发酵工程 第七章 发酵动力学

t5
时间 t
分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线
关于菌龄的描述
• 微生物细胞倍增时间与群体生长动力学
– 细菌：典型倍增时间1hr – 酵母：典型倍增时间2hr – 放线菌和丝状真菌：典型倍增时间4－8hr
微生物细胞群体生长动力学是反映整个群体的生 长特征，而不是单个微生物生长倍增的特征。
因此，菌龄是指一个群体的表观状态。
催化剂 温度 酸碱度 浓度
如何确定高产高效 的最佳条件？
采用反应动力学方法 进行定量研究
• 课程重点：主要针对微生物发酵的表观动力学，通过 研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶 促反应体系的宏观变化速率，主要包括：
– 细胞生长动力学 – 底物消耗动力学 – 产物合成动力
重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动 态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。
发酵研究的关键问题
• 提高生物催化与转化能力。 • 分子水平
酶催化反应活性 酶基因表达调控 • 细胞水平 一系列酶促反应的交互 细胞水平的综合
细胞生长、底物消耗、产物合成
• 反应器水平 一系列细胞酶促反应的集成 规模放大对细胞及分子水平的影响及控制
优化发酵过程达到高产目标的方法
• 提高转化率和效率的三个方面。 • 发酵动力学研究
第七章 发酵动力学
生物反应分类
一、通过细胞培养，利用细胞产生的酶系统，把培养基中的物
质转化成新的细胞及其代谢产物。
底物
细胞
新的细胞 + 代谢产物
二、在酶的作用下，底物反应生成产物。
淀粉
淀粉酶
糊精 + 低聚糖
发酵的目的
• 获得产物，提高发酵生产率，即提高微生物的催化与转化 能力。
• 降解有害底物，保护环境。 • 降解废弃底物，形成生物能源产品。 • 降解长链烃底物形成发酵产物，促进采油。
什么是发酵动力学？
发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间
动态定量关系，定量描述微生物 生长 和 产物形成 过程。
主要研究：
1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成 速率、底物消耗速率及其转化率、效率等； 2、影响发酵动力学参数的各种理化因子； 3、发酵动力学的数学模型。
研究发酵动力学的目的
但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达到 认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。
发酵动力学研究的基本过程
首先研究微生物生长和产物合成限制因子； 建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型； 确定模型参数； 实验验证模型的可行性与适用范围； 根据模型实施最优控制。
本章主要内容
➢ 分批发酵动力学 ➢ 连续发酵动力学 ➢ 补料分批发酵动力学
什么是分批发酵？
• 分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接 种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。
• 分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延 滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止 期）和衰亡期五个时期。
分批发酵过程
典型的分批发酵工艺流程图
分批发酵动力学-细胞生长动力学
菌体浓度X
t1
t2 t3
t4
∴ 减速期， µ ↓
分批发酵动力学-细胞生长动力学
ms
Ks s
lnxlnx0
ms t
Ks s
x x0et
比 生
Monod方程：
mSt Ks St
长
素 率
表征μ与培养基中残留的
生长限制性底物St的关系
μ
限制性底物残留浓度St
残留的限制性底物浓度对微生物 比生长率的影响
Ks—底物亲和常数，等于
N0、Nt—初始细胞个数和t时细胞个数； —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。
分批发酵动力学-细胞生长动力学
lag: x不变, 即 dx 0, 0
dt
exp:(假定无抑制作用存在)
m
m源自文库
1 x
dx dt
ln x ln x 0 m t
x e x 0 mt
分批发酵动力学-细胞生长动力学
一、认识发酵过程的规律； 二、合理设计的发酵过程，确定最优发酵过程
参数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧，等 等，确定最佳发酵工艺条件； 三、提高发酵产量、效率和转化率等。
动力学主要探讨反应速率问题：
生化反应： aA + bB cC + dD
如何能最快最多的获得目的产物 反应动态平衡 改变条件 破坏平衡
处于1/2μm时的底物浓度， 表征微生物对底物的亲和力，
两者成反比。
酶促反应动力学－米氏方程：
v Vm[s] Km [s]
受单一底物酶促反应限制的微生物 生长动力学方程－Monod方程：
ms
Ks s
1 Ks 1 1
m S m
• Monod方程应用：
– 测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值） – 实验确定适于微生物生长的最佳底物（ ？） – 比较不同底物发酵最终残留的大小（ ？） – 比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培
养的稀释率
分批发酵动力学-细胞生长动力学
Stationary（不生长或生长率与死亡率相等）:
1xddxt0，xxm（ax浓度最大）
dying:
对现有微生物本征动力学认识，弄清不同水平的主要 影响因素和控制措施。 • 菌种选育
改造、修饰和构建 • 工程措施
反应器结构及操作性能优化，提高混合、传热、传质 以及细胞间的信号传递，调控细胞群体的发酵能力。
发酵动力学研究方法
• 基于细胞水平展开，包括活细胞、休眠细胞（休止细胞或 静止期细胞）和死亡细胞形成产物过程的定量研究。
分批发酵动 力学
➢ 细胞生长动力学 ➢ 基质消耗动力学 ➢ 产物形成动力学
分批发酵动力学-细胞生长动力学
微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细 胞数量在单位时间内的增加量来表示（μ、μn）：
1 X
dX 或
dt
n
1 N
dN dt
Xt X0et 或 Nt N0ent
X—细胞浓度（g/L）；N—细胞个数； t—生长时间； X0、Xt—初始微生物浓度和t时细胞浓度；
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
(1)若不存在抑制物时
Monod 模型:
ms
Ks s
S—限制性基质浓度，mol/m3
Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微 生物对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力 越小， µ越小。
① 当S较高时，(对数期满足S>>10Ks)，此时，µ= µm ② 当S较低时，(减速期， S<<10Ks)，此时S↓，µ ↓