生长速率可以看作是关于细胞浓度的
延迟期长短与菌种的种龄有关，年轻的种 子延迟期短，年龄老的种子延迟期长。对于相 同种龄的种子，接种量愈大延迟期愈短。
dX 0 dt
对数期
在对数期，培养基中营养物质较充分， 细胞的生长不受限制，细胞浓度随时间呈指 数生长，比生长速率μ维持不变。
两边积分
dX X
dt
x dX
t
dt
x0 X
0
可得
分批发酵法
底物一次性装入反应器内，在适宜条件下进行 反应， 经过一定时间后将反应物全部取出。
补料分批发酵法
先将一定量底物装入反应器，在适宜条件下反 应，在反应过程中，间歇或连续地进行补加新鲜 培养基，反应终止时将全部反应物取出。
连续发酵法
反应过程中，一方面把底物连续加入反应器， 同时又把反应液连续不断地取出，使反应过程始 终处于稳定状态。
根据产物形成与细胞生长是否偶联
相关型：产物形成速度与生长速度紧密联系（酒精发酵） 混合型：产物形成与生长只有部分联系（乳酸发酵） 非相关型：产物形成速度与生长速度无关（抗生素发酵）
根据细胞生长与产物形成的关系
相关型
主要为初级代谢产物的生产。如葡萄糖厌氧发酵生 成乙醇，或好气发酵生成中间代谢物氨基酸、维生 素等。产物的生成速率与细胞生长速率直接有关。
的变化量。 比速率：以单位浓度细胞为基准而表示的各
个组分的变化速率。
常用的几种得率
对底物的细胞得率（生长得率）
YX / S
X S
△X ： 生成细胞的质量（浓度）
△S： 消耗底物的质量（浓度）
Yx/s的倒数反映了生成单位质量细胞所需消耗的 底物量。
单耗：生产单位质量产物所消耗的各种原料量
产物关于底物的得率
dP dt
YP / X
dX dt
YP / X X
或
QP YP / X
根据细胞生长与产物形成的关系
非相关型
细胞生长时无产物；细胞停止生长后，则有大量
产物积累。产物的形成速率只与细胞积累量有关， 产物的合成发生在细胞停止生长之后，习惯上把这 类与细胞生长无关联的产物称为次级代谢产物。如 大多数抗生素和微生物毒素的发酵。
本章研究内容
发酵过程中菌体生长、底物消耗及产物生 成的内在规律。具体包括：
分批发酵动力学：分批发酵过程中菌体的生长速 率、底物消耗速率和产物生成速率的关系及影响 因素。 连续发酵动力学：连续发酵过程中菌体的生长速 率、底物消耗速率和产物生成速率的关系及影响 因素。
第一节 基本概念
几个常见名词
得率：用于衡量碳源等物质生成细胞或其它 产物的潜力。 速率和比速率 速率： 单位时间、单位反应体积某一组分
X X 0 exp( t)
可以看出：菌体浓度呈指数增加
微生物的生长有时用倍增时间td来表示其生 长速率的快慢， td表示细胞浓度增加一倍 所需要的时间。
t ln X
X0
当 X 2X 0 时， t t d
即 td ln 2
ln 2
td
微生物的生长速率受遗传特性及生长条件 的控制，下表列出了几种不同微生物在不 同C源下的比生长速率μ和倍增时间td
第二节 分批发酵动力学
分Biblioteka Baidu发酵的特点
在发酵过程中，要经历接种、生长繁殖、 菌体衰老、发酵结束（放罐）等过程。 随着底物不断被消耗、产物逐渐生成，反 应体系在不断变化。 分批发酵过程中，细胞经历停滞期、对数 期、静止期和衰亡期四个阶段。
分批发酵动力学的研究内容
细胞生长动力学 底物消耗动力学 产物生成动力学
减速期
在对数期，细胞生长不受限制，此时μ 达到最大值μm。当反应进行一段时间，若 存在限制性底物，此时μ＜μm，细胞生长 速率与细胞浓度仍符合一级动力学关系：
非相关型发酵的生长速率只与菌体量有关，而与
比生长速率无关。
dP X
dt
根据细胞生长与产物形成的关系
混合型
产物生成速率既与细胞生长速率有关，又与细胞积 累量有关。如乳酸、柠檬酸、谷氨酸的发酵。产物 生成速率可由下式描述：
dP dX X
dt dt
X X
发酵类型
按照是否需氧可分为好氧发酵、厌氧发酵 和兼性厌氧发酵三类； 按照培养基的类型可分为固体发酵和液体 发酵两类； 液体发酵分为浅层液体发酵和深层发酵； 深层发酵可分为分批发酵、补料分批发酵 和连续发酵三大类型。
一级反应，即
rX
dX dt
X
因此
1 dX
X dt
比速率：以单位浓度细胞为基准而表示的各 个组分的变化速率。
细胞的比生长速率 底物的比消耗速率 产物的比生成速率
1 dX
X dt
QS
1 X
dS dt
QP
1 X
dP dt
氧的比消耗速率（呼吸强度）
QO2
1 X
dO2 dt
与呼吸商区别 RQ
发酵动力学的主要研究内容