《发酵工程》第6章发酵动力学

1、第六章第六章 发酵动力学发酵动力学 教学内容：教学内容：学学 时：时：1.微生物生长代谢过程中的质量平衡微生物生长代谢过程中的质量平衡3.微生物生长代谢过程中数学模型的建立微生物生长代谢过程中数学模型的建立2.微生物发酵的动力学微生物发酵的动力学6 发酵动力学是研究发酵过程中菌体生长、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基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律的学科。的学科。 研究内容研究内容: 微生物生长过程中的质量和能量平微生物生长过程中的质量和能量平衡，发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产衡，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

2、相互关系，环境因素对三者的影响以物生成速率的相互关系，环境因素对三者的影响以及影响反应速度的条件。及影响反应速度的条件。 为什么要学习发酵动力学？为什么要学习发酵动力学？（1）优化最佳发酵工艺条件。）优化最佳发酵工艺条件。（2）优选发酵过程中的各种工艺参数（菌体浓度、）优选发酵过程中的各种工艺参数（菌体浓度、温、温、pH、溶氧、基质浓度、溶氧、基质浓度、CO2等）。等）。（3）以发酵动力学模型为依据，设计合理的发酵过）以发酵动力学模型为依据，设计合理的发酵过程，使生产控制最佳化。程，使生产控制最佳化。（4）为小试数据放大及分批发酵过渡到连续发酵）为小试数据放大及分批发酵过渡到连续发酵提供理论依

3、据。提供理论依据。第一节第一节 微生物生长代谢中的质量平衡微生物生长代谢中的质量平衡二二.微生物生长代谢过程中的碳平衡微生物生长代谢过程中的碳平衡三三.微生物代谢过程中的微生物代谢过程中的ATP循环与氧平衡循环与氧平衡一一. .发酵动力学中的得率因数发酵动力学中的得率因数一一.发酵动力学中的得率因数发酵动力学中的得率因数 得率是任何反应过程进行物料衡算的一项重要参数。为了得率是任何反应过程进行物料衡算的一项重要参数。为了对微生物发酵过程进行物料衡算，进而实施过程优化和成本经对微生物发酵过程进行物料衡算，进而实施过程优化和成本经济学研究，必须建立发酵得率这样一项参数。在化学反应工程济学研究，必须

4、建立发酵得率这样一项参数。在化学反应工程中，转化率和选择性是两个重要的指标。而在微生物反应中，中，转化率和选择性是两个重要的指标。而在微生物反应中，则更重视以微生物质量为基准的得率或收率。则更重视以微生物质量为基准的得率或收率。得率因素得率因素维持因数维持因数生长得率生长得率产物得率产物得率过程得率过程得率理论得率理论得率 发酵过程中，培养基中的发酵过程中，培养基中的营养物质营养物质通过微生物通过微生物的作用后的的作用后的流向流向：（2）部分用于合成代谢产物；）部分用于合成代谢产物；（3）部分以化学能的形式提供微生）部分以化学能的形式提供微生物生命活动所必需的能量。物生命活动所必需的能量。（1

5、）部分转化成细胞物质；）部分转化成细胞物质；合成代谢合成代谢分解代谢分解代谢 微生物由于种属、遗传特性和个体的差异，微生物由于种属、遗传特性和个体的差异，能量代谢效率能量代谢效率很不相同：效率高的分解代谢比例低，消耗同样多的营养物质很不相同：效率高的分解代谢比例低，消耗同样多的营养物质所获得的细胞量或产物量较多；效率低的分解代谢比例高，产所获得的细胞量或产物量较多；效率低的分解代谢比例高，产生同样多的细胞或产物所需的营养物质较多。生同样多的细胞或产物所需的营养物质较多。 得率因数便是衡量这种能量代谢效率高低的重要得率因数便是衡量这种能量代谢效率高低的重要参数。参数。1.维持因数维持因数 维持维

6、持: 活细胞群体在没有实质性生长和繁殖（或生活细胞群体在没有实质性生长和繁殖（或生长和死亡处于动态平衡状态），也没有胞外产物生成长和死亡处于动态平衡状态），也没有胞外产物生成情况下的生命活动。情况下的生命活动。如细胞运动，营养物质的运输，细胞物质的更新等如细胞运动，营养物质的运输，细胞物质的更新等仅仅为了维持细胞生存的需要。仅仅为了维持细胞生存的需要。 是指单位重量的细胞（干重）在单位时间是指单位重量的细胞（干重）在单位时间内进行维持代谢所消耗的基质量（或释放的能量），内进行维持代谢所消耗的基质量（或释放的能量），用用m表示。表示。 维持因数的大小代表细胞能量代谢效率的高低：维持因维持因数的大

7、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，则能量效率越数越大，表示能量效率越低；维持因数越小，则能量效率越高。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，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维持因数是一个常数，它不因基质浓度、细胞浓度、细胞生长，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，速率和产物合成速率的不同而变化，基质维持因数基质维持因数mS：以基质消耗为基准：以基质消耗为基准氧维持因数氧维持因数mO：以耗氧为基准：以耗氧为基准能量维持因数能量维持因数mkcal：以分解代谢热表示：以分

8、解代谢热表示ATP维持因数维持因数mATP：以以ATP消耗表示。消耗表示。 微生物工程上最常用的是前两种：微生物工程上最常用的是前两种： 维持因数多种表示法维持因数多种表示法：2.生长得率生长得率 生长得率表示在发酵中微生物的生长相对于基质或能量消生长得率表示在发酵中微生物的生长相对于基质或能量消耗的效率。耗的效率。 生长得率有许多不同的表示方法。生长得率有许多不同的表示方法。下表列出了各种表示方法下表列出了各种表示方法的符号、定义和因次。在工程上最常用的表示方法是以基质消耗的符号、定义和因次。在工程上最常用的表示方法是以基质消耗为基准的生长得率为基准的生长得率YX/S和以氧消耗为基准的生长得

9、率和以氧消耗为基准的生长得率YXO 不同的微生物、不同的培养基（合成培养基或复合培养基）、不同的微生物、不同的培养基（合成培养基或复合培养基）、相对不同的基质、采用不同的培养条件（好氧或厌氧），在不同的相对不同的基质、采用不同的培养条件（好氧或厌氧），在不同的生长速率下，所获得的生长得率都是不同的。即使同一种微生物，生长速率下，所获得的生长得率都是不同的。即使同一种微生物，在同一培养基和同一培养条件下，不同的培养阶段生长得率也不相在同一培养基和同一培养条件下，不同的培养阶段生长得率也不相同。同。S= (S)G+ (S)m由维持的概念可知，微生物生长（假定无非细胞产物生成）由维持的概念可知，微生

10、物生长（假定无非细胞产物生成）所消耗的基质，包括维持和纯生长两个方面，即：所消耗的基质，包括维持和纯生长两个方面，即： 对生长得率的研究，一般应当在发酵的生长期对生长得率的研究，一般应当在发酵的生长期，即，即还没有非细胞产物生成的阶段进行。还没有非细胞产物生成的阶段进行。 生长的菌体量对消耗于纯生长的基质量的比值即为纯生长得率，生长的菌体量对消耗于纯生长的基质量的比值即为纯生长得率，写为：写为： 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为生长得率常数。为区别于纯生长得率

11、，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，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。是生长得率的极限值。YGO：相对于氧消耗的纯生长得率（相对于氧消耗的纯生长得率（g菌体菌体g-1，或者或者mol-1/O2）Q QGOGO：即即Q QO2O2微生物生长（无非细胞产物生成）时的比耗氧率（微生物生长（无非细胞产物生成）时的比耗氧率（g g或或molOmolO2 2g g-1-1菌体菌体h h-l-l）:

12、: 氧的消耗比速氧的消耗比速( (见见P134P134式式8-10)8-10)3.产物得率产物得率 产物得率分为过程得率和理论得率两种。产物得率分为过程得率和理论得率两种。YP/S：相对于基质总消耗的产物得率，即过程得率相对于基质总消耗的产物得率，即过程得率(g产物产物g-1基基质质)或或(mol产物产物 mol -1基质基质)-S：基质总消耗量基质总消耗量(g)或或(mol) P：产物生成量产物生成量(g)或或(mol)（1）过程得率）过程得率 又称毛产物得率或基质（原料）转化率。一般以发酵过程的产又称毛产物得率或基质（原料）转化率。一般以发酵过程的产物生成量对基质总消耗量的比值表示。物生成

13、量对基质总消耗量的比值表示。 过程得率是考核一个生产菌株或一种工艺过程生产效率的重要过程得率是考核一个生产菌株或一种工艺过程生产效率的重要参数。参数。如美国如美国Panlabs公司青霉素生产，在公司青霉素生产，在19721977年的年的5年间通过改良年间通过改良菌种，在发酵单位和过程得率（葡萄糖当量至青霉素的转化率）得菌种，在发酵单位和过程得率（葡萄糖当量至青霉素的转化率）得到提高：到提高： 当时的最高过程得率是当时的最高过程得率是0.129青霉素青霉素G钾钾g葡萄糖当量，近年葡萄糖当量，近年已超过已超过0.159青霉素青霉素G钾钾g葡萄糖当量。葡萄糖当量。 在以所消耗的葡萄糖为基准计算过程得

14、率时，应当把其它基质在以所消耗的葡萄糖为基准计算过程得率时，应当把其它基质(碳碳-能源能源)折合成葡萄糖当量。各种碳折合成葡萄糖当量。各种碳-能源的葡萄糖当量如下：能源的葡萄糖当量如下：（2）理论得率）理论得率 又称纯产物得率或理论转化率。由产物生物合成的理论推断得又称纯产物得率或理论转化率。由产物生物合成的理论推断得到，是一种理论值。一般有两种表示方法：相对于基质消耗的理论到，是一种理论值。一般有两种表示方法：相对于基质消耗的理论得率和相对于氧消耗的理论得率，得率和相对于氧消耗的理论得率， 基质和氧的消耗，不包括微生物的生长与维持，仅限于产物合基质和氧的消耗，不包括微生物的生长与维持，仅限于

15、产物合成的消耗。成的消耗。 毛产物得率表示产物的生物合成效率。用于维持和生长的消耗毛产物得率表示产物的生物合成效率。用于维持和生长的消耗越低，毛产物得率即产物的生物合成效率就越高。纯产物得率是理越低，毛产物得率即产物的生物合成效率就越高。纯产物得率是理论产物得率或最大产物得率，由产物的生物合成途经所决定。对特论产物得率或最大产物得率，由产物的生物合成途经所决定。对特定的微生物、特定的基质和特定的产物来说，它是一个常数。定的微生物、特定的基质和特定的产物来说，它是一个常数。二二.微生物生长代谢过程中的碳平衡微生物生长代谢过程中的碳平衡 碳源对于微生物生长是十分重要的，在培养基内，碳源对于微生物生

16、长是十分重要的，在培养基内，碳源碳源通常作为能源。通常作为能源。根据培养基组成的不同，碳源有不同的用途。根据培养基组成的不同，碳源有不同的用途。当培养基内缺少构成细胞材料时，碳源也能作为构成细胞的当培养基内缺少构成细胞材料时，碳源也能作为构成细胞的材料。材料。1.基础培养基与完全培养基基础培养基与完全培养基 基础培养基是指由单一碳源葡萄糖和无机盐所组成的培养基础培养基是指由单一碳源葡萄糖和无机盐所组成的培养基。基。 完全培养基是指不仅含有碳源和无机盐，而且还含有构成菌完全培养基是指不仅含有碳源和无机盐，而且还含有构成菌体所需材料的培养基。体所需材料的培养基。如酵母浸膏、牛肉浸膏等，一般天然培如

17、酵母浸膏、牛肉浸膏等，一般天然培养基均系完全培养基。养基均系完全培养基。在基础培养基中，葡萄糖既可提供微生物生长所需的能源，又可在基础培养基中，葡萄糖既可提供微生物生长所需的能源，又可作为构成菌体的材料。作为构成菌体的材料。基础培养基碳源利用基础培养基碳源利用完全培养基碳源利用完全培养基碳源利用2.微生物生长代谢过程中基质与产物间的碳元素平衡微生物生长代谢过程中基质与产物间的碳元素平衡 微生物的元素成分是相对稳定的。根据基质（微生物的元素成分是相对稳定的。根据基质（S）、）、菌体菌体（X）、）、产物（产物（P）和二氧化碳元素的数量可以写出微生物生长和二氧化碳元素的数量可以写出微生物生长代谢过程

18、代谢过程碳元素的平衡关系碳元素的平衡关系：基质的消耗速度，基质的消耗速度，微生物的生长比速，微生物的生长比速，Q QCO2CO2COCO2 2的生成比速，的生成比速，Q QP P代谢产物的生成比速，代谢产物的生成比速，1 1每每1 1molmol基质中碳的含量，基质中碳的含量，2 2每每1 1g g干菌体内碳的含量，干菌体内碳的含量，3 3每每1 1molCOmolCO2 2中碳的含量，中碳的含量，4 4每每1 1molmol产物中碳的含量。产物中碳的含量。1 1=2 2+Q+QCOCO2 23 3+Q+QP P4 4+ +3.微生物生长过程中主要基质微生物生长过程中主要基质碳源平衡碳源平衡以

19、糖为碳源的微生物生长代谢，碳源主要消耗在以糖为碳源的微生物生长代谢，碳源主要消耗在:S= (S)G+ (S)m+ (S)P+ （1）满足菌体生长的需要，可用）满足菌体生长的需要，可用(S)G表示；表示；（2）维持菌体生存的消耗（如微生物的运动，物质的传递，基中）维持菌体生存的消耗（如微生物的运动，物质的传递，基中包括营养物质的摄取和代谢产物的排泄），用包括营养物质的摄取和代谢产物的排泄），用(S)m表示；表示；（3）代谢产物积累的消耗，用）代谢产物积累的消耗，用(S)P表示。表示。则有则有: 在以生产细胞物质为目的的发酵过程中（如面包酵母生产和在以生产细胞物质为目的的发酵过程中（如面包酵母生产

20、和SCP），代谢产物的积累可以忽略不计），代谢产物的积累可以忽略不计,上式可简化为：上式可简化为：设：设：YG:表示用于菌体生长的碳源对菌体的得率常数，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，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。表示碳源对代谢产物的得率常数。则：则：设设YX/S为发酵过程中基质消耗的同时所生成菌体量之间的比例，则可推导出：为发酵过程中基质消耗的同时所生成菌体量之间的比例，则可推导出：4.细胞物质生产过程中碳源的化学平衡细胞物质生产过程中碳源的化学平衡 对单纯的细胞生产（面包酵母、对单纯的细胞生产（面包酵母、SCP），如用葡

21、萄糖为碳），如用葡萄糖为碳源通风培养面包酵母时，可建立下列化学平衡：源通风培养面包酵母时，可建立下列化学平衡： 如果计入酵母菌体内除碳、氢、氧三元素以外的其他元素如果计入酵母菌体内除碳、氢、氧三元素以外的其他元素如磷、氮以及其他灰分，则每如磷、氮以及其他灰分，则每200g葡萄糖约可得到葡萄糖约可得到100g干酵母，干酵母，相对于葡萄糖消耗的酵母得率为相对于葡萄糖消耗的酵母得率为Yx/s=0.5。实际上不同情况下。实际上不同情况下Yx/s有很大的不同。有很大的不同。当限制性基质浓度较高时当限制性基质浓度较高时，微生物的生长，微生物的生长比速较大，这时基质的比速较大，这时基质的维持消耗维持消耗相对

22、要小得多相对要小得多 。 当用碳氢化合物为碳源，生产单细胞蛋白时，同样可当用碳氢化合物为碳源，生产单细胞蛋白时，同样可以写出相应的化学平衡式：以写出相应的化学平衡式： 在酵母实际的生产中，为充分发挥设备生产潜力，在较高碳在酵母实际的生产中，为充分发挥设备生产潜力，在较高碳源浓度下培养酵母，因此源浓度下培养酵母，因此 Y x/sYG（=0.5）（）（g菌体菌体g葡萄糖）。葡萄糖）。这个结论与实际生产试验的结果是一致的。这个结论与实际生产试验的结果是一致的。 同样，在菌体内再计入碳、氢、氧以外的其他元素如氮、同样，在菌体内再计入碳、氢、氧以外的其他元素如氮、磷以及其他灰分，将得到磷以及其他灰分，将

23、得到Yx/s 1g菌体菌体g基质基质。 污水的生物处理理论上也属于微生物的培养污水的生物处理理论上也属于微生物的培养，当用，当用乳糖（乳糖（C12H22O11）与酪素与酪素（C8H12N2O3）在通风条件下培养活在通风条件下培养活性污泥时，可建立化学平衡关系：性污泥时，可建立化学平衡关系：则：则： Yx/s=226/（240+184）=0.53（g污泥污泥/g基质）基质） 所以，所以，污泥生成量为污水中有机物含量的污泥生成量为污水中有机物含量的50左右左右。 污水处理的目的污水处理的目的不是为获得某种产品，而是消耗污水中不是为获得某种产品，而是消耗污水中的有机物以净化水质。的有机物以净化水质。

24、 为了减少污泥的产量，当有机物被消耗后继续通风，使菌为了减少污泥的产量，当有机物被消耗后继续通风，使菌体利用自身物质进行内源呼吸，导致菌体自溶，最终水中的有体利用自身物质进行内源呼吸，导致菌体自溶，最终水中的有机物全部分解为机物全部分解为CO2和和NH3放出。放出。5.微生物生长代谢过程中碳平衡的意义微生物生长代谢过程中碳平衡的意义（l）了解碳源在生长和代谢过程中的动向，通过实验和理论计了解碳源在生长和代谢过程中的动向，通过实验和理论计算得到算得到碳源对产物的最大得率碳源对产物的最大得率，为不断提高生产水平提供可靠，为不断提高生产水平提供可靠依据。依据。（2）对于一般的发酵过程，可以用）对于一

25、般的发酵过程，可以用菌体生长速率菌体生长速率()、产物累产物累积速率积速率(Qp)和和基质消耗速率基质消耗速率()三个数学模型来加以描述。而三个数学模型来加以描述。而8-6方程式就是其中之一。方程式就是其中之一。（3）对于以生产菌体为目的的微生物培养过程，由于代谢产）对于以生产菌体为目的的微生物培养过程，由于代谢产物可忽略不计，而二氧化碳的生成速率可通过发酵废气分析得物可忽略不计，而二氧化碳的生成速率可通过发酵废气分析得到，再根据基质（碳源）的消耗速率，通过碳平衡，就到，再根据基质（碳源）的消耗速率，通过碳平衡，就可以计可以计算出微生物细胞的生成速率算出微生物细胞的生成速率。三三.微生物代谢过

26、程中的微生物代谢过程中的ATP循环与氧平衡循环与氧平衡1.ATP循环循环合成代谢合成代谢ADP繁殖繁殖维持代谢维持代谢ATP分解代谢分解代谢2.生物氧化生物氧化 基质产能主要靠生物氧化，生物氧化是微生物生长代谢的基质产能主要靠生物氧化，生物氧化是微生物生长代谢的关键。在生物氧化过程中氧是最终的电子受体。关键。在生物氧化过程中氧是最终的电子受体。 EMPTCA电子传递链电子传递链每每1mol葡萄糖经生物氧化释放的自由能，能生成葡萄糖经生物氧化释放的自由能，能生成38mol的的ATP。还原型物质所脱下的氢依次传递，最终与氧结合成水。还原型物质所脱下的氢依次传递，最终与氧结合成水。 在厌气条件下，厌

27、氧微生物进行的是基质水平磷酸化。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：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所以，厌气发酵时，基质水平磷酸化所产生的ATP要比要比当发酵过程充分供氧时氧化磷酸化产生的当发酵过程充分供氧时氧化磷酸化产生的ATP少的多少的多.3.微生物生长代谢过程中的氧平衡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，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：

28、可建立下列平衡式：A:基质基质S完全氧化的需氧量；完全氧化的需氧量；B:菌体菌体X完全氧化的需氧量；完全氧化的需氧量；C:代谢产物代谢产物P完全氧化的需氧量；完全氧化的需氧量；上式中上式中 O2是指微生物生长代谢过程的耗氧量。包括两部分：是指微生物生长代谢过程的耗氧量。包括两部分：（1）维持生命活动的耗氧：若以）维持生命活动的耗氧：若以X为菌体的浓度，为菌体的浓度，mO为氧的维持为氧的维持常数，由在常数，由在t时间内维持耗氧量应为：时间内维持耗氧量应为： mOXt ；（2）菌体生长的耗氧：若用）菌体生长的耗氧：若用YGO表示相对于氧消耗的菌体生长得率表示相对于氧消耗的菌体生长得率常数，则生长常

29、数，则生长X菌体相应的耗氧量为菌体相应的耗氧量为XYGO。若过程没有代谢若过程没有代谢产物，产物，则有：则有：、：分别表示基质消耗比速和菌体生长比速；分别表示基质消耗比速和菌体生长比速；QO2：表示氧的消耗比速。表示氧的消耗比速。即：即： 将该式与碳源平衡式比较可得到碳源维持常数将该式与碳源平衡式比较可得到碳源维持常数m与氧的维与氧的维持常数持常数mO的关系是：的关系是：m= mO/A；可推导出：可推导出：碳源对菌体的得率常数碳源对菌体的得率常数YG与氧对菌体的得率常数与氧对菌体的得率常数YGO的关系为：的关系为：4.ATP消耗对菌体得率消耗对菌体得率YATP与与ATP平衡平衡 在微生物生长过

30、程中，需要在微生物生长过程中，需要ATP，同时必须有合成细胞的材料。，同时必须有合成细胞的材料。 可能两种情况：可能两种情况：（1）当合成细胞的材料大量存在，）当合成细胞的材料大量存在，ATP为限制因素：为限制因素：生生物合成取决于物合成取决于ATP的数量的数量能量偶联型生长过程能量偶联型生长过程。若用若用YATP表示每消耗表示每消耗1molATP所生成菌体的质量（所生成菌体的质量（g），），则称则称为为ATP消耗对菌体的得率。对于能量偶联型生长消耗对菌体的得率。对于能量偶联型生长YATP约等于约等于 10g菌体菌体molATP。（2）ATP过量，合成细胞材料为限制因素，或存在其他阻遏物过量，

31、合成细胞材料为限制因素，或存在其他阻遏物质使生物合成不能顺利进行质使生物合成不能顺利进行ATP不能充分有效用于生物合成，不能充分有效用于生物合成，被酶所分解以热形式释放被酶所分解以热形式释放能量非偶联型生长能量非偶联型生长， YATP将大大低于将大大低于 10g菌体菌体mol ATP，有时只有有时只有l2。此时，此时，细胞的生长速度表现为与菌体内细胞的生长速度表现为与菌体内ATP数量无关数量无关 从表从表6-2可见，当培养基缺少合成细胞的材料（如氨基酸、维可见，当培养基缺少合成细胞的材料（如氨基酸、维生素等生素等）时，时，YATP较低，而当加入生物合成的阻遏物（如较低，而当加入生物合成的阻遏物

32、（如EDTA或或柠檬酸）时，尽管柠檬酸）时，尽管ATP生成量没有太大变化，但生成量没有太大变化，但YATP将大大降低。将大大降低。 从表从表6-3可见，可见，生物合成所必须的泛酸成为限制因素，菌体生物合成所必须的泛酸成为限制因素，菌体生长的比速取决于泛酸的含量生长的比速取决于泛酸的含量 微生物的非偶联型生长，使微生物的非偶联型生长，使ATP在细胞内积累并最终被相在细胞内积累并最终被相应的酶分解，释放出能量，这种情况对细胞物质生产不利，但应的酶分解，释放出能量，这种情况对细胞物质生产不利，但对污水生物处理很有价值，减少污泥的产量。对污水生物处理很有价值，减少污泥的产量。 微生物生长代谢过程的微生

33、物生长代谢过程的ATP平衡可以用氧平衡和碳平衡相平衡可以用氧平衡和碳平衡相似的形式表示：似的形式表示：(ATP)S = (ATP)m + (ATP)G(ATP)S：基质分解所生成的基质分解所生成的ATP数量；数量；(ATP)m：微生物维持分解所消耗微生物维持分解所消耗ATP的数量，设的数量，设mA为为ATP的维持常数，则菌体的维持常数，则菌体X在在t时间内时间内ATP的的维持消耗应为维持消耗应为mAXt ；(ATP)G：菌体生长所消耗的菌体生长所消耗的ATP。 在通风培养微生物时，耗氧量与基质氧化生成的在通风培养微生物时，耗氧量与基质氧化生成的(ATP)S数量之数量之间存在一定的关系。间存在一

34、定的关系。5.通风培养时耗氧量与通风培养时耗氧量与ATP生成量间的关系生成量间的关系 设氧消耗对设氧消耗对ATP得率为得率为YA/O= (ATP)S / O2 (molATPmol氧氧)，氧消耗与生成的氧消耗与生成的ATP的关系也常用的关系也常用PO (molATPg原子氧原子氧)表示。表示。 从示意图可见，一个氧原子接受两个电子与两个质子结合生成从示意图可见，一个氧原子接受两个电子与两个质子结合生成 lmol水的同时，形成水的同时，形成3molATP，因此因此PO=3，这在哺乳动物肝脏这在哺乳动物肝脏细胞中才能达到。酵母菌的细胞中才能达到。酵母菌的PO=1，而一般微生物而一般微生物PO=0.

35、5l。这两种得率之间的关系为：这两种得率之间的关系为： PO比值不仅在发酵动力学研究工作中有用，在微生物的生比值不仅在发酵动力学研究工作中有用，在微生物的生物化学研究方面也很有用。它是一个特征常数，目前还没有直接测物化学研究方面也很有用。它是一个特征常数，目前还没有直接测定的方法，但可以通过推导计算。若用定的方法，但可以通过推导计算。若用 表示微生物生长能量偶表示微生物生长能量偶联型联型ATP对菌体的最大得率常数，即：对菌体的最大得率常数，即：则：则：式中：式中：QATP：基质分解生成基质分解生成ATP的比速数量。的比速数量。第二节第二节 微生物发酵的动力学微生物发酵的动力学一一.分批培养分批

36、培养二二.补料分批培养补料分批培养三三.连续培养连续培养一一. .分批培养分批培养 分批培养：又称分批发酵，是指在一个密闭系统内一次分批培养：又称分批发酵，是指在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物进行培养的方法。性投入有限数量营养物进行培养的方法。 目前最常用的培养方法，广泛用于各种发酵生产过程。在目前最常用的培养方法，广泛用于各种发酵生产过程。在分批培养过程中，除氧气、消泡剂及控制分批培养过程中，除氧气、消泡剂及控制pH值的酸、碱外，不值的酸、碱外，不再加入任何其他物质。伴随着培养基成分的减少，微生物经历再加入任何其他物质。伴随着培养基成分的减少，微生物经历了从生长繁殖到衰亡过程。了从生

37、长繁殖到衰亡过程。 一种非恒态的培养法。一种非恒态的培养法。1.细菌的生长曲线细菌的生长曲线 在分批培养条件下，微生物的生长过程可分为四个不同的在分批培养条件下，微生物的生长过程可分为四个不同的生长阶段，即：生长阶段，即：迟滞期迟滞期对数期对数期稳定期稳定期衰亡期衰亡期tlgN0 迟滞期迟滞期 当微生物细胞由一个培养基转到另一个培养基后，细当微生物细胞由一个培养基转到另一个培养基后，细胞有一个适应新环境的过程，细胞数目基本不增加。胞有一个适应新环境的过程，细胞数目基本不增加。 接种物的生理状态是迟滞期长短的关键。如果接种物接种物的生理状态是迟滞期长短的关键。如果接种物处于对数期，迟滞期可能很短

38、或不存在迟滞期。如果所用处于对数期，迟滞期可能很短或不存在迟滞期。如果所用的接种物已经停止生长，那么，就需要更长的时间，以适的接种物已经停止生长，那么，就需要更长的时间，以适应新环境。应新环境。 适当提高接种物浓度，可缩短迟滞期。适当提高接种物浓度，可缩短迟滞期。 对数期对数期 单位时间内细胞的数目或重量的增加维持恒定，并单位时间内细胞的数目或重量的增加维持恒定，并达到最大值。达到最大值。 此时期的培养基成分虽然发生了改变，但细胞的生长速度维此时期的培养基成分虽然发生了改变，但细胞的生长速度维持恒定。当培养基中营养物过量时，生长速度与营养物浓度无关。持恒定。当培养基中营养物过量时，生长速度与营

39、养物浓度无关。如以细胞重量的增加表示生长速度，如以细胞重量的增加表示生长速度，则：则：积分得：积分得： 如以微生物细胞浓度的自然如以微生物细胞浓度的自然对数值对时间作图则为一条直线，对数值对时间作图则为一条直线，其斜率等于其斜率等于。 如果如果t=td，即即X2=2X1所需要的时间。所需要的时间。 td即为代时，是细胞数量增加一倍所需的时间。即为代时，是细胞数量增加一倍所需的时间。 细菌的细菌的td为为1560min，酵母为酵母为45120min，霉菌为霉菌为28h。则：则： 稳定期稳定期 微生物大量生长微生物大量生长营养物的消耗和代谢产物的分泌营养物的消耗和代谢产物的分泌营营养物消耗殆尽或有

40、毒物质形成养物消耗殆尽或有毒物质形成微生物的生长速度开始下降微生物的生长速度开始下降直至生长停止。当所有细胞停止分裂，或细胞增加速度与死亡直至生长停止。当所有细胞停止分裂，或细胞增加速度与死亡速度达到平衡，即进入了稳定期。速度达到平衡，即进入了稳定期。 稳定期的细胞数量基本保持恒定，但活细胞数目可能下降。稳定期的细胞数量基本保持恒定，但活细胞数目可能下降。细胞自溶细胞自溶二次生长（隐性生长）：其产物主要是次级代谢产物。二次生长（隐性生长）：其产物主要是次级代谢产物。 衰亡期衰亡期 营养物质缺乏，细胞的能量贮备已经耗完，有毒代谢废营养物质缺乏，细胞的能量贮备已经耗完，有毒代谢废物大量积累，细胞开

41、始死亡。物大量积累，细胞开始死亡。 稳定期和衰亡期之间时间的长短，取决于微生物的种类稳定期和衰亡期之间时间的长短，取决于微生物的种类和所用的培养基。在工业生产上，通常在对数期的末期或衰和所用的培养基。在工业生产上，通常在对数期的末期或衰亡期开始之前，结束发酵过程，收获产物。亡期开始之前，结束发酵过程，收获产物。2.微生物生长速度的动力学方程微生物生长速度的动力学方程 1942年始，许多描述微生物生长过程中比生长速率和营养物年始，许多描述微生物生长过程中比生长速率和营养物浓度关系的数学模型。浓度关系的数学模型。 在大多数分批培养中，在特定温度、在大多数分批培养中，在特定温度、PH值、营养物类型、

42、值、营养物类型、营养物浓度条件下，比生长速率营养物浓度条件下，比生长速率是个常数。是个常数。1942年，年，Monod最最先发现比生长速率与限制性营养物浓度关系符合以下方程：先发现比生长速率与限制性营养物浓度关系符合以下方程： Monod方程是一个经验公式，在纯培养中，只有当微生物方程是一个经验公式，在纯培养中，只有当微生物细胞生长只受一种限制性营养物制约时，该方程才与实验数据细胞生长只受一种限制性营养物制约时，该方程才与实验数据一致。一致。 当培养基存在抑制剂，或存在多种营养物时，当培养基存在抑制剂，或存在多种营养物时，Monod方程方程必须加以修改才能与实验数据一致。当存在多种限制性营养物

43、必须加以修改才能与实验数据一致。当存在多种限制性营养物时，方程可改写为：时，方程可改写为： 如果所有营养物过量（对数生长期），如果所有营养物过量（对数生长期），=max，生长速生长速度达到最大值。度达到最大值。3.营养物的利用和产物的形式营养物的利用和产物的形式 在分批培养中，在分批培养中，常用得率因数来描述微生物生长过程的特常用得率因数来描述微生物生长过程的特征征 常用的生长得率因数有三类：常用的生长得率因数有三类：（1）与实际生产过程的效率、成本有关：如）与实际生产过程的效率、成本有关：如YX/S，YX/O2，YX/kJ（2）与代谢过程有关：如）与代谢过程有关：如YX/C，YX/P，YX/

44、N，YX/Ave-（3）与能量代谢有关，如）与能量代谢有关，如 YX/ATP4.分批培养过程的生产率分批培养过程的生产率 在评价发酵过程的成本、效率时，应利用生产率这个概念。发在评价发酵过程的成本、效率时，应利用生产率这个概念。发酵过程中的生产率可定义为酵过程中的生产率可定义为: 生产率是一个综合指标，在计算时间时应包括发酵时间、放罐、生产率是一个综合指标，在计算时间时应包括发酵时间、放罐、清洗、装料和消毒时间以及迟滞期所经过的时间。参见图清洗、装料和消毒时间以及迟滞期所经过的时间。参见图-。tc为放罐清洗时间为放罐清洗时间tf为消毒时间为消毒时间tl为迟滞时间为迟滞时间X0和和Xf分别为最初

45、和最终的细胞浓度分别为最初和最终的细胞浓度发酵总时间为：发酵总时间为： tL=tc+ tf+ tl则平均生产率则平均生产率P可表示为：可表示为：如果：如果： 通过方程可以估算发酵过程中各种因素的变化对平均通过方程可以估算发酵过程中各种因素的变化对平均生产率的影响。生产率的影响。 接种量大，接种量大，X0大，发酵过程缩短；大，发酵过程缩短；减少减少tc和和tf ，也能缩短周期。对于短周期发酵（也能缩短周期。对于短周期发酵（1870 h），如谷氨酸发酵，如谷氨酸发酵，tc和和tf非常重要；而对长周期发酵（非常重要；而对长周期发酵（3d以上），以上），如抗生素生产，如抗生素生产，tc和和tf就不太重

46、要了。就不太重要了。二二.补料分批培养补料分批培养 补料分批培养又称半连续培养或半连续发酵，是指在补料分批培养又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。法。是分批培养和连续培养之间的一种过渡培养方式。是分批培养和连续培养之间的一种过渡培养方式。 补料在发酵过程中的应用，是发酵技术上一个划补料在发酵过程中的应用，是发酵技术上一个划时代的进步。时代的进步。补料技术本身也由少次多量、少量多次，补料技术本身也由少次多量、少量多次，逐步改为流加，近年又实现了流加补料的微机控制。逐步改为流加，近年又实现了流加补

47、料的微机控制。 发酵过程中的补料量或补料率，目前在生产中还只是凭经发酵过程中的补料量或补料率，目前在生产中还只是凭经验确定，或根据一、两个一次检测的静态参数（如基质残留量、验确定，或根据一、两个一次检测的静态参数（如基质残留量、溶解氧浓度等）设定控制点，带有、溶解氧浓度等）设定控制点，带有 一定的盲目性，很难一定的盲目性，很难同步地满足微生物生长和产物合成的需要，因而现在的研究重同步地满足微生物生长和产物合成的需要，因而现在的研究重点在于如何实现补料的优化控制。点在于如何实现补料的优化控制。 1.补料分批培养的类型补料分批培养的类型 随着补料分批培养研究和应用的不断发展，出现了许多类随着补料分

48、批培养研究和应用的不断发展，出现了许多类型的补料分批培养方法（参见图型的补料分批培养方法（参见图-1）。）。.补料分批培养的动力学补料分批培养的动力学 单一补料分批培养单一补料分批培养 假定假定S0为开始培养时培养基中限制性营养物的浓度，则在某为开始培养时培养基中限制性营养物的浓度，则在某一瞬间培养液细胞浓度一瞬间培养液细胞浓度X可表示为：可表示为：X0为刚接种时培养液中的细胞浓度（为刚接种时培养液中的细胞浓度（g/L）其中：其中：YX/S为细胞生长的得率因数（为细胞生长的得率因数（g/g） 在开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程的适当时期，在开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程的适当

49、时期，开始连续补加碳源或（和）氮源或（和）其他必需基质，直到发开始连续补加碳源或（和）氮源或（和）其他必需基质，直到发酵液体积达到发酵罐最大操作容积后，酵液体积达到发酵罐最大操作容积后， 停止补料，最后将发酵停止补料，最后将发酵液一次全部放出。液一次全部放出。 当当S0时，细胞最终浓度为时，细胞最终浓度为Xmax，假定假定Xmax X0 ，则：则： 如果在如果在X=Xmax时开始以恒定速度补加培养基，这时，稀释时开始以恒定速度补加培养基，这时，稀释率率D小于小于mamax。实际上当底物一进入培养液，所有限制性营养实际上当底物一进入培养液，所有限制性营养物都很快被消耗。物都很快被消耗。F为流加的

50、培养基流速（为流加的培养基流速（L/h）X为培养液中细胞总量（为培养液中细胞总量（g），）， X=XVV为时间为时间t时培养液的体积时培养液的体积其中：其中：Xmax=YX/SS0 如流加入的营养物与细胞消耗掉的营养物相等，则流加入的营养物与细胞消耗掉的营养物相等，则dS/dt=0。尽管随着时间的延长，培养液中总菌体量尽管随着时间的延长，培养液中总菌体量X增加，但实际上细胞浓增加，但实际上细胞浓度度X保持不变，即保持不变，即dX/dt=0，因而，因而D。这种这种 dS/dt=0，dX/dt=0， D的状态，称为的状态，称为“准恒定状态准恒定状态”。在准恒定状态下，同样有：在准恒定状态下，同样有

51、：X0为开始培养时的总菌体量。为开始培养时的总菌体量。 在补料分批培养的准恒定状态下，虽然存在在补料分批培养的准恒定状态下，虽然存在=D，但与连但与连续培养中恒定状态下的续培养中恒定状态下的=D不同。在连续培养中不同。在连续培养中D是常数，而在是常数，而在补料分批培养中，随着时间的延长，由于体积增加，稀释率补料分批培养中，随着时间的延长，由于体积增加，稀释率 D和和比生长速率比生长速率以相同速度降低，以相同速度降低，D可由下式表示：可由下式表示：V0为开始培养时的培养液体积为开始培养时的培养液体积。 重复补料分批培养重复补料分批培养在培养过程中每间隔一定时间，取出一定体积的培养液，同时在培养过

52、程中每间隔一定时间，取出一定体积的培养液，同时在同一时间间隔内加入相等体积的培养基，如此反复在同一时间间隔内加入相等体积的培养基，如此反复 使发酵液体积始终不超过发酵罐的最大操作容积，从而在理论使发酵液体积始终不超过发酵罐的最大操作容积，从而在理论上可以延长发酵周期，直至发酵产率明显下降，才最终将发酵液上可以延长发酵周期，直至发酵产率明显下降，才最终将发酵液全部放出。全部放出。 3.补料分批培养的优点和应用补料分批培养的优点和应用兼具分批培养和连续培养的优点，而且克服了两者之缺点。兼具分批培养和连续培养的优点，而且克服了两者之缺点。与分批培养相比：与分批培养相比：（1） 可解除底物的抑制、产物

53、反馈抑制和葡萄可解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应。糖分解阻遏效应。【分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏】 指细胞内同时有两种分解分解底物存在时，利用快的那种底物会阻遏阻遏利用慢的底物 的有关酶系合成的现象。Eg: 将大肠杆菌培养在含乳糖和葡萄糖葡萄糖的培养基上，发现该菌可优先利用葡萄糖葡萄糖，并于葡萄糖葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖。（葡（葡萄糖效应）萄糖效应） 产生了两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期的“二次生长现象”葡萄糖效应并不是由葡萄糖直接造成，而是葡萄糖某种分解代谢葡萄糖效应并不是由葡萄糖直接造成，而是葡萄糖某种分解代谢物引起。物引起。 分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏涉及一种激

54、活蛋白对转录作用的调控。分解代谢物阻遏中，只有当一种称为分解物激活蛋白分解物激活蛋白(CAP)(CAP)首先结合到启动子上游后，RNA聚合酶才能与启动基因结合。这种激活蛋白是一种变构蛋白，当它与cAMPcAMP结合后构象发生变化，这时才能与DNA结合并促进RNA聚合酶的结合。无论在原核生物或高等生物中cAMP都是多种调控系统的重要因素。cAMP由腺苷酸环化酶催化ATP而产生，葡萄糖能抑制葡萄糖能抑制cAMPcAMP形成并促进形成并促进cAMPcAMP分泌到胞外。分泌到胞外。葡萄糖进入细胞后，胞内的cAMP水平下降，RNARNA聚合酶不能与启动聚合酶不能与启动子结合。子结合。因此，分解代谢物阻遏

55、分解代谢物阻遏实际上是cAMP缺少的结果。（2）对好氧发酵，它可以避免在分批发酵中一次性投）对好氧发酵，它可以避免在分批发酵中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。设备不能匹配的状况。（3）可以减少菌体生成量，提高有用产物的转化率。）可以减少菌体生成量，提高有用产物的转化率。（4）在真菌培养中，菌丝的减少可以降低发酵液的粘）在真菌培养中，菌丝的减少可以降低发酵液的粘度，便于物料输送及后处理度，便于物料输送及后处理 补料分批培养的优点和应用补料分批培养的优点和应用与连续培养相比：与连续培养相比：（1）不需要严格的无

56、菌条件；）不需要严格的无菌条件；（2）不会产生菌种老化和变异问题；）不会产生菌种老化和变异问题；（3）适用范围也比连续培养广。）适用范围也比连续培养广。目前，运用补料分批发酵技术进行牛产和研究的范围十分目前，运用补料分批发酵技术进行牛产和研究的范围十分广泛，包括单细胞蛋白、氨基酸、生长激素、抗生素、维广泛，包括单细胞蛋白、氨基酸、生长激素、抗生素、维生素、酶制剂、有机溶剂、有机酸、核苷酸、高聚物等，生素、酶制剂、有机溶剂、有机酸、核苷酸、高聚物等，几乎遍及整个发酵行业。它不仅被广泛用于液体发酵中，几乎遍及整个发酵行业。它不仅被广泛用于液体发酵中，在固体发酵及混合培养中也有应用。在固体发酵及混合

57、培养中也有应用。 三三.连续培养连续培养 以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，使培养物在稳度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，使培养物在稳定状态下生长的培养方法。定状态下生长的培养方法。分批发酵是密闭系统，连续培养是开放系统。分批发酵是密闭系统，连续培养是开放系统。 稳定状态可以有效地延长分批培养中的对数期。在稳定的稳定状态可以有效地延长分批培养中的对数期。在稳定的状态下，微生物所处的环境条件，如营养物浓度、产物浓度、状态下，微生物所处的环境条件，如营养物浓度、产物浓度、值等

58、都能保持恒定，微生物细胞的浓度及值等都能保持恒定，微生物细胞的浓度及 其比生长速率也其比生长速率也可维持不变，甚至还可以根据需要来调节生长速度。可维持不变，甚至还可以根据需要来调节生长速度。 连续发酵使用的反应器可以是搅拌罐式反可以是搅拌罐式反应器，也可以是管式反应器应器，也可以是管式反应器（如活塞流式反应器）。在罐式反应器中，即使加人的物料中不含有菌体，只要反应器内含有一定量的菌体，在一定进 料流量范围内，就可实现稳态操作。罐式连续发酵的设备与分批发酵设备无根本差别，一般可采用原有发酵罐改装。根据所用罐数，罐式连续发酵系统又可分罐式连续发酵系统又可分单罐连续发酵和多罐连续发酵单罐连续发酵和多

59、罐连续发酵 带搅拌管式反应器入口入口;1.连续培养的设备类型连续培养的设备类型设设备备类类型型均匀混合的生物反应器均匀混合的生物反应器活塞流反应器活塞流反应器恒化器恒化器恒浊器恒浊器使培养液中限制性营使培养液中限制性营养物浓度保持恒定养物浓度保持恒定使培养液中使培养液中细胞保持恒定细胞保持恒定（搅拌罐式反应器（搅拌罐式反应器 ）（管式反应器）（管式反应器）恒浊器（恒浊器（turbidostat）：即利用浊度来检测细胞的浓度，通过自控仪表调节输入料调节输入料液的流量液的流量，以控制培养液中的菌体浓度达到恒定值；恒化器（恒化器（chemostat）：与前者的相似之处是维持一定的体积，不同之处是菌体

60、浓度不是直接控制的，而是通过恒定流速输入恒定流速输入的养料的养料中某一种生长限制基质的浓度生长限制基质的浓度（如碳、氮源；生长因子；无机盐等）来控制菌体浓度的生长速度。 1、恒浊培养 原理：维持菌浓度不变。菌液浓度大小通过光电系统调节稀释率来维持菌数恒定 特点：基质过量，菌以最高速率生长；但工艺特点：基质过量，菌以最高速率生长；但工艺复杂，烦琐。复杂，烦琐。 2、恒化培养 原理：恒化器中动态平衡的稳定性，是以某种生长限制因子（如碳、氮源；生长因子；无机盐等）的浓度来控制菌的生长速度。 特点：维持营养成分的低浓度，控制微生物生特点：维持营养成分的低浓度，控制微生物生长速率。长速率。 恒化结构示意