第六章 发酵动力学
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6发酵动力学
第 2节
发酵动力学分类
1. 根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类 细胞浓度(x)或产物浓度对时间作图时 , 细胞浓度 或产物浓度对时间作图时, 或产物浓度对时间作图时 两者密切平行, 两者密切平行 , 其最大的比生长速率和 最大的产物合成比速率出现在同一时刻. 最大的产物合成比速率出现在同一时刻 . 一般来说在这种类型的发酵生产中, 控 一般来说在这种类型的发酵生产中 , 制好最佳生长条件就可获得产物合成的 最适条件. 最适条件.
(3) 分段反应型 其营养成分在转化为产物之前 全部转变为中间物, 全部转变为中间物,或营养成分以优先顺序选 择性地转化为产物. 择性地转化为产物.反应过程是由两个简单反 应段组成,这两段反应由酶诱导调节. 应段组成,这两段反应由酶诱导调节. (4) 串联反应型 是指在形成产物之前积累一 定 程度的中间物的反应 (5) 复合型 大多数发酵过程是一个联合反应, 大多数发酵过程是一个联合反应, 它们的联合可能相当复杂. 它们的联合可能相当复杂.
型发酵〗 〖 Ⅲ型发酵〗 产物的形成和菌体的生长非偶联
p x
2. 根据产物形成与基质消耗的关系分类
(1) 类型Ⅰ 类型Ⅰ
产物的形成直接与基质(糖类 的消耗有关 产物的形成直接与基质 糖类)的消耗有关,产 糖类 的消耗有关, 物合成与利用糖类存在化学计量关系, 物合成与利用糖类存在化学计量关系,糖提供 了生长所需的能量. 了生长所需的能量. 糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的,如 糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的, 利用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长. 利用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长. 在厌氧条件下, 在厌氧条件下,酵母菌生长和产物合成是平行 的过程;在通气条件下培养酵母时, 的过程;在通气条件下培养酵母时,底物消耗 的速度和菌体细胞合成的速度是平行的. 的速度和菌体细胞合成的速度是平行的.这种 形式也叫做有生长联系的培养. 形式也叫做有生长联系的培养.
第6章 发酵动力学
发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质的消耗速度：
ds r dt
X
(g.L-1.s-1)
ds 基质的消耗比速： dt
(h-1.s-1)
单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为 比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念
发酵过程反应速度的描述
的比生长速率µ 保持一定。
连续发酵动力学-发酵装置-细胞回流式
F Se
(1 ) F X
F Xe
F, cX
细胞回流的单级连续发酵示意图
a: 再循环比率（回流比） c: 浓缩因子
连续发酵动力学-发酵装置-塞流式
无菌培养 基流入
发酵罐 d 供给连续接 种再循环
培养物 流出
物料衡算（连续培养的反应器特性）
催化剂
改变条件
温度 酸碱度
破坏平衡
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
发酵动力学研究的几个层次（尺度）
分子层次（酶催化与生物转化） 基于关键生化反应（限速步）及其关键酶的动力学特征 及其影响因素 采用一系列分子水平的方法 细胞层次（代谢网络与细胞工厂） 基于细胞信号传导、代谢网络、细胞物质运输的系列关 键生化反应的综合表现 采用一系列细胞水平的方法，包括细胞群体行为分析 反应器层次（过程工程） 基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应 采用一系列优化反应器发酵条件的方法
二、微生物的生长动力学、Monod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)：
典型发酵过程动力学及模型
(1 Se ) S max, j j
i Se Ke j S j K j
K j --必要基质的饱和常数 Ke -；-生长促进型基质的饱和常数
。
二、微生物生长动力学
7. 有抑制的细胞生长动力学
（1）基质抑制动力学
当基质浓度很高时，细胞的浓度反而受到基质的抑制作用 ，同底物对酶催化反应的抑制一样，基质对细胞生长的抑制同 样分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。
细胞反应过程的数学模型是一组可以近似地描述或表示细胞反应过程的数 学方程式，它可以在一定程度上精确地表示出原过程的特征。
生物反应过程的数学模型的作用： ①根据反应的前期数据预测微生物反应过程的进程 ②数学模拟放大 ③建立数学模型是过程优化重要手段 ④建立数学模型是实现计算机优化控制的前提
一、 数字拟合法
0.4
0.2
0
1
2
3
4
5
二、机制分析法
机制模型也称为理论模型，它是从工艺过程中的某些物 理、化学和生物的本质出发，运用现代工程学的基本理论 ，建立描述过程的数学表达式。
三、常规细胞反应动力学模型
• “灰箱模型” • 对细胞反应做定量的、动力学方面的考察，描述
了细胞随基质浓度或其他环境条件变化进行生长 的途径，及产物合成、基质消耗、氧消耗、菌体 生长的规律变化
第六章 典型发酵过程动力学 及模型
一、分批发酵动力学 二、补料分批发酵过程动力学 三、连续发酵过程动力学
一、分批发酵动力学
概论 微生物生长动力学 基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 动力学模型的建立
一、 概论
发酵的实质： 生物化学反应
发酵动力学
基质利用
各种环境因素与微生物代谢活 动之间的相互作用随时间而 变化的规律
i Se Ke j S j K j
K j --必要基质的饱和常数 Ke -；-生长促进型基质的饱和常数
。
二、微生物生长动力学
7. 有抑制的细胞生长动力学
（1）基质抑制动力学
当基质浓度很高时，细胞的浓度反而受到基质的抑制作用 ，同底物对酶催化反应的抑制一样，基质对细胞生长的抑制同 样分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。
细胞反应过程的数学模型是一组可以近似地描述或表示细胞反应过程的数 学方程式，它可以在一定程度上精确地表示出原过程的特征。
生物反应过程的数学模型的作用： ①根据反应的前期数据预测微生物反应过程的进程 ②数学模拟放大 ③建立数学模型是过程优化重要手段 ④建立数学模型是实现计算机优化控制的前提
一、 数字拟合法
0.4
0.2
0
1
2
3
4
5
二、机制分析法
机制模型也称为理论模型，它是从工艺过程中的某些物 理、化学和生物的本质出发，运用现代工程学的基本理论 ，建立描述过程的数学表达式。
三、常规细胞反应动力学模型
• “灰箱模型” • 对细胞反应做定量的、动力学方面的考察，描述
了细胞随基质浓度或其他环境条件变化进行生长 的途径，及产物合成、基质消耗、氧消耗、菌体 生长的规律变化
第六章 典型发酵过程动力学 及模型
一、分批发酵动力学 二、补料分批发酵过程动力学 三、连续发酵过程动力学
一、分批发酵动力学
概论 微生物生长动力学 基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 动力学模型的建立
一、 概论
发酵的实质： 生物化学反应
发酵动力学
基质利用
各种环境因素与微生物代谢活 动之间的相互作用随时间而 变化的规律
第六章 典型发酵过程动力学及模型ppt课件
动之间的相互作用随时间而 变化的规律
细胞生长
微生物生化反应动力学
产物生成
编辑版pppt
3
发酵过程反应的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
编辑版pppt
4
一、 概论
目的 1) 建立发酵过程中细胞浓度、基质浓度、温度等工艺参数和控制方案，确定最佳发酵 工艺条件；2) 以发酵动力学模型为依据，利用计算机进行合理的发酵过程的程序设计， 模拟最优化的发酵工艺流程和技术参数，使发酵工艺的过程控制达到最优化；3) 动力学 的研究为实验工厂数据的放大、为分批式发酵过渡到连续式发酵提供理论基础。
一成分的量
细胞的比生长速率：
1 drX rX dt
产物的比生成速率：
qP
1 rX
drP dt
基质的比消耗速率：
qS
1 rX
drS dt
比耗氧速率：
1
qO
编辑版pppt
rX
drO dt
15
例题: 在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间歇培 养时得到结果如表所示：
时间/h 0 2 4 8 10 12 14 16 18
编辑版pppt
44
细胞反应动力学模型的建立
编辑版pppt
45
数学模型： 根据研究对象的内在规律而做出一些简化假设，运用数学工具得出一个
数学结构，该数学结构可用来合理、精确反映过程各个变量之间的动态关 系。
细胞反应过程的数学模型是一组可以近似地描述或表示细胞反应过程的数 学方程式，它可以在一定程度上精确地表示出原过程的特征。
（6-19）
kd细 胞 死 亡 速 率 ， h 1
编辑版pppt
23
5）死亡期 培养基中营养耗尽，代谢产物大量积累，细胞繁
细胞生长
微生物生化反应动力学
产物生成
编辑版pppt
3
发酵过程反应的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
编辑版pppt
4
一、 概论
目的 1) 建立发酵过程中细胞浓度、基质浓度、温度等工艺参数和控制方案，确定最佳发酵 工艺条件；2) 以发酵动力学模型为依据，利用计算机进行合理的发酵过程的程序设计， 模拟最优化的发酵工艺流程和技术参数，使发酵工艺的过程控制达到最优化；3) 动力学 的研究为实验工厂数据的放大、为分批式发酵过渡到连续式发酵提供理论基础。
一成分的量
细胞的比生长速率：
1 drX rX dt
产物的比生成速率：
qP
1 rX
drP dt
基质的比消耗速率：
qS
1 rX
drS dt
比耗氧速率：
1
qO
编辑版pppt
rX
drO dt
15
例题: 在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间歇培 养时得到结果如表所示：
时间/h 0 2 4 8 10 12 14 16 18
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44
细胞反应动力学模型的建立
编辑版pppt
45
数学模型： 根据研究对象的内在规律而做出一些简化假设，运用数学工具得出一个
数学结构，该数学结构可用来合理、精确反映过程各个变量之间的动态关 系。
细胞反应过程的数学模型是一组可以近似地描述或表示细胞反应过程的数 学方程式，它可以在一定程度上精确地表示出原过程的特征。
（6-19）
kd细 胞 死 亡 速 率 ， h 1
编辑版pppt
23
5）死亡期 培养基中营养耗尽，代谢产物大量积累，细胞繁
6第六章 发酵动力学
dc(S) dt = 0
2.随着时间的延长，培养液中微生物细胞的 量c’(X)增加，但细胞的浓度却保持不变，即
dc(X) dt
= 0
3.因而µ≌D
这种微生物细胞的培养状态称为 ——“准恒定状态”
在“ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ恒定状态”下
c(S) ≈ DKs µm - D (4)
c’(X) ＝ c0’(X) + F · Yx/s · c ’0 (S) · t 补料液浓度
动力学方程
c0(S)——开始时培养基中限制性基质的浓度 g/L F——培养基的流速 L/h V——培养基的体积 L F/V＝D——稀释率 c0(X)——刚接种时培养液中的微生物细胞浓度 g/L c(X)——某一瞬间培养液中微生物细胞浓度 g/L c(X) = c0(X) + Yx/s [c0 (S) -c (S)]
v =
µ
YG
v =
+ m +
Qp Yp
+
(6)
µ Yx/s
(5)
少量的其他代谢产物和其他忽略 1 Yx/s 1 m + µ (7)
=
YG
YG和m很难直接测定，只要得出细胞在不同 比生长速率下的Yx/s，可根据(7)式用作图法 求出YG和m值。 YG和m值用于衡量发酵时限制性营养基质的 起始最低浓度。
µ µm
b µm/2
c
µ ＝
a
µm c(S)
Ks + c(S)
c(S)
Ks
Ks的物理意义
Ks的大小表示了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； Ks越小，表示微生物对营养物质的吸收亲 和力越大
2.随着时间的延长，培养液中微生物细胞的 量c’(X)增加，但细胞的浓度却保持不变，即
dc(X) dt
= 0
3.因而µ≌D
这种微生物细胞的培养状态称为 ——“准恒定状态”
在“ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ恒定状态”下
c(S) ≈ DKs µm - D (4)
c’(X) ＝ c0’(X) + F · Yx/s · c ’0 (S) · t 补料液浓度
动力学方程
c0(S)——开始时培养基中限制性基质的浓度 g/L F——培养基的流速 L/h V——培养基的体积 L F/V＝D——稀释率 c0(X)——刚接种时培养液中的微生物细胞浓度 g/L c(X)——某一瞬间培养液中微生物细胞浓度 g/L c(X) = c0(X) + Yx/s [c0 (S) -c (S)]
v =
µ
YG
v =
+ m +
Qp Yp
+
(6)
µ Yx/s
(5)
少量的其他代谢产物和其他忽略 1 Yx/s 1 m + µ (7)
=
YG
YG和m很难直接测定，只要得出细胞在不同 比生长速率下的Yx/s，可根据(7)式用作图法 求出YG和m值。 YG和m值用于衡量发酵时限制性营养基质的 起始最低浓度。
µ µm
b µm/2
c
µ ＝
a
µm c(S)
Ks + c(S)
c(S)
Ks
Ks的物理意义
Ks的大小表示了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； Ks越小，表示微生物对营养物质的吸收亲 和力越大
第六章发酵动力学
发酵装置-细胞回流式
F Se
(1 ) F X
F Xe
F , cX
细胞回流的单级连续发酵示意图
a: 再循环比率（回流比） c: 浓缩因子
2.2连续发酵动力学-理论
2.2.1单级恒化器连续发酵
定义： ① 稀释率 将单位时间内连续流入发酵罐中的新鲜培养基体积与 发酵罐内的培养液总体积的比值 D=F/V (h-1) F—流量（m3/h） V—培养液体积（m3） ② 理论停留时间
μ
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，速度 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。
酶促反应动力学－米氏方程：
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：
m s
Ks s
克P和每个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。
细胞生长动力学
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
若不存在抑制物时
Monod 模型:
m s
Ks s
m s
Ks s
t
ln x ln x0
t
x x0e
细胞生长动力学
式中: 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。
6.发酵动力学课件
同步培养: 使许多细胞在相同菌令下同步生长的培养方法, 指所有细胞同时开始 分裂, 齐步成长, 并同时结束。同步培养法所得到的培养物为同步培养物｡ 均衡生长: 随着细胞质量的增加, 菌体组分(蛋白质, RNA, DNA,胞内H2O等….)也 以相同比例增加。 非均衡生长:储存物质的积蓄 (糖原, 油脂等) 使细胞质量增加, 非实质性生长。 生长速率: rX (g /L･h)单位体积培养液中单位时间内生成的干菌体量, 与菌体浓 度X成正比｡ rX =μ･ X 或 μ = rX /X 在废水处理中 rX表示污泥生成速率, X表示混合液悬浮物 (MLSS)浓度; 比生长速率 (h － 1) :μ 为比生长速率 (h － 1) --------- (g/g･h) 表示相对单位质量干菌体在单位时间内增加的干菌体质量。 在分批培养的对数期μ一般为常数。生物种的遗传基因是决定比生长速率大小 的决定因素。细胞包含的遗传信息越复杂,细胞越大,即越是高等生物,μ越小,生 长也就越慢。
对这种运动规律的影响。发酵动力学主要包括： 化学热力学 ----- 研究反应的方向; 化学动力学 ----- 研究反应的速度; 酶反应动力学 ----- 发酵是活细胞产生的酶催化的化学反应； 有几个层次; 1) 细胞生长和死亡动力学; 2) 基质消耗动力学; 3) 氧消耗动力学; 4) 二氧化碳生成动力学; 5) 产物合成和降解动力学； 6) 代谢热生成动力学。
葡萄糖作为能源时某些微生物的维持系数---教科书 P105
3. N源的消耗速率以及C/N
氮源的消耗仅次于碳源,可定义氮源的比消耗速率Q N为: QN ＝ rN/X 培养基中碳源与氮源的含量之比,称为碳氮比,记作C/N｡C/N对微生物代 谢过程有很大影响,C/N可定量表示为碳源和氮源的消耗速率之比,即: C/N ＝ rc/rN ＝ Qc /QN Qc和 QN分别表示碳原子和氮原子的比消耗速率。C/N高, 有时表示与氮 源相比, 菌体摄取过量的碳源作为储存性物质积累在细胞内。相反, 若使用如 蛋白胨类蛋白质碳源, 则C/N比过低, 这时有可能反应中产生副产物NH4使培 养液的pH上升。可见, C/N比是决定微生物反应状况的一个重要参数。
发酵动力学
减速期: d 0
dt
静止期： dx 0
dt
; X Xmax
衰亡期: dx 0
dt
二、微生物的生长动力学、Monod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)：
μ＝f(S)
Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程(1949)
1.2 V1m
td＝ln2/ μmax＝0.64 h
基质消耗动力学的基本概念
S1 菌体
维持消耗(m) ：
S
S2 产物
指维持细胞最低活性所 需消耗的能量，一般来
讲，单位重量的细胞在
S3 维持
单位时间内用于维持消 耗所需的基质的量是一
个常数。
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
p x
〖二类发酵〗 产物的形成和菌体的生长部分偶联
p x
〖三类发酵〗 产物的形成和菌体的生长非偶联偶联
〖Pirt方程〗
π＝a + bμ
a=0、b≠0： 可表示一类发酵 a≠0、b=0： 可表示二类发酵 a≠0、b≠0：可表示三类发酵
产物的生成动力学
发酵类型Ⅰ： 发酵类型Ⅱ 发酵类型Ⅲ=
dP
dX
YP / X
dt
dt
dP dX X
dt dt
dP X
dt
Ⅱ
Ⅰ
Ⅲ
分批发酵的优缺点
➢ 优点：
操作简单、周期短、染菌机会减少、生产过程及产品 容易控制。
➢ 缺点：
不利于测定生长动力学。
第二节 连续发酵动力学
6 微生物工程 第六章 发酵动力学2
m S m
1 KS 1 1
max S max
1
1 KS
KS
斜率 max
1
max
1 S
Monod方程式双倒数图
求μm和 Ks。
解：将Monod方程变形：
1 1 Ks 1
m m S
以1/S为横坐标，1/μ为 纵坐标，得一条直线， 由直线与x轴和y轴相交， 分别求得：
分批发酵动力学-产物形成动力学
生长部分相关→生长部分偶联型：
柠檬酸、氨基酸发酵
dP dt
dX dt
X
qP
α: 与菌体生长相关的产物生成系数
β: 与菌体浓度相关的产物生成系数
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）。
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
分批培养中的产物形成：
Ⅰ型：生长偶联产物生成 ——菌体生长、碳源利 用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形 成直接与碳源利用有关。
Ⅱ型：生长与产物生成部分偶联——在生长开始后 并无产物生成，在生长继续进行到某一阶段才有 产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。
分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长不相关→无关联：抗生素发酵
dP X
dt
qp
若考虑到产物可能存在分解时，则
dP dt
X
kd P
qp X
kd P
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。
1 KS 1 1
max S max
1
1 KS
KS
斜率 max
1
max
1 S
Monod方程式双倒数图
求μm和 Ks。
解：将Monod方程变形：
1 1 Ks 1
m m S
以1/S为横坐标，1/μ为 纵坐标，得一条直线， 由直线与x轴和y轴相交， 分别求得：
分批发酵动力学-产物形成动力学
生长部分相关→生长部分偶联型：
柠檬酸、氨基酸发酵
dP dt
dX dt
X
qP
α: 与菌体生长相关的产物生成系数
β: 与菌体浓度相关的产物生成系数
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）。
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
分批培养中的产物形成：
Ⅰ型：生长偶联产物生成 ——菌体生长、碳源利 用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形 成直接与碳源利用有关。
Ⅱ型：生长与产物生成部分偶联——在生长开始后 并无产物生成，在生长继续进行到某一阶段才有 产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。
分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长不相关→无关联：抗生素发酵
dP X
dt
qp
若考虑到产物可能存在分解时，则
dP dt
X
kd P
qp X
kd P
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。
发酵动力学
• 把它们随时间变化的过程绘制成图，就
成为所说的代谢曲线。
• 比生长速率μ
每小时(单位时间)单位质量的菌体所
增加的菌体量称为菌体比生长速率。
它是表征微生物生长速率的一个参数 ，也是发酵动力学中的一个重要参数。
发酵过程
• 微生物生长
• 底物消耗
• 代谢产物合成
• Gaden's fermentation classification（按照菌体生长，
产物直接来源于产能的初级
第 一 类 型 （ 生 长 关 联 型 ）
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
dP dt
x 或
P
Q
dP Xdt
：生长关联型产物的形 成比例（g产物 / g菌体）
Q ：产物合成的比速率
P
■
第 二 类 型 （ 部 分 生 长 关 联 型 ）
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 • 类型Ⅰ∶也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳 酸）
rP YP / X rX YP / X X
• 类型Ⅱ∶也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）
rP rX X
• 类型Ⅲ∶也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生
补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation)
分批发酵
分批发酵:指在一封闭系统内含有初
始限量基质的发酵方式。在这一过程
中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸 或碱外，不再加入任何其它物质。发 酵过程中培养基成分减少，微生物得 到繁殖。
第六章 发酵过程动力学的基本概念
t
在培养过程中底物消耗和细胞的生长存在着上述方程,那么在增加或 者减少底物浓度会出现什么情况?
/shipin_shengwu/
发酵过程动力学的基本概念
菌体比生长速率μ
菌体浓度X
B
C
C
B
A
A
初始底物浓度S0
做一系列初始底物浓度对菌体浓 度(稳定期)影响的实验可以得出上 述图结果. (P88 图6-2)
限制性底物残留浓度St
取B点对应初始底物浓度,研究底物残 留浓度与菌体比生长速率之间的关系, 我们可以得到上图情况.(P88 图6-3)
/shipin_shengwu/
发酵过程动力学的基本概念
Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程(1949)
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） 发酵研究的内容： 菌种的来源——找到一个好的菌种 发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力
/shipin_shengwu/
发酵过程动力学的基本概念
发酵过程的反应描述及速度概念
发酵过程反应速度的描述
发酵过程动力学的基本概念
发酵反应动力学的研究内容
已建立动力学模型的类型
机制模型：
根据反应机制建立 几乎没有
现象模型（经验模型）：
目前大多数模型
能定量地描述发酵过程
能反映主要因素的影响
/shipin_shengwu/
发酵过程动力学的基本概念
第三节 分批发酵动力学
一、微生物在一个密闭系统中的生长动力学
菌体浓度
减速期 静止期
衰亡期
dx μ= dt
X2
指数生长期 延迟期
X1
ΔX
t1
发酵工程六PPT课件
.
24
二、人工控制微生物代谢的手段
（一）生物合成途径的遗传控制
代谢调节控制育种通过特定突变型的选育，达到改变代谢 通路、降低支路代谢总产物的产生或切断代谢途径及提高 细胞膜的透性，使代谢流向目的产物积累方向进行。
1、代谢缺陷型菌株
2、利用抗代谢类似物的突变积累氨基酸
3、产物降解酶缺失突变株
4、细胞膜组分的缺失突变
.
30
生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，生物素在低于亚适浓度之
前有，利例增于加谷1：生氨谷物酸氨素的酸有合棒利成杆于；菌丙（酮生酸物的素羧缺化陷产型生）草生酰产乙谷酸氨，酸进而
生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰辅酶A羧化酶的 辅酶，该酶催化乙酰辅酶A羧化生成丙二酸单酰辅酶A，再 经一系列转化合成脂肪酸，而脂肪酸又是构成细胞膜磷脂 的主P要EP成分，因P此y生r 物素可间A接cC地o影A 响细胞膜的透性。
真核微生物细胞里，各种酶系被细胞器隔离分布，使
其代谢活动只能在特定的部位上进行，如与呼吸产能有 关的酶系集中于线粒体内膜上，DNA合成的某些酶位于 细胞核里。
.
5
（二）代谢流向的调控
微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速 率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。
1、由一个关键酶控制的可逆反应
第六章 发酵机制及发酵动力学
第一节 发酵工程微生物的基本代谢及产物代谢 第二节 微生物代谢调节机制 第三节 糖代谢产物的发酵机制 第四节 氨基酸和核苷酸发酵机制 第五节 抗生素发酵机制 第六节 微生物发酵动力学
.
1
本章要求
掌握初级与次级代谢的产物 掌握微生物代谢调节的方式 掌握酶活性被抑制的方式 了解发酵产物的发酵机制及发酵动力学抑制来自抑制DE
微生物工程发酵过程动力学的基本概念
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
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 均 匀 混 合 非循 环 循环 搅拌发酵罐 多罐 搅拌罐(串联) 封闭式(菌体不取出) 单罐 透析膜培养 多罐
搅拌发酵罐 (菌体部分 重复使用)
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
• 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。
《发酵工程》第6章 发酵动力学
在厌气条件下，厌氧微生物进行的是基质水平磷酸化。 以同型乳酸发酵为例：
所以，厌气发酵时，基质水平磷酸化所产生的ATP要比 当发酵过程充分供氧时氧化磷酸化产生的ATP少的多.
3.微生物生长代谢过程中的氧平衡
有机物完全氧化最终会被分解成二氧化碳和水。根据单一碳 源培养基内微生物生长代谢的基质和产物完全氧化的需氧量， 可建立下列平衡式：
QGO：即QO2微生物生长（无非细胞产物生成）时的比耗氧率（g 或molO2·-1菌体·-l）: g h 氧的消耗比速(见P134式8-10)
对于特定的菌株和特定的基质，纯生长得率是一常数，故又称 为生长得率常数。为区别于纯生长得率，可以把生长得率称为毛生 长得率。和各种培养条件下的毛生长得率相比，纯生长得率为生长 得率中的最大值，故也称为最大生长得率。这是一种理论生长得率， 是生长得率的极限值。
维持因数的大小代表细胞能量代谢效率的高低：维持因 数越大，表示能量效率越低；维持因数越小，则能量效率越 高。
对于特定的微生物菌株，在一定的培养条件和营养基质下， 维持因数是一个常数，它不因基质浓度、细胞浓度、细胞生长 速率和产物合成速率的不同而变化，
维持因数多种表示法：
基质维持因数mS：以基质消耗为基准 氧维持因数mO：以耗氧为基准 能量维持因数mkcal：以分解代谢热表示 ATP维持因数mATP：以ATP消耗表示。
S= (S)G+ (S)m+ (S)P+…
设：
YG:表示用于菌体生长的碳源对菌体的得率常数， m:表示微生物的碳源维持常数， Ym:表示碳源对代谢产物的得率常数。
则：
在以生产细胞物质为目的的发酵过程中（如面包酵母生产和 SCP），代谢产物的积累可以忽略不计,上式可简化为：
第六章 发酵过程动力学基本概念
3、发酵过程的反应动力学
是对细胞群体的动力学行为的描述。 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值， 在此基础上建立的模型称为确定论模型，反之称 为概率论模型。 在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为 结构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白 含量做为过程变量。菌体视为单组分的模型为非 结构模型，通过物料平衡建立关联模型。
（7－5）
qP＝a + bμ
a=0、b≠0： 可表示一类发酵 a≠0、b=0： 可表示三类发酵 a≠0、b≠0：可表示二类发酵
YP/X –以生长为基准的产物得率（g产物/g细胞)，即 产物相对于细胞的生成速度。
dP / dt YP / X dX / dt
dP / dt YP / X X qP YP / X
检测控制系统
原料
产物
一般生化反应过程示意图
2、生化反应动力学 生物反应过程的效率取决于： 生物催化剂的性能 反应过程的工艺控制和操作条件 反应器的性能 生化反应动力学研究生化反应过程的 速率及其影响因素，是生化反应工程学的 理论基础之一。
本征动力学（微观动力学） 宏观动力学（反应器动力学）
物料衡算：
ds ds1 ds2 ds3 dt dt dt dt
q S
YX
s
qp
s
YP
m
m: 维持消耗系数
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
YX/s: 细胞对基质的理论得率系数 YP/s: 产物对基质的理论得率系数
8
2013-04-15
分批发酵的基础理论
（7－6） （7－7） （7－8）
发酵工程第6章 发酵动力学
若
则表明通风不足，有部分电子没有传递给
氧，氧化不彻底。
第三节 细胞反应本征动力学
➢反应动力学：研究反应速度变化规律
（反应速度影响因素）的学科。包括：
➢本征动力学(反映生物催化剂内在性
能)：又称微观动力学，指没有传递等
工程因素影响时，生化固有的速率。
➢宏观动力学(反映反应器特性)：又称
反应器动力学，指在一定反应器内所测
葡萄糖
微生物细胞
（1）试确定计量系数a、b、c、d、e；
（2）试计算其细胞对底物的得率YX / S ；
（3）试计算呼吸商RQ。
解：（1）细胞反应的方程式系数的计算
1mol葡萄糖所含有的C元素为72g，根据题
意1mol葡萄糖转化为微生物细胞的C元素为：
g
72 2 / 3 48
则有：
48
c
（2）细胞反应的比速率：单位时间内单位
菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速
率，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念
（不同反应间的对比，消除细胞量的效应）在细
胞反应中主要的反应的比速率有：
① 细胞的比生长速率
1 dC X
CX
dt
（1/h）
② 底物的比消耗速率
1 dC S
qS
0.909
4.4 12
转化为CO2的C元素为：
72 48 24 g
则：
24 12e
e2
，
对N元素平衡，有：
a 0.86c 0.782
对H元素平衡，有：
，
12 3a 7.3c 2d
12 3a 7.3c
d
2
12 3 0.782 7.3 0.909
则表明通风不足，有部分电子没有传递给
氧，氧化不彻底。
第三节 细胞反应本征动力学
➢反应动力学：研究反应速度变化规律
（反应速度影响因素）的学科。包括：
➢本征动力学(反映生物催化剂内在性
能)：又称微观动力学，指没有传递等
工程因素影响时，生化固有的速率。
➢宏观动力学(反映反应器特性)：又称
反应器动力学，指在一定反应器内所测
葡萄糖
微生物细胞
（1）试确定计量系数a、b、c、d、e；
（2）试计算其细胞对底物的得率YX / S ；
（3）试计算呼吸商RQ。
解：（1）细胞反应的方程式系数的计算
1mol葡萄糖所含有的C元素为72g，根据题
意1mol葡萄糖转化为微生物细胞的C元素为：
g
72 2 / 3 48
则有：
48
c
（2）细胞反应的比速率：单位时间内单位
菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速
率，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念
（不同反应间的对比，消除细胞量的效应）在细
胞反应中主要的反应的比速率有：
① 细胞的比生长速率
1 dC X
CX
dt
（1/h）
② 底物的比消耗速率
1 dC S
qS
0.909
4.4 12
转化为CO2的C元素为：
72 48 24 g
则：
24 12e
e2
，
对N元素平衡，有：
a 0.86c 0.782
对H元素平衡，有：
，
12 3a 7.3c 2d
12 3a 7.3c
d
2
12 3 0.782 7.3 0.909
发酵工程第六章发酵动力学课件
•（1）描述细胞生长的唯一变量是细胞浓度X，
•（2）培养基中只有一种基质是生长限制性基质， 其它组分均过量，
•（3）细胞的生长视为单一反应，细胞得率为常数， 当S﹤﹤ Ks 时， μ=μm S/Ks，
μ与S是一级动力学关系，
（4） S﹥﹥Ks ， μ=μm，μ与S是零级动力学关 系。
Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程(1949)
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。
所谓细胞三生、微长生动物生力长速学率与是底物以浓研度的究关系菌体浓度、 限制性基质（培养基中含量最少的基质， 其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、 温度和pH等对菌体生长速率的影响为内容
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。
杀假丝菌素分批发酵动力学分析
❖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
❖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。
•（2）培养基中只有一种基质是生长限制性基质， 其它组分均过量，
•（3）细胞的生长视为单一反应，细胞得率为常数， 当S﹤﹤ Ks 时， μ=μm S/Ks，
μ与S是一级动力学关系，
（4） S﹥﹥Ks ， μ=μm，μ与S是零级动力学关 系。
Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程(1949)
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。
所谓细胞三生、微长生动物生力长速学率与是底物以浓研度的究关系菌体浓度、 限制性基质（培养基中含量最少的基质， 其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、 温度和pH等对菌体生长速率的影响为内容
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。
杀假丝菌素分批发酵动力学分析
❖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
❖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。
第六章发酵动力学
第六章 发酵动力学1.发酵动力学(p86)是对微生物生长和产物形成过程的定量描述，它研究微生物生长、发酵产物合成、底物消耗之间的动态定量关系。
2.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、稳定期和衰亡期五个时期。
（p86）分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线（X 为菌体浓度，t 为时间） 延滞期:微生物并未增殖、细胞数目几乎保持不变（对生长环境的适应过程）。
对数生长期：生长速率逐渐增加，逐渐达到最大生长速率 dX dt =μX 或dN dt=μn N 对上式积分 X t =X 0e μt 或N t =N 0e μn tX 为微生物细胞浓度，g/L;N 为微生物细胞个数μ为以细胞浓度表示的比生长速率；μn 为以细胞数量表示的比生长速率 衰减期：营养物质的消耗、代谢产物的分泌使微生物生长速率逐渐衰减。
稳定期：微生物处于生长和死亡的动态平衡，发酵体系净生长速率等于零μ=a （a 为比死亡速率）衰亡期：指发酵罐内营养物质耗尽，对生长有害的代谢物在发酵液中大量积累，此时a>μ,出现微生物死亡、自溶，总细胞数呈负增长。
3.微生物生长受底物浓度限制的特性（p88）a.分批发酵中初始底物浓度对稳定期菌体浓度的影响CB AX S 0初 始 底物 浓度菌 体 浓度A ～B 区域中，由于初始底物浓度S 0较低，发酵罐内菌体积累量相对量相对较少，而且随着初始底物浓度浓度S 0的增加而增加。
B ～C 区域中，随着初始底物浓度S 0的增加，菌体浓度达到最高水平，即使再增加底物的初始浓度，也不能再使菌体增加。
C 区域及以后，菌体活性受到初始高浓度底物及其形成的高渗作用等的强烈抑制，菌体反而生长缓慢。
b.残留的限制性底物浓度S t 对微生物比生长速率μ的影响S t 的关系Monod 方程表示μ=μmax S tK s ﹢S t (成立条件：单一的限制性底物)K s 是底物亲和常数，其数值相当于μ处于μmax 一半时的底物浓度，表明微生物对该底物的亲和力。
发酵动力学
在连续培养系统中，微生物细胞的浓度、比生 长速率和环境条件（如营养物质浓度和产物浓 度），均处于不随时间而变化的稳定状态之下
在连续培养技术中被称为稀释速率，用符号“D”表示
（等于培养液在罐中平均停留时间的倒数）
在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。
连续培养过程中的主要问题
杂菌污染问题 生产菌株突变问题
程中，需要长时间连续不断地向 发酵系统供给无菌的新鲜空气和培养基，这就 不可避免地发生杂菌污染问题。 杂菌污染问题是连续培养中难以解决的问题。
要了解污染的杂菌在什么样的条件下会在系统 中发展成为主要的微生物群体。
2. 生产菌株突变问题
微生物在复制过程中难免会出现差错引起突变， 一旦在连续培养系统中的生产菌细胞群体中某 一个细胞发生了突变，而且突变的结果使这一 细胞获得在给定条件下高速生长的能力，那么 它就有可能像杂菌Z一样，取代系统中原来的 生产菌株，而使连续发酵过程失败。
3、产物的形成
K
产物形成的速率 = 产物合成速率－产物移去速率－产物被 破坏速率
二、代谢产物形成的动力学模型
Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间 的关系，将其分为三种类型：
类型Ⅰ称为相关模型，或称伴随生长的产物形 成模型； 类型Ⅱ称为部分相关模型，或称不完全伴随生 长的产物形成模型； 类型Ⅲ称为非相关模型或称不伴随生长的产物 形成模型。
类型Ⅰ是指产物的生成与细胞的生长相关的过程， 此时产物通常是基质的分解代谢产物，代谢产物的 生成与细胞的生长是同步的。
动力学方程为：
或
类型Ⅱ反应产物的生成与细胞生长仅有间接关系。 在细胞生长期内，基本无产物生成。 动力学方程为：
6-微生物工程-第六章-发酵动力学2
30
0.3～0.5
28
0.1～0.3
第18页，共91页。
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。
第3页，共91页。
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； ➢ 提高发酵产量、效率和转化率等。
第4页，共91页。
发酵工程：
一条主线： 发酵工艺过程
两个重点：
发酵过程的优化与放大
三个层次：
分子、细胞、反应器
1 rO2 YX/O rX
比耗氧速率：
（6-9）
第37页，共91页。
（6-11）
（2）底物消耗动力学
产物的生成直接与能量的产生相联系
底物消耗速率：
rs
1 Y
X/S
rX
mX
（6-12）
为维持细胞结构和生命活动所需 能量的细胞维持系数：
m
YX/S 表观得率
针对底物的细胞绝对得率：
Y X/S
qS
1 Y
Monod方程：
比 生 长
mSt Ks St
素 率
表征μ与培养基中残留的生
μ
长限制性底物St的关系
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
于处于1/2μm时的底物浓 度，表征微生物对底物的
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第六章 发酵动力学
Dynamics of Fermentation
概述
一、微生物反应过程的主要特征 微生物是该反应过程的主体：是生物催化剂，又是一微
小的反应容器。 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系。酶能够进
行再生产。
微生物反应是非常复杂的反应过程
（1）反应体系中有细胞的生长，基质消耗和产物的生 成，有各自的最佳反应条件。
发酵动力学的研究正在为试验工厂数据的放大、为 分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。
按发酵动力学原理对发酵过程进行优化控制，涉 及到许许多多数据的采集、处理、综合运算和参数估计， 并要求具有实时性，这对于常规检测和控制手段来说是 不可能做到的，必须采用在线检测技术和过程控制计算 机。反过来，实施计算机系统对发酵过程的参数估计与 动态优化控制，也必须以能够描述各变量变化速率之间 关系的动力学方程(即数学模型)为基础。
以上各方面不是孤立的，而是既相互依赖又相互制约， 构成错综复杂、丰富多彩的发酵动力学体系。
三、研究发酵动力学的目的
（1）确定最佳发酵工艺条件 （2）建立发酵过程中菌体浓度、基质浓度、温度、pH、
溶氧等工艺参数的控制方案 （3）可在此研究基础上进行优选。
பைடு நூலகம்
四、发酵动力学的研究方法
发酵动力学研究的理想化状态： ①反应器内的搅拌系统能保证理想的混和，使任何区
2. 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起来， 找出它们之间的相互关系和变化规律。
3. 建立各种数学模型以描述各参数随时间变化的关系。 4. 通过计算机的在线控制，反复验证各种模型的可行
性与适用范围。
六、发酵动力学与过程优化控制
传统的控制方法：凭经验—局限性和盲目性
发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、 产物生成的动态平衡及其内在规律。
优化控制：按发酵动力学原理，通过数据采集、处理、 综合运算和参数估计，具有很强的实时性。
要求：在线检测技术和过程控制计算机
发酵动力学的作用—过程优化控制
要进行合理的发酵过程设计，必须以发酵动力学模 型作为依据。
目前国内外正利用电子计算机，根据发酵动力学模 型来设计程序，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺 参数，从而使生产控制达到最优化。
二、细胞反应的得率系数(Yield coefficients)
得率(Yield, Y)：包括生长得率 Y X S
和产物得率 Y 。 P S
得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。 细胞(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(g)， 产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数
7
分，多10.0种代40谢产物，细胞内也
具有不同生理功能的大、中、
小分子化合30物；
动态：不能直接测得；
5.0
20
葡萄糖
非线性：细胞代谢过程用非线
性方程描述10； 乳酸
复杂群体的生命活动。
24
48
培养时间，h
pH 菌体量 谷氨酸
a-酮戊二酸
72
96
一、发酵动力学
发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、基质消 耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。
（2）微生物反应有多种代谢途径。 （3）微生物反应过程中，细胞形态、组成要经历生长、
繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同菌龄，有不同的 活性。
发酵过程特点：
葡萄糖，%；干菌体量，mg/ml 谷氨酸、a-酮戊二酸、乳酸 、mg/ml
多相：气相pH9、液相尿和素固添加相； 多组分：培8养基中多种营养成
域的温度、pH、物质浓度等变量差异得以避免； ②温度、pH等环境条件能够控制以保持稳定，从而
使动力学参数也保持相应的稳定； ③细胞有固有的化学组成，不随发酵时间和某些发酵
条件的变化而发生明显改变， ④各种描述发酵动态的变量对发酵条件变化的反应无
明显滞后。
四、研究发酵动力学的方法
宏观处理法（非结构模型） 把细胞看成是一种均匀分布的物质，只考虑各个宏观 变量之间关系的宏观方法。
如果发酵的最终产物不是菌体细胞，而是某些代 谢产物，Cooney提出青霉素G发酵需氧计算公式：
YO/P
= 1.06 Y P/G
-
0.6 X P
-
0 .43
YO/P－生产1g青霉素G钠盐消耗的氧量，g(O2)/g(Pc-G) YP/G－消耗1g葡萄糖所产生的青霉素G钠盐的克数，
g(Pc-G)/g(葡萄糖) X-菌丝量（干细胞），g P－生产青霉素G钠盐的克数，g
内容：包括了解发酵过程中菌体生长速率、基质消 耗速率和产物生成速率的相互关系，环境因素对三 者的影响，以及影响其反应速度的条件。
二、发酵动力学的研究内容
发酵动力学是以化学热力学(研究反应的方向)和化学动 力学(研究反应的速度)为基础，对发酵过程各种物质 的变化进行描述。
发酵动力学的研究内容主要包括： ①细胞生长和死亡动力学； ②基质消耗动力学； ③氧消耗动力学； ④CO2生成动力学， ⑤产物合成和降解动力学； ⑥代谢热生成动力学。
(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，即投入的基数减去残留的基质量(S0S)。
1. 细胞(生长)得率：
菌体的生长量相对于基质消耗量的收率
Y X X S S
质量平衡法 根据质量守恒定律，任何错综复杂的过程，都可以对某 一物质在过程发生前后的质量变化进行恒算。 物质在系统中积累的速度＝物质进入系统的速度+物质 在系统中生成的速度-物质排出系统的速度-物质在系统 中消耗的速度。
五、研究发酵动力学的步骤
1. 获得发酵过程变化的第一手资料，要尽可能寻找能 反映过程变化的各种理化参数。
第一节 发酵过程的化学计量及动力学描述
营养物→细→胞→新细胞+代谢产物
一、细胞反应的元素衡算
如果细胞的代谢产物就是细胞、CO2和水时， Meteles根据细胞的主要元素组成，提出了预测 发酵过程中微生物需要氧数量的计算公式：
Q = 32 C + 8H + 16 O - 1.34 Y ·M
Q--形成1g细胞耗掉的氧量，g(O2)／g(干细胞)； C、H、O--每g碳源含有C、H、O的原子数； Y--碳源得率系数(每g碳源获得的细胞数量) g (dry cell)/g(C)； M--碳源分子量，g
Dynamics of Fermentation
概述
一、微生物反应过程的主要特征 微生物是该反应过程的主体：是生物催化剂，又是一微
小的反应容器。 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系。酶能够进
行再生产。
微生物反应是非常复杂的反应过程
（1）反应体系中有细胞的生长，基质消耗和产物的生 成，有各自的最佳反应条件。
发酵动力学的研究正在为试验工厂数据的放大、为 分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。
按发酵动力学原理对发酵过程进行优化控制，涉 及到许许多多数据的采集、处理、综合运算和参数估计， 并要求具有实时性，这对于常规检测和控制手段来说是 不可能做到的，必须采用在线检测技术和过程控制计算 机。反过来，实施计算机系统对发酵过程的参数估计与 动态优化控制，也必须以能够描述各变量变化速率之间 关系的动力学方程(即数学模型)为基础。
以上各方面不是孤立的，而是既相互依赖又相互制约， 构成错综复杂、丰富多彩的发酵动力学体系。
三、研究发酵动力学的目的
（1）确定最佳发酵工艺条件 （2）建立发酵过程中菌体浓度、基质浓度、温度、pH、
溶氧等工艺参数的控制方案 （3）可在此研究基础上进行优选。
பைடு நூலகம்
四、发酵动力学的研究方法
发酵动力学研究的理想化状态： ①反应器内的搅拌系统能保证理想的混和，使任何区
2. 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起来， 找出它们之间的相互关系和变化规律。
3. 建立各种数学模型以描述各参数随时间变化的关系。 4. 通过计算机的在线控制，反复验证各种模型的可行
性与适用范围。
六、发酵动力学与过程优化控制
传统的控制方法：凭经验—局限性和盲目性
发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、 产物生成的动态平衡及其内在规律。
优化控制：按发酵动力学原理，通过数据采集、处理、 综合运算和参数估计，具有很强的实时性。
要求：在线检测技术和过程控制计算机
发酵动力学的作用—过程优化控制
要进行合理的发酵过程设计，必须以发酵动力学模 型作为依据。
目前国内外正利用电子计算机，根据发酵动力学模 型来设计程序，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺 参数，从而使生产控制达到最优化。
二、细胞反应的得率系数(Yield coefficients)
得率(Yield, Y)：包括生长得率 Y X S
和产物得率 Y 。 P S
得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。 细胞(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(g)， 产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数
7
分，多10.0种代40谢产物，细胞内也
具有不同生理功能的大、中、
小分子化合30物；
动态：不能直接测得；
5.0
20
葡萄糖
非线性：细胞代谢过程用非线
性方程描述10； 乳酸
复杂群体的生命活动。
24
48
培养时间，h
pH 菌体量 谷氨酸
a-酮戊二酸
72
96
一、发酵动力学
发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、基质消 耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。
（2）微生物反应有多种代谢途径。 （3）微生物反应过程中，细胞形态、组成要经历生长、
繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同菌龄，有不同的 活性。
发酵过程特点：
葡萄糖，%；干菌体量，mg/ml 谷氨酸、a-酮戊二酸、乳酸 、mg/ml
多相：气相pH9、液相尿和素固添加相； 多组分：培8养基中多种营养成
域的温度、pH、物质浓度等变量差异得以避免； ②温度、pH等环境条件能够控制以保持稳定，从而
使动力学参数也保持相应的稳定； ③细胞有固有的化学组成，不随发酵时间和某些发酵
条件的变化而发生明显改变， ④各种描述发酵动态的变量对发酵条件变化的反应无
明显滞后。
四、研究发酵动力学的方法
宏观处理法（非结构模型） 把细胞看成是一种均匀分布的物质，只考虑各个宏观 变量之间关系的宏观方法。
如果发酵的最终产物不是菌体细胞，而是某些代 谢产物，Cooney提出青霉素G发酵需氧计算公式：
YO/P
= 1.06 Y P/G
-
0.6 X P
-
0 .43
YO/P－生产1g青霉素G钠盐消耗的氧量，g(O2)/g(Pc-G) YP/G－消耗1g葡萄糖所产生的青霉素G钠盐的克数，
g(Pc-G)/g(葡萄糖) X-菌丝量（干细胞），g P－生产青霉素G钠盐的克数，g
内容：包括了解发酵过程中菌体生长速率、基质消 耗速率和产物生成速率的相互关系，环境因素对三 者的影响，以及影响其反应速度的条件。
二、发酵动力学的研究内容
发酵动力学是以化学热力学(研究反应的方向)和化学动 力学(研究反应的速度)为基础，对发酵过程各种物质 的变化进行描述。
发酵动力学的研究内容主要包括： ①细胞生长和死亡动力学； ②基质消耗动力学； ③氧消耗动力学； ④CO2生成动力学， ⑤产物合成和降解动力学； ⑥代谢热生成动力学。
(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，即投入的基数减去残留的基质量(S0S)。
1. 细胞(生长)得率：
菌体的生长量相对于基质消耗量的收率
Y X X S S
质量平衡法 根据质量守恒定律，任何错综复杂的过程，都可以对某 一物质在过程发生前后的质量变化进行恒算。 物质在系统中积累的速度＝物质进入系统的速度+物质 在系统中生成的速度-物质排出系统的速度-物质在系统 中消耗的速度。
五、研究发酵动力学的步骤
1. 获得发酵过程变化的第一手资料，要尽可能寻找能 反映过程变化的各种理化参数。
第一节 发酵过程的化学计量及动力学描述
营养物→细→胞→新细胞+代谢产物
一、细胞反应的元素衡算
如果细胞的代谢产物就是细胞、CO2和水时， Meteles根据细胞的主要元素组成，提出了预测 发酵过程中微生物需要氧数量的计算公式：
Q = 32 C + 8H + 16 O - 1.34 Y ·M
Q--形成1g细胞耗掉的氧量，g(O2)／g(干细胞)； C、H、O--每g碳源含有C、H、O的原子数； Y--碳源得率系数(每g碳源获得的细胞数量) g (dry cell)/g(C)； M--碳源分子量，g