6.发酵动力学

一 用中间代谢反应来形成的，即产物的形成和
分 初级代谢是分开的。
批 发
如抗生素发酵。
酵
动
力
学
发酵动力学
产物生成速率为
dp X或：dp X
一 dt
dt
分 β 非生长关联的生长比速
批
发 酵
dp 1 dp X kP
动 dt x dt
力 学
dp dt
qp
X
kP
P 产物失活常数
发酵动力学
一 分 批 发 酵 动 力 学
3. 产物合成动力学；
发酵动力学
发酵动力学涉及的常规参数
符号
参数
测量方法
X
生物量
细胞干重，浊度，细胞数
一
S
底物
酶法分析，化学法，色谱法
分 批
P
产物
酶法分析、HPLC 或特殊方法
发 酵
O
氧
PO－专用电极分析
动
C 二氧化碳
力 学
Hv
发酵热
ＰCO２－专用电极分析 温度、热平衡
发酵动力学
细胞生长的比速率 ：
学
当 S →∞时，μ→μm，说明 μm只是理论上
的最大生长潜力，实际上是不可能达到的。
发酵动力学
基质消耗动力学
基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成
一 分，其消耗分为三个方面：
分 批
细胞生长，合成新细胞；
发 酵
细胞维持生命所消耗能量的需求；
动
力 合成代谢产物。
学
发酵动力学
得率系数(Yi/j)
Yi/j是化学计量学中一种非常重要的参数，常
恒化器 具有恒定化学环境的反应器;恒化指 明了操作的稳定状态特征。恒化器的基本操 二 作模式如下图。
连 续 发 酵 动 力 学
发酵动力学
对于菌体：
积累的细胞＝（进入-流出）的细胞 +（生 二 长-死亡）的细胞
连 续 发 酵 动 力 学
发酵动力学
因①流入反应器的菌体浓度 x0 为零；②μ＞ ＞ε；③培养液体积不变；
增时间，用 td 表示。则：
一
分
批
发
酵
动
力 学
该式即是微生物在对数生长期的增殖模式
发酵动力学
μ因菌体所处的环境条件而改变；环境的恶 化，菌体增殖进入减数期。
一 1949年，莫诺发现细菌的比生长速率与单一
分 限制性基质之间存在一定关系；借助郎格谬
批 发 酵
尔方程，莫诺建立了被称为莫诺方程的经验 公式：
发
酵
动
力
学
发酵动力学
三 分批补料发酵
补料分批发酵是指在发酵过程中,连续或间
三 歇补加一种或几种培养基成分,但发酵过程
分 批
中不取出发酵液的发酵方法。又称半连续培
补 养，是介于分批培养过程与连续培养过程之
料 发
间的一种过渡培养方式。
酵
发酵动力学
与分批培养方式比较
1.可以解除培养过程中的底物抑制、产物的反
s
力
学 式中：m为碳源维持常数
m 1 dS X dt M
发酵动力学
于是
一
1 rs Yx
m
1
Y
p
qp
s
s
分
批
发 酵
qs ：基质消耗比速
1 ds qs X dt
动
力
学
发酵动力学
在以微生物细胞为目的的培养过程中，
代谢产物的积累可以忽略不计，这样上 式就可简化为：
一 分 批 发
1
qs
Y
氧等都保持恒定，并从系统外部予以调控。
二 这样就大大提高了设备利用率。
连 续
与分批发酵相比较，连续发酵具有单位产
发 酵 动
量的反应器容积小，人工费用低，产品质 量稳定及发应速率容易控制的优点。
力
学 连续培养方法 从设备分类、从控制方法
分类、从菌种循环角度分类、从培养级数
分类。
发酵动力学
单级连续培养
但这些变量中D是最基本的变量，这不仅因
为D可以通过加料量 F 而任意调节，更重要
二 的D一旦变化，就会引起 x、S、μ等一系列
连 续
变化，直至达到新的稳定状态。
发
酵 动
当流速低，即 D 较小时，营养物质全部被
力 学
细胞利用，S →0，细胞浓度 x = S0·Yx/s ；
发酵动力学
如果D增加，开始x呈线性慢慢下降，然后，
二
连 续
可见，单级恒化器连续培养菌体的稳态操作
发 酵
必须有D＜Dc；
动 力
如果D>Dcrit ，反应器中的菌体终将被冲出；
学 如果 D 只稍微低于 Dc ，那么整个系统对外
界环境的变化是非常敏感的，随D的微小变
化，x 将发生巨大的变化。
发酵动力学
连续培养中存在的问题
污染杂菌
二
连 续
菌种的遗传稳定性
X0 X
t0
发酵动力学
X1 1 dx t1 dx (4)
X0 X
t0
一
X X ln
ln
1
0 (t1 t0 )
(5)
分 批 发 酵
ln
X1 X0
(t1 t0 )
(6)
动
力 学
X1 X0e t1t0
(7)
发酵动力学
当 X ＝2X0 时，即细胞通过分裂繁殖一代， 数量增加一倍所用的时间叫世代时间或倍
二 连 续 发 酵 动 力 学
发酵动力学
在恒定条件下：
二 连 续 发 酵 动 力 学
发酵动力学
上面的几个平衡式即是单级恒化器在达到平 衡时的基本特征，式中均涉及到稀释率。
稀释率与细胞浓度、营养物质浓度之间存在 二 相互关系的关系。
连 续 发 酵 动 力 学
发酵动力学
连续培养中，变量很多，如 x、S、D及μ等，
分批发酵的特点
其优点是： ① 对温度的要求低，工艺操作
一 分 批
简单； ② 比较容易解决杂菌污染和菌种退 化等问题； ③ 对营养物的利用效率较高，
发 酵
产物浓度也比连续发酵要高。
动 力
缺点是： ① 人力、物力、动力消耗较大；
学 ② 生产周期较长； ③ 非发酵时间长，生产
效率低；
发酵动力学
二 连续培养动力学
分 批
复杂的过程，目前大多数研究只限于以宏
发 酵 动
观过程变量描述的模型，应用上有一定的 局限性。
力
学
发酵动力学
根据培养中过程中菌体的生长，发酵参数
（培养基，培养条件等）和产物形成速率三
一 者间的关系将发酵过程划分为不同的类型。
分
批 发
分批发酵类型分为：
酵 第一类型 第二类型 第三类型
动
力
学
发酵动力学
发酵动力学
分批发酵的分类对发酵实践具有指导意义
如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初
一 级代谢产物），宜采用有利于细胞生长的培
分 批
养条件，延长与产物合成有关的对数生长期；
发 酵
如果产品是非生长关联型（如抗生素），则
动 宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌
力 学
体细胞后延长平衡期，以提高产量。
发酵动力学
第一类型（生长关联型）
产物直接来源于初级代谢，菌体生长与产物
一 形成不分开。
分 批
例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵
发
酵 动
产物生成速率为
力
学
dp dt
YP
X
dX dt
发酵动力学
一 分 批 发 酵 动 力 学
发酵动力学
第二类型（部分生长关联型）
产物也来源于能量代谢所消耗的基质（与碳
一 源消耗部分关联在一起），但其形成在菌体 分 增殖的后期；
一 殖的主要时期；在讨论微生物生长动力学时，
分 批
以生长曲线的对数期为基础建立其生长模型。
发
酵
动
力
学
发酵动力学
在对数生长期，菌体生长比速μ为常数：
1 dX 1
一
X dt
1 dX dt (2)
X
分
批 发
在t0时，菌体浓度为X0；t1时，为X1，则（2）
酵 式变为：
动
力
学
X1 1 dx t1dx 3
x
m
s
酵 动
就 qs 与μ的关系来看，该式是一条直线
力 学
方程，其截距为碳源维持常数 m，其斜
率为 1/Y*x/s
发酵动力学
qs（mol/g.h）
一
分
批
发酵动Fra bibliotek力 学
m
斜率＝1/Y*x/s
μ 对 qs 作图
μ（h-1）
发酵动力学
产物合成动力学
产物的合成（指除细胞以外的产品），特
一 别是次级代谢产物的生物合成是一个非常
1 dx
x dt
一
分 批 发 酵 动
底物消耗的比速率qs∶
1 ds qs x dt
力
学 产物形成的比速率qp：
1 dp qp x dt
发酵动力学
生长曲线 延迟期 对数生长期 静止期 减数期 衰亡期
一 分 批 发 酵 动 力 学
丝状真菌和放线菌
发酵动力学
细胞生长动力学模型
在一个间隙培养的周期中，对数期是菌体增
并以数学语言进行描述。
发酵动力学
研究发酵动力学的目的
通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调
控方式；
一 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的
分 工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；
批 发
控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。
酵
动 力
发酵动力学研究的具体内容
学 1. 微生物生长，死亡动力学；
2. 基质消耗动力学；
一 用于对碳源等底物形成菌体或产物的潜力进
分 行评价，其中i 表示菌体或产物，j 表示底物
批 发
如，菌体对底物的得率系数可表示为
酵
动
力
学
Yx s
反反应应过过程程消中耗生基成质菌的体摩的尔质数量＝ddxs
发酵动力学
用Y*s/ x表示菌体的理论得率：
Yx s
生成菌体的质量 用于同化为菌体碳源消
耗＝ddxsG
批 发
生长出现两个峰；
酵 例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。
动
力
学
发酵动力学
产物生成速率为
一 dp dX X
分 dt dt
批
发 α 与生长关联的细胞生产能力
酵 动
β 非生长关联的生长比速
力 学
qP
发酵动力学
一 分 批 发 酵 动 力 学
发酵动力学
第三类型（非生长关联型）
产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利
六 发酵动力学
发酵动力学
一 分批发酵动力学
分批发酵：在一封闭系统内含有初始限量基
一 质的发酵方式。除了氧气、消泡剂及控制pH
分 的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵
批 发
过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。
酵
动 力
发酵动力学：
学 研究发酵过程变量在活细胞的作用下的变化
规律，以及发酵条件对这些变量变化的影响，
发
酵 动
③合成代谢产物的消耗，用(ΔS)P表示；
力 则碳源衡算式为：
学
S SG Sm SP
发酵动力学
根据得率表达式结合碳源衡算式，得 ：
一 分
ds 1 dt Yx
dx dt
m
X
1 Yp
dP dt
s
s
批 发 酵 动
ds X
1
dt Yx
m
X
Y
p
dP dt
s
长速率来生长。
发酵动力学
对于限制性底物：
积累底物＝（流进-流出）-（生长+产物+维 持）所消耗的底物
二 连 续 发 酵 动 力 学
发酵动力学
二 连 续 发 酵 动 力 学
发酵动力学
产物形成量很小，可以忽略，这样，在恒定 状态下
二 连 续 发 酵 动 力 学
发酵动力学
对于产物形成： 积累的产物＝（生成-流出）的产物
三 馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应；
分 批
2.对于耗氧过程，可以避免在分批培养过程中
补 料
因一次性投糖过多造成的细胞大量生长、耗氧
发 过多以至通风搅拌设备不能匹配的状况；在某
酵 及
种程度上可减少微生物细胞的生成量、提高目
其 的产物的转化率；
动
力
学
发酵动力学
该式中 μmax 称为最大比生长速率，是在 S＞ ＞KS，且其他成分保持不变的情况下取得的; S 是限制性底物浓度。
一 分
由该式可知，当μ＝1/2μmax 时，有KS= S；所
批 发 酵
以，莫诺常数KS 的意义：当微生物的生长 速率等于最大比生长速率的一半时的底物浓
动 力
度；KS 表示微生物对底物的亲和力。
连续培养方法是 1949 年由莫诺首先提出和
建立起来的；连续培养是针对间隙（分批）
二 连
培养而言的，即以一定速率不断向混合均匀
续 的发酵罐中供给新鲜的培养基，同时等量的
发 酵
排出发酵液，维持发酵液量一定的培养方法。
动
力
学
发酵动力学
连续发酵中，微生物的生长代谢活动保持
旺盛的稳定状态，而 pH、营养成分、溶解
当D＝μmax时，x下降到 0 ；开始时，S随D
二
的增加而缓慢增加，当D＝μmax时，S→S0； x＝0表示反应器中的菌体通过稀释被“清洗
连 续
出罐”，此时的稀释率定义为临界稀释率Dc：
发
酵
动
力
学
发酵动力学
S（g/L） X，DX（g/L）
10 5
X
二8 4
DX
连 续
6
3
发 酵
4
2
动 力
2
1
学00
DX
二
连
续 发
F/V 单位体积培养液的流率，用稀释率 D
酵 动
来描述，表示反应器中物料更新程度，是连
力 续培养中的一个重要的参数;稀释率的倒数
学 就是物料在反应器中的平均停留时间。
发酵动力学
二 对于恒化器而言，因菌体浓度处于恒定状态，
连 续
所以：
发
酵
动
力
学
这表明，在一定范围内，人为地调节培养基
的流加速度，可以使细胞按照所希望的比生
S
max
D(1/h)
①D→0；x 达最大值,S 最小。
②D增大，S 增大，x减
少，直至最 后x=0
发酵动力学
S（g/L） X，DX（g/L）
10 5
X
二8 4
DX
连6 续
3
发4 2
酵
动2 1
力
学00
DX
③清洗点 ：
S
D→ μmax 时， S迅速增大到
S0，x迅速下 降到0 。
max
D(1/h)
发酵动力学
一 分
代谢产物的得率用Yp/s表示：
批
dP
发 酵