发酵动力学
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第5章
发酵动力学
5.1 发酵的主要类型
好氧发酵
发酵与氧的 关系不同 厌氧发酵 兼性厌氧发酵
分批发酵 发酵过程的主要 操作方式不同 连续发酵 补料分批发酵 生长偶联型发酵 分批发酵中菌体生 长与碳源消耗及产 物合成的关系 部分生长偶联型发酵 非生长偶联型发酵
1、分批发酵
最常见、最简单的操作方式，也称间歇 发酵或批式发酵。 是指将发酵培养基一次性投入发酵罐，经 灭菌、接种和发酵后再一次性的将发酵液放出 的一种操作方式。在发酵过程中，除了不断通 气和发酵尾气的排出及因调节pH需加酸或碱 外，整个系统与外界没有其他物资的交换。
1 dx 细胞生长的比速率为： x dt
底物消耗的比速率为qs∶ q 1 ds s
x dt
产物形成的比速率为qp： q 1 dp p x dt
5.2 分批发酵动力学
微生物分批发酵动力学主要研究微生物在 分批发酵过程中的生长动力学、基质消耗动 力学和代谢产物生成动力学。 5.2.1 微生物生长动力学 在对数生长期的时候，微生物的生长速率 达到最大并维持恒定值，其生长速率可用数 学式表示为： 或
Scrit
对Monod方程的理解 （1）当S<< KS，即基质浓度很低时，
max
KS
S
提高 S，可明显提高μ，此为一级反应。 当S>> KS，即基质浓度较高时，
μ μ max
μ与S无关，提高限制性底物浓度，则μ基本 不变，此为零级反应。
（2）培养基中只有一种底物是生长限制性底 物； （3） KS表示微生物对营养物质的吸收亲和力 大小， KS越大表示微生物对营养物质的吸收 亲和力越小。如果微生物对限制性底物有很 高的亲和力，则该底物浓度降到很低水平时 才会影响到微生物的生长，如果微生物对底 物亲和力低时，即时在该底物尚有较高浓度 时也会使生长速率衰减。
② 活塞流式 基本假设有： a 物料遵循严格的先进先出，象活塞一样 b 细胞浓度和营养物组分的浓度沿反应器 轴向逐渐变化，但沿径向方向无浓度梯度 c 反应器各处，各组分的浓度不随时间变化
恒化器
（2）全混式反应器类型
恒浊器
3. 流加发酵
流加发酵又称补料分批发酵 ，是在流加 阶段按一定的规律向发酵罐中连续的补加营 养物或前体，由于发酵罐不向外排放产物， 罐中的发酵体积将不断增加，直到规定体积 后放罐。 单一补料分批发酵 反复补料分批发酵
发酵动力学
1、 发酵动力学涉及的常规参数
符号 X S P O C Hv 参数 生物量 底物 产物 氧 二氧化碳 发酵热 测量方法 细胞干重，浊度，细胞数 酶法分析，化学法，色谱法 酶法分析、HPLC 或特殊方法 PO－专用电极分析 ＰCO２－专用电极分析 温度、热平衡
2、得率(或产率，转化率，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)所产生的菌体重量(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS 产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成 的产物的克数(或mol数)。这里消耗的基质是指 被微生物实际利用掉的基质数量。
3、有关速率的概念
dx 菌体生长速率为∶ rx dt
ds 底物消耗速率为∶ rs dt
产物生成速率为:
dp rp dt
4、有关比速率的概念
基质比消耗速率[qs,g(或mo1)／ g菌体· h]：系 指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它 表示细胞对营养物质利用的速率或效率。
产物比生产速率 [qp ， g( 或 mo1) ／ g 菌体 · h] ： 系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表 示细胞合成产物的速率或能力，可以作为判断 微生物合成代谢产物的效率。
典型的分批发酵工艺流程 ：
优点：操作简单、不容易染菌、投资低； 缺点：生产能力低、劳动强度大、而且每批 发酵结果都不完全一样，对后续的产物分离 将造成一定的困难。 分批培养系统属于封闭系统，只能在一 段有限的时间内维持微生物的增殖。微生物 处在限制性的条件下生长，表现出典型的生 长周期 。
2. 连续发酵
rP X
qP
产物的生成速率与微生物的生长速率无关，只 与菌体的生物量积累有关。
产物生成动力学的三种类型可归纳为：
dP dX k1 k2X dt dt
按k1、k2常数分： （1）k1=YP/X，k2=0， 生长偶联型 （2）k1>0, k2>0， 部分生长偶联型 （3）k1=0, k2>0， 非生长偶联型
4 生长关联型
产物直接来源于产
能的初级代谢（自身 繁殖所必需的代谢）， 菌体生长与产物形成 不分开。
例如单细胞蛋白和
葡萄糖酸的发酵
产物形成与生长有 关，如酒精、某些 酶等。
5、部分生长关联型
产 物也来 源于能 量
代谢所消耗的基质， 但产物的形成在与初 级代谢分开的次级代 谢中，出现两个峰， 菌体生长进入稳定期， 出现产物形成高峰。 例如，柠檬酸和某 些氨基酸的发酵。
连续发酵是指以一定的速度向发酵罐内添 加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液， 从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳 定状态下生长。 优点：长期连续进行，生产能力可达间歇发 酵的数倍。 缺点：操作控制要求高，设备投资高，杂菌 污染和菌种变异较严重，原料利用率 低，产物浓度低。
（1）连续发酵模型 ①全混式 基本假设有： a 进料液和出料也流量相等，容器中液体 体积恒定 b 反应器中底物、产物和细胞的浓度均匀 一致，即反应器中无浓度梯度 c 流出液中的物料组成与反应器中物料组 成一致
5.2.3 底物消耗动力学
底物主要消耗在以下三个方面：一是用 于合成新的细胞物质；二是用于合成代谢产 物；三是提供细胞生命活动的能量。因此底 物的消耗与微生物的生长繁殖和代谢产物的 合成密切相关。
dS 1 dX 1 dP mX dt YX / S dt YP / S dt QS
式中：
——
以细胞浓度表示的比生长速率 n—— 以细胞数量表示的比生长速率 X —— 细胞浓度，g/L N —— 细胞数量，个
两边积分得：
将式
微生物的生长有时候也可用倍增时间td表 示，即细胞浓度增加一倍所需的时间，即： td=ln2/μ=0.693/μ
例5-1 某微生物的μ ＝0.125 h-1 ，求td。 解： td=ln2/μ = 0.693/0.125=5.544 h
YX
/ S
QP m YP / S
• m—维系细胞结构和生命活动所需能量的 细胞维系系数，s-1 • 基质比消耗率QS=-dS/Xdt • 产物比生产率QP=dP/Xdt
ห้องสมุดไป่ตู้
补料分批发酵类型
优点：1、可以解除底物抑制、产物反馈抑制 和葡萄糖分解阻遏效应（葡萄糖效应是葡萄糖 被快速分解代谢所积累的产物在抑制所需产物 合成的同时，也抑制其他一些碳源、氮源的分 解利用）。 2、对于好氧发酵，可避免在分批发酵 中因一次性投入糖过多造成细胞大量生长，耗 氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。 3、它还可以在某些情况下减少菌体生 成量，提高有用产物的转化率。
无抑制的细胞生长动力学 ——Monod方程
现代细胞生长动力学的奠基人Monod 在 1942年便指出，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：
式中： —— 比生长速率； —— 最大比生长速率， S —— 限制性基质浓度(g/L)； Ks —— 饱和常数(g/L)，其值等于比生长 速率为最大比生长速率一半时的限制性基质浓度。
rP YP / X rX YP / X X
qP YP / X
Ⅱ型：也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）
rP rX X
qP
式中： α—与菌体生长相关联的产物生成系数 β—与菌体浓度相关联的产物生成系数 Ⅲ型：也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生 素、多糖）
S crit ：临界底物浓 度，比生长速率μ达 到最大比生长速率 μmax时的最低底物 浓度。
对于任一营养物质 S> S crit，为非 限制性底物 S< S crit，为限 制性底物
Scrit
5.2.2 产物合成动力学
Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间 的关系，将产物形成区分为三种类型： Ⅰ型：也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳 酸）
6、非生长关联型
产物是在基质消耗
和菌体生长之后，菌 体利用中间代谢反应 来形成的，即产物的 形成和初级代谢是分 开的。 如抗生素发酵。
产物的形成 速度与生长 无关，只与 细胞积累量 有关。如， 抗生素。
■分批发酵的分类对实践的指导意义
从上述分批发酵类型可以分析： 如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初 级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的 培养条件，延长与产物合成有关的对数生长 期； 如果产品是非生长关联型（如次级代谢产 物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足 够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。
发酵动力学
5.1 发酵的主要类型
好氧发酵
发酵与氧的 关系不同 厌氧发酵 兼性厌氧发酵
分批发酵 发酵过程的主要 操作方式不同 连续发酵 补料分批发酵 生长偶联型发酵 分批发酵中菌体生 长与碳源消耗及产 物合成的关系 部分生长偶联型发酵 非生长偶联型发酵
1、分批发酵
最常见、最简单的操作方式，也称间歇 发酵或批式发酵。 是指将发酵培养基一次性投入发酵罐，经 灭菌、接种和发酵后再一次性的将发酵液放出 的一种操作方式。在发酵过程中，除了不断通 气和发酵尾气的排出及因调节pH需加酸或碱 外，整个系统与外界没有其他物资的交换。
1 dx 细胞生长的比速率为： x dt
底物消耗的比速率为qs∶ q 1 ds s
x dt
产物形成的比速率为qp： q 1 dp p x dt
5.2 分批发酵动力学
微生物分批发酵动力学主要研究微生物在 分批发酵过程中的生长动力学、基质消耗动 力学和代谢产物生成动力学。 5.2.1 微生物生长动力学 在对数生长期的时候，微生物的生长速率 达到最大并维持恒定值，其生长速率可用数 学式表示为： 或
Scrit
对Monod方程的理解 （1）当S<< KS，即基质浓度很低时，
max
KS
S
提高 S，可明显提高μ，此为一级反应。 当S>> KS，即基质浓度较高时，
μ μ max
μ与S无关，提高限制性底物浓度，则μ基本 不变，此为零级反应。
（2）培养基中只有一种底物是生长限制性底 物； （3） KS表示微生物对营养物质的吸收亲和力 大小， KS越大表示微生物对营养物质的吸收 亲和力越小。如果微生物对限制性底物有很 高的亲和力，则该底物浓度降到很低水平时 才会影响到微生物的生长，如果微生物对底 物亲和力低时，即时在该底物尚有较高浓度 时也会使生长速率衰减。
② 活塞流式 基本假设有： a 物料遵循严格的先进先出，象活塞一样 b 细胞浓度和营养物组分的浓度沿反应器 轴向逐渐变化，但沿径向方向无浓度梯度 c 反应器各处，各组分的浓度不随时间变化
恒化器
（2）全混式反应器类型
恒浊器
3. 流加发酵
流加发酵又称补料分批发酵 ，是在流加 阶段按一定的规律向发酵罐中连续的补加营 养物或前体，由于发酵罐不向外排放产物， 罐中的发酵体积将不断增加，直到规定体积 后放罐。 单一补料分批发酵 反复补料分批发酵
发酵动力学
1、 发酵动力学涉及的常规参数
符号 X S P O C Hv 参数 生物量 底物 产物 氧 二氧化碳 发酵热 测量方法 细胞干重，浊度，细胞数 酶法分析，化学法，色谱法 酶法分析、HPLC 或特殊方法 PO－专用电极分析 ＰCO２－专用电极分析 温度、热平衡
2、得率(或产率，转化率，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)所产生的菌体重量(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS 产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成 的产物的克数(或mol数)。这里消耗的基质是指 被微生物实际利用掉的基质数量。
3、有关速率的概念
dx 菌体生长速率为∶ rx dt
ds 底物消耗速率为∶ rs dt
产物生成速率为:
dp rp dt
4、有关比速率的概念
基质比消耗速率[qs,g(或mo1)／ g菌体· h]：系 指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它 表示细胞对营养物质利用的速率或效率。
产物比生产速率 [qp ， g( 或 mo1) ／ g 菌体 · h] ： 系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表 示细胞合成产物的速率或能力，可以作为判断 微生物合成代谢产物的效率。
典型的分批发酵工艺流程 ：
优点：操作简单、不容易染菌、投资低； 缺点：生产能力低、劳动强度大、而且每批 发酵结果都不完全一样，对后续的产物分离 将造成一定的困难。 分批培养系统属于封闭系统，只能在一 段有限的时间内维持微生物的增殖。微生物 处在限制性的条件下生长，表现出典型的生 长周期 。
2. 连续发酵
rP X
qP
产物的生成速率与微生物的生长速率无关，只 与菌体的生物量积累有关。
产物生成动力学的三种类型可归纳为：
dP dX k1 k2X dt dt
按k1、k2常数分： （1）k1=YP/X，k2=0， 生长偶联型 （2）k1>0, k2>0， 部分生长偶联型 （3）k1=0, k2>0， 非生长偶联型
4 生长关联型
产物直接来源于产
能的初级代谢（自身 繁殖所必需的代谢）， 菌体生长与产物形成 不分开。
例如单细胞蛋白和
葡萄糖酸的发酵
产物形成与生长有 关，如酒精、某些 酶等。
5、部分生长关联型
产 物也来 源于能 量
代谢所消耗的基质， 但产物的形成在与初 级代谢分开的次级代 谢中，出现两个峰， 菌体生长进入稳定期， 出现产物形成高峰。 例如，柠檬酸和某 些氨基酸的发酵。
连续发酵是指以一定的速度向发酵罐内添 加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液， 从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳 定状态下生长。 优点：长期连续进行，生产能力可达间歇发 酵的数倍。 缺点：操作控制要求高，设备投资高，杂菌 污染和菌种变异较严重，原料利用率 低，产物浓度低。
（1）连续发酵模型 ①全混式 基本假设有： a 进料液和出料也流量相等，容器中液体 体积恒定 b 反应器中底物、产物和细胞的浓度均匀 一致，即反应器中无浓度梯度 c 流出液中的物料组成与反应器中物料组 成一致
5.2.3 底物消耗动力学
底物主要消耗在以下三个方面：一是用 于合成新的细胞物质；二是用于合成代谢产 物；三是提供细胞生命活动的能量。因此底 物的消耗与微生物的生长繁殖和代谢产物的 合成密切相关。
dS 1 dX 1 dP mX dt YX / S dt YP / S dt QS
式中：
——
以细胞浓度表示的比生长速率 n—— 以细胞数量表示的比生长速率 X —— 细胞浓度，g/L N —— 细胞数量，个
两边积分得：
将式
微生物的生长有时候也可用倍增时间td表 示，即细胞浓度增加一倍所需的时间，即： td=ln2/μ=0.693/μ
例5-1 某微生物的μ ＝0.125 h-1 ，求td。 解： td=ln2/μ = 0.693/0.125=5.544 h
YX
/ S
QP m YP / S
• m—维系细胞结构和生命活动所需能量的 细胞维系系数，s-1 • 基质比消耗率QS=-dS/Xdt • 产物比生产率QP=dP/Xdt
ห้องสมุดไป่ตู้
补料分批发酵类型
优点：1、可以解除底物抑制、产物反馈抑制 和葡萄糖分解阻遏效应（葡萄糖效应是葡萄糖 被快速分解代谢所积累的产物在抑制所需产物 合成的同时，也抑制其他一些碳源、氮源的分 解利用）。 2、对于好氧发酵，可避免在分批发酵 中因一次性投入糖过多造成细胞大量生长，耗 氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。 3、它还可以在某些情况下减少菌体生 成量，提高有用产物的转化率。
无抑制的细胞生长动力学 ——Monod方程
现代细胞生长动力学的奠基人Monod 在 1942年便指出，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：
式中： —— 比生长速率； —— 最大比生长速率， S —— 限制性基质浓度(g/L)； Ks —— 饱和常数(g/L)，其值等于比生长 速率为最大比生长速率一半时的限制性基质浓度。
rP YP / X rX YP / X X
qP YP / X
Ⅱ型：也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）
rP rX X
qP
式中： α—与菌体生长相关联的产物生成系数 β—与菌体浓度相关联的产物生成系数 Ⅲ型：也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生 素、多糖）
S crit ：临界底物浓 度，比生长速率μ达 到最大比生长速率 μmax时的最低底物 浓度。
对于任一营养物质 S> S crit，为非 限制性底物 S< S crit，为限 制性底物
Scrit
5.2.2 产物合成动力学
Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间 的关系，将产物形成区分为三种类型： Ⅰ型：也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳 酸）
6、非生长关联型
产物是在基质消耗
和菌体生长之后，菌 体利用中间代谢反应 来形成的，即产物的 形成和初级代谢是分 开的。 如抗生素发酵。
产物的形成 速度与生长 无关，只与 细胞积累量 有关。如， 抗生素。
■分批发酵的分类对实践的指导意义
从上述分批发酵类型可以分析： 如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初 级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的 培养条件，延长与产物合成有关的对数生长 期； 如果产品是非生长关联型（如次级代谢产 物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足 够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。