第六章 发酵动力学
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(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
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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Fra Baidu bibliotek、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
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
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
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。
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。
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
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
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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Fra Baidu bibliotek、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
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
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
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。
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。
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