微生物发酵动力学

Vm [ s ] v= K m + [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：
µ=
µm s
Ks + s
Ks 1 1 = ⋅ + µ µm S µm
1
Monod方程应用
1. 测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值） 2. 实验确定适于微生物生长的最佳底物（ ？） 3. 比较不同底物发酵最终残留的大小（ ？） 4. 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
有效电子所生成的细胞克数； ③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。
基质消耗动力学
产物得率系数：
Yp/s , YP / O2 , YATP / s , YCO2 / s
消耗每克营养物（s）或每克分子氧(O2)生成的 产物(P)、ATP或CO2的克数。
YP / S
∆p = ∆s
基质消耗动力学
基质消耗速率与生长、合成关系如下： 表观： dx = −YX / S ⋅ ds ⇒ − ds = 1 ⋅ dx = µx
dt dt dt YX / S dt
YX / S
1 dp dp ds ds = −YP / S ⋅ ⇒ − = ⋅ dt dt dt YP / S dt
专一性：
1 dp ds µx − = + mx + ⋅ dt YG YP dt
思考题
1、分批发酵与连续发酵的概念 2、比生长速率的定义和计算公式 3、Monod方程及其意义
qS =
µ
YX / S
qp qs = YP / S
1 dp ds − = ⋅ dt YP / S dt
产物形成动力学
根据发酵时间过程分析，微生物生长与产物合成存在 以下三种关系： 与生长相关→生长偶联型 与生长部分相关→生长部分偶联型 与生长不相关→无关联
相关型
部分相关型
非相关型
产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图
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，如： 基质浓度、温度、pH、溶氧，等等 提高发酵产量、效率和转化率等
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。
补料分批发酵
类型
连续流加
补料方式
快速流加
流加方式
不连续流加 多周期流加
恒速流加 变速流加
单一组分补料
以补加的培养基成分来区分
多组分补料
补料分批发酵
优点
可以解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应。 避免在分批发酵中因一次性投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。 菌体可被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来作为控制 细胞质量的手段。 与连续发酵相比，补料分批发酵的优点在于：①无菌要求低； ②菌种变异，退化少；③适用范围更广。
分批发酵动力学
当培养基中存在多种限制性营养物时Monod方程应改 为：
K1S1 K 2 S2 KnSn 1 µ = µ max Ki K + S + K + S + + K n + Sn 2 2 ∑ 1 1 i =1
基质消耗动力学
单级连续发酵
进行细胞回流的单级连续发酵 • 概念：进行单级连续发酵时，把发酵罐流出的发酵 液进行分离，经浓缩的细胞悬浮液送回发酵罐中。
•优点：提高了发酵罐中 的细胞浓度，也有利于提 高系统的操作稳定性。 a: 再循环比率（回流比）; c: 浓缩因子
塞流式连续发酵
无菌培养 基流入
发酵罐 d 供给连续接 种再循环
单级连续发酵
单级连续发酵示意图
多级串联连续发酵
两级连续发酵示意图
两个及以上的发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出料作为下一 级发酵罐的进料。
多级串联连续发酵
培养基输入
培养基进入 下一级发酵罐
培养基进入 后处理或到 下一级发酵罐
多级罐式连续发酵装置示意图
多级串联连续发酵
罐式连续发酵实现方法 恒浊法：通过调节营养物的流加速度，利用浊度计 检测细胞浓度，使之恒定。 恒化法：保持某一限制性基质在一恒定浓度水平， 使菌的比生长速率µ保持一定。
Monod方程
表征μ与培养基中残留的生长限制性底物St的关系
µm St µ= Ks + St
Ks：底物亲和常数，等于处于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。
比生长速率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
Monod方程与米氏方程
酶促反应动力学－米氏方程：
连续发酵动力学
优缺点 • 添加新鲜培养基，克服养分不足所导致的发酵过程 过早结束，延长对数生长期，增加生物量等； • 在长时间发酵中，菌种易于发生变异，并容易染上 杂菌； • 如果操作不当，新加入的培养基与原有培养基不易 完全混合。
补料分批培养
补料分批培养
补料分批培养（Fed-batch culture）：
基质消耗动力学
•为了扣除细胞量的影响， •定义：基质比消耗速率
产物比生成速率
qP qS = + m + YG YP
1 ds qS = − ⋅ x dt
1 dP qP = ⋅ x dt
µ
1 dp ds µx − = + mx + ⋅ dt YG YP dt
1 dx µx ds − = ⋅ = dt YX / S dt YX / S
产物生成与能量代谢不直接相关，通过细胞进行的独 特的生物合成反应而生成。
分批发酵的优缺点
优点： 操作简单、投资少 运行周期短 染菌机会减少 生产过程、产品质量较易控制
分批发酵的优缺点
缺点： 不利于测定过程动力学，存在底物限制或抑制问 题，会出现底物分解阻遏效应?及二次生长?现象。 对底物类型及初始高浓度敏感的次级代谢物如一 些抗生素等就不适合用分批发酵（生长与合成条 件差别大） 养分会耗竭快，无法维持微生物继续生长和生产 非生产时间长，生产率较低
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（比生长速率：μ、μn）：
1 dX 1 dN µ= 或 µn = N dt X dt
X t = X 0e
µt
或
N t = N 0e
µ nt
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； N0、Nt—初始细胞个数和t时细胞个数； μ—以细胞浓度表示的比生长速率； μn —以细胞数量表示的比生长速率。
连续发酵动力学
什么是连续发酵
连续发酵概念： 在发酵过程中，连续向发酵罐流加培养基，同时以相 同流量从发酵罐中取出培养液。 •特点： 添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生 产过程，获得相对稳定的连续发酵状态。
连续发酵类型
罐式连续发酵 单级 多级串联 细胞回流式 塞流式连续发酵
分批发酵过程中补充培养基，不从发酵体系中排出发 酵液，使发酵液的体积随着发酵时间逐渐增加 。
补料分批发酵
• 概念：在发酵过程中，不连续地向发酵罐内 加入培养基，但不取出发酵液的发酵方式。
• 特点：由于培养基的加入，发酵液体积不断 增加。
补料分批发酵
•半连续发酵：在发酵过程中，每隔一定时间，取出 一定体积的发酵液，同时在同一时间间隔内加入相等 体积的培养基，如此反复进行的发酵方式。 • 特点：稀释率、比生长速率以及其它与代谢有关的 参数都将发生周期性的变化。
得率系数
指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量。其大小取决于生 物学参数（µ, x）和化学参数（DO, C/N, 磷含量等） （1）生长得率系数 ① Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克营养物、每克分子氧以及每千卡
∆x YX / S = 能量所生成的细胞克数； ∆s ② Yx/c、 Yx/N、 Yx/p、Yx/Ave- ：消耗每克C、每克N、每克P和每个
对于单级恒化器：X0 =0 且通常有： µ >> α
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dx ∴ = (µ − D )x dt
连续发酵动力学
dx = (µ − D )x dt
A.稳定状态时，
dx =0 dt
此时 µ =D（单级连续发酵重要特征）
B.不稳定时， 当µ>D， 当µ<D，
dx > 0, x ↑ dt
dx < 0, x ↓ dt
培养物 流出
连续发酵动力学
① 稀释率
D=F/V (h-1)
F—流量（m3/h） V—培养液体积（m3）
② 理论停留时间
1 TL = D
连续发酵动力学

细胞的物料衡算（µ和D的关系）
积累的细胞（净增量）= 流入的细胞-流出的细胞+生长的细 胞-死亡的细胞
dx F F dx = x0 − x + − αx dt V V dt G = Dx0 − Dx + µx − αx
dP dx =α + βx → qP = αµ + β dt dt
产物间接由能量代谢生成，不是底物的直接氧化产物， 而是菌体内生物氧化过程的主流产物（与初生代谢紧 密关联）。
产物形成动力学
与生长不相关→无关联：抗生素发酵
dP = βx dt
qp = β
若考虑到产物可能存在分解时，则
dP = βx − k d P = q p x − k d P dt
第六章 微生物发酵动力学
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。
产物形成动力学
与生长相关→生长偶联型：乙醇发酵
dP dx 1/ x = YP / X → qP = YP / X ⋅ µ dt dt
产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直接结果， 菌体生长速率的变化与产物生成速率的变化相平行。
产物形成动力学
与生长部分相关→生长部分偶联型： 柠檬酸、氨基酸发酵
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
菌体浓度X
t1
t2
t3
t4
t5
时间 t 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线
分批发酵动力学
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1 h 酵母：典型倍增时间2 h 放线菌和丝状真菌：典型倍增时间4-8 h 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。
连续发酵动力学
限制性基质的物料衡算
D(S 0 − S ) =
稳态时
µx
YX / S
µ=D
x = YX / S (S 0 − S )
µ=D
单级连续培养两个稳态方程式
x = YX / S (S 0 − S )
连续发酵动力学
应用
• 利用细胞再循环连续发酵技术进行废水的生化处理、发酵与 产物分离耦合。 • 利用连续培养的选择性进行富集培养菌种选择及防污染处理。 • 遗传稳定性研究 • 选择适当的物质作为限制性基质，可使连续发酵中细胞代谢 产物的生产大大提高。 • 连续发酵提高生产率