微生物工程--发酵过程动力学的基本概念

微生物的最大比生长速率在工业上的意义
• 为保证工业发酵的正常周期，要尽可能地使 微生物的比生长速率接近其最大值。 • 最大比生长速率不仅与微生物本身的性质有 关，也与所消耗的底物以及培养的方式有关。 • 限制微生物生长代谢的并不是发酵液中营养 物质的浓度，而是营养物质进入细胞的速度。
(3)稳定期
（三）、连续发酵法
• 所谓连续培养，就是在发酵过程中一边补 入新鲜料液，一边以相近的流速放料，维 持发酵液原来的体积。
连续发酵优点：
• ①高效，它简化了装料、灭菌、出料、清洗发酵罐等 许多单元操作，从而减少了非生产时间和提高了设备 的利用率； • ②自控，便于利用各种仪表进行自动控制； • ③产品质量较稳定； • ④生长与代谢产物形成的两种类型节约了大量动力、 人力、水和蒸汽，且使水、汽、电的负荷均匀合理。
μ＝f(S)
1942年，Monod提出了在特定温度、pH值、营养物 质类型、营养物浓度等条件下，微生物细胞的比生长速 率与限制性营养物的浓度之间存在着一个关系式。
• Monod方程
m c( S )
K S c( S )
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。
搅拌罐(串联)
搅拌罐串联(菌 体部分重复使用 )
透析膜培养
搅拌发酵罐 ( 菌 体100％重复使 用) 塔式发酵罐 ( 菌 体100％重复使 用) 管道发酵器 ( 菌 体100％重复使 用) 搅拌发酵罐 串联(菌体100 ％重复使用) 塔式发酵罐 (菌体100％重 复使用) 塔式发酵罐 装有隔板的 管道(菌体100 ％重复使用)
补料分批培养的优点
与分批培养方式比较 1、可以解除培养过程中的底物抑 制和葡萄糖的分解阻遏效应 2、对于好氧过程，可以避免在分 批培养过程中因一次性投糖过多造 成的细胞大量生长、耗氧过多以至 通风搅拌设备不能匹配的状况；在 某种程度上可减少微生物细胞的生 成量、提高目的产物的转化率。 3、微生物细胞可以被控制在一系 列连续的过滤态阶段，可用来控制 细胞的质量；并且可重复某个时期 细胞培养的过渡态，可用于理论研 究 与连续培养方式的比较 1、不需要严格的无菌条件 2、不会产生微生物菌种的 老化和变异 3、最终产物浓度较高，有 利于产物的分离 4、使用范围较广
• 接种物的生理状态和浓度影响停滞期的长 短。
解决途径：
• 一是尽量选择处于指数生长期的种子。
• 二是扩大接种量。但是，如果要扩大接种量，又往往需 要多级扩大制种，这不仅增加了发酵的复杂程度，又容 易造成杂菌污染，故而应从多方面考虑。
(2)对数生长期
• 处于对数生长期的微生物细胞的生长速率大 大加快，单位时间内细胞的数目或质量的增 加维持稳定，并达到最大值。 • 此时，如以细胞数目或生物质量的对数值对 培养时图，将得一直线，该直线的斜率就等 于μ 。
连续发酵缺点：
• 菌种易于退化。 • 其次是易遭杂菌污染。 • 在连续培养中，营养物的利用率一般亦低于单批培养。
连续发酵类型
类 型 开放式(菌体取出) 单罐 多罐 封闭式(菌体不取出) 单罐 多罐
均 匀 混 合
非循 环
循环
搅拌发酵罐
搅拌发酵罐 (菌体部分 重复使用) 管道发酵器 塔式发酵罐 管道发酵器 塔式发酵罐 (菌体部分 重复使用)
• 在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被消耗， 一些对微生物生长代谢有害的物质在不断积累。受此 影响，微生物的生长速率和比生长速率就会逐渐下降， 直至完全停止，这时就进入稳定期。
• 处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变；但微 生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的组成物质 还在不断变化。 • 由于细胞的自溶作用，一些新的营养物质，诸如细胞 内的一些糖类、蛋白质等被释放出来，又作为细胞的 营养物质，从而使存活的细胞继续缓慢生长。（二次 或隐性生长） • 微生物的很多代谢产物，尤其是次级代谢产物，是在
一、 微生物分批发酵动力学
1、分批发酵的不同阶段：
减速期
静止期
衰亡期
延迟期： dx 0 dt 指数生长期: max
菌体浓度
指数生长期 延迟期
d max 减速期: dt
dx 静止期： 0 dt
X Xmax
时间
衰亡期: dx 0
dt
(1) 停滞期
• 停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。
• 定义：每一个分批发酵过程都经历接种，生长繁殖，
菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。
• 特点：微生物所处的环境是不断变化的，可进行少 量多品种的发酵生产，发生杂菌污染能够很容易终 止操作，当运转条件发生变化或需要生产新产品时， 易改变处理对策，对原料组成要求较粗放等。
（二）、补料分批发酵法
• 定义：所谓分批补料培养技术，是指在分批培 养过程中，间歇或连续的添加新鲜培养基的方 法。
• (1)类型Ⅰ（偶联型模型） 产物的形成与细胞生长呈相关的过程。产物是 细胞能量代谢的结果，此时产物通常是基质的分 解代谢产物。例如乙醇、乳酸发酵。 其动力学方程可表示为:
式中 d [ P] dX YP / X YP / X X 或 QP YP / X dt dt YP/X —系以菌体细胞量为基准的产物生成系数，g / g； [P ]—产物浓度，g / L； X —菌体浓度，g / L; d [ P] —产物生成速率，g /( L h)； dt QP —产物形成的比速率，g 产物／（g 细胞 h）。
二、基质消耗速率
以菌体得率系数为媒介，可确定基质的消耗速率 与生长速率之间的关系。
X
YX / S -
基质的消耗速率 基质的比消耗速率
S
YX / S —菌体得率系数，g / g
＝
S
X

YX/S
当基质既是能源又是碳源时：
碳源总消耗速率＝用于生长的消耗速率＋用于维持代谢的 消耗速率
• (2)类型Ⅲ（非偶联型）
产物的形成与细胞生长不相关或无直接关系， 其特点是细胞生长期基本无产物合成，细胞停止 生长产物则大量合成。属于这类的产物是次级代 谢产物。例如青霉素、链霉素等抗生素发酵。
其动力学方程可表示为：
d [ P] X 或 QP dt 式中： —非生长偶联的比生产速率，g /( g细胞 h)。
dX x X dt 1 dX X dt t 时间， h;
x 菌体生长速率，g /( L h);
X 微生物浓度
比生长速率除受细胞自身遗传信息支配外，还受 环境因素的影响。
微生物细胞比生长速率和倍增时间因受遗传特性和生 长条件的控制，有很大的差异。
由
1 dX 可知，与倍增时间(doubling time) td的关系为： X dt ln 2 0.693 td td
基质的消耗速率 1 S X m X YG
m —基质维持代谢系数，mol /( g , 菌体 h) －S —碳源总消耗速率，mol /( L h)
X —菌体生长速率，g /( L h)
YG —菌体生长得率系数，g / mol 两边同除X , 则， 1 m YG
说明：菌体得率
• 定义：消耗单位基质量ΔS（每克或每摩尔） 与生成的干菌体ΔX（g）之间的比值定义 为菌体得率（YX/S）。[消耗1g基质生成细胞的
克数]
YX / S
X ( g / g或g / mol ) S
通常，菌体X以干重表示；基质S是培养液中 某一限制性底物。
三、代谢产物的生成速率
进行反应，如淀粉的液化、异构糖的生产、无侧链
青霉素（6-APA）的制造等。
重点
• 另一种是通过细胞的培养，利用细胞中的酶系，把 培养基中的物质通过复杂的生物反应转化成新的细 胞及其代谢产物。
生物反应动力学的研究内容
研究反应速度及其影响因素并建立 反应速度与影响因素的关联
反应动力学模型
反应器特性
反 应 器 的 操 作 模 型
非 均 匀 混 合
非循 环 循环
塔式发酵罐装有 隔板的管道发酵 器(卧式、立式) 塔式发酵罐装有 隔板的管道发酵 器(菌体部分重 复使用)
单罐均匀混合连续发酵
管道非均匀混合连续发酵
塔式非均匀 混合连续发 酵
第三节、微生物发酵动力学
• 生物反应动力学是研究生物反应过程中菌 体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡 及其内在规律。 • 研究内容包括发酵过程菌体生长速率、基 质消耗速率和产物生成速率的相互联系， 环境因素对三者的影响，以及影响其反应 速率的条件。
操作条件 与反应结 果的关系， 定量地控 制反应过 程。
第一节、生物反应过程动力学描述
发酵过程反应的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
生物过程反应速度的描述
菌体生长速率/菌体比生长速率 基质消耗速率/基质比消耗速率
产物形成速率/产物比形成速率
一、菌体生长速率 • 菌体生长速率 • 比生长速率
• 特点：与传统分批发酵相比，其优点在于 使发酵系统中维持很低的基质浓度。
– 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。
补料分批培养适合于以下条件
• • • • •
①生长非偶联型产物的生产 ②高密度培养 ③产物合成受代谢物阻遏控制 ④利用营养缺陷型菌株合成产物 ⑤补料分批培养还适用于底物对微生物具有抑 制作用等情况。 • ⑥此外，如果产物黏度过高或水分蒸发过大使 传质受到影响时，可以补加水分降低发酵液黏 度或浓度。
代谢产物的生成速率
P P
c( X )
代谢产物的比生长速率 Q＝
CO2的Q值，常表示为Q CO 2 呼吸商（RQ）：好氧微生物中 CO 2 相对于氧的消耗。 c(CO2 ) CO2 QCO2 RQ＝ c(O2 ) O2 QO2
发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） 菌体的生长比速：
第六章 发酵过程动力学的基 本概念
张 海 龙
山东教育学院 生物系 Shan Dong Institute of Education
主要内容：
• • • • 一、生物反应动力学描述 二、生物反应模式与发酵方法 三、微生物发酵动力学 四、微生物生长代谢过程中的质量平衡
生物反应： • 一种是使底物在酶（游离酶或固定化酶）的作用下
1 dX X dt 1 dS v X dt 1 dP Qp X dt
(h-1)
基质的消耗比速：
(h-1)
产物的形成比速：
(h-1)
第二节、生物反应模式与发酵方法
一、生物反应模式
根据产物生成速率与细胞生成速率的关系分类
P X
P X X
P
生长偶联型
非偶联型
混合型
根据产物生成速率与细胞生成速率的关系分类
• (3)类型Ⅱ（混合型）
产物的形成与细胞生长部分相关或具有间接 关系，例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。 其动力学方程可表示为：
d [ P] dX X X X dt dt 或 Q P＝＋
式中： —与生长偶联的产物形成系数，g / g细胞；
—非生长偶联的比生产速率，g /( g细胞 h)。
1
式中： m — 微生物最大比生长速率 ，h ; c( S ) — 限制性营养物质浓度， g / L; K S — 饱和常数，m g / L。
•
KS
的物理意义
– 当比生长速率为最大比生长速率一半时的限制性 营养物质浓度，它的大小表示了微生物对营养物 质的吸引亲和力大小。
KS越大，表示微生物对营养物质的吸引亲和力越小， 反之越大。对于许多微生物来说，KS值是很小的，一般为 0.1~120mg/l或0.01~3.0mmol/l，这表示微生物对营养物质 有较高的吸收亲和力。
(4)死亡期
• 在死亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗 殆尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细 胞开始死亡。 • 在发酵工业生产中．在进入死亡期之前应及时 将发酵液放罐处理。
2、微生物分批培养Fra Baidu bibliotek生长动力学方程
微生物的生长速度：
μ＝f(s,p,T,pH,……,)

在一定条件下(基质限制)：
说明：代谢产物收率
• 定义：生成的代谢产物量ΔP对底物的消耗 量ΔS（g）之比定义为代谢产物收率 （YP/S）。 P YP / S ( g / g或mol / mol ) S
YPtheor /S
假如完全没有菌体生成，则理论代谢产物收 率可达到最大值。
二、发酵操作方法
（一）、分批发酵法