第6章发酵动力学

1、第第6章章 发酵动力学发酵动力学本章主要内容本章主要内容v分批发酵动力学分批发酵动力学v连续发酵动力学连续发酵动力学v补料分批发酵动力学补料分批发酵动力学p 发酵过程的反应描述及速度概念p 发酵过程动力学研究的基本内容p菌体生长、产物形成、基质消耗动力学的基本概念p反应动力学的应用连续培养的操作特性什么是发酵动力学？什么是发酵动力学？发酵动力学：发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系动态定量关系，定量描述定量描述微生物微生物 生长生长 和和 产物形成产物形成 过程过程。主要研究主要研究：1、发酵动力学、发酵动力学参数特征参数特征：微

2、生物生长：微生物生长速率速率、发酵产物合成、发酵产物合成速率速率、底物消耗、底物消耗速率速率及其及其转化率、效率转化率、效率等；等；2、影响发酵动力学参数的、影响发酵动力学参数的各种理化因子各种理化因子；3、发酵动力学的、发酵动力学的数学模型数学模型。 认识发酵过程的规律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，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、如：基质浓度、温度、pH、溶氧，等等、溶氧，等等提高发酵产量、效率和转化率等提高发酵产量、效率和转化率等研究发酵动力学的目的研究发酵动力学的目的本章的重要性本章的重要性v一条主线：一条主线： 发酵工艺过程发酵工

3、艺过程v两个重点：两个重点： 发酵过程的发酵过程的优化与放大优化与放大v三个层次：三个层次： 分子、细胞、反应器分子、细胞、反应器v四个目标：四个目标： 高产、高效、高转化率、低成本高产、高效、高转化率、低成本主要方法：基于发酵动力学研究来实现主要方法：基于发酵动力学研究来实现生化反应：生化反应： aA + bB cC + dD反应动态平衡反应动态平衡 改变条件改变条件 破坏平衡破坏平衡如何能最快最多的获得目的产物如何能最快最多的获得目的产物温度温度酸碱度酸碱度浓度浓度催化剂催化剂如何确定高产高效如何确定高产高效的最佳条件？的最佳条件？采用反应动力学方法采用反应动力学方法进行定量研究进行定量研

4、究动力学主要探讨反应动力学主要探讨反应速率速率问题：问题：发酵动力学研究的几个层次（尺度）发酵动力学研究的几个层次（尺度）v分子层次（酶催化与生物转化）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及其影响因素采用一系列分子水平的方法采用一系列分子水平的方法v细胞层次（代谢网络与细胞工厂）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采用一系

5、列细胞水平的方法，包括细胞群体行为分析v反应器层次（过程工程）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采用一系列优化反应器发酵条件的方法v课程重点：课程重点：主要针对微生物发酵的主要针对微生物发酵的表观动力学表观动力学，通过研究，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系的宏观变化速率宏观变化速率，主要包括：，主要包括：细胞生长动力学细胞生长动力学底物消耗动力学底物消耗动力学产物合成动力学产物合成动力学 重点定量研究底物

6、消耗与细胞生长、产物合成的动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。态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。 但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达到认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。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发酵动力学研究的基本过程 l首先研究微生物生长和产物合成限制因子；首先研究微生物生长和产物合成限制因子；l建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；l确定模型参数确定模型参数； l实验验证模型实验验证模型的可

7、行性与适用范围；的可行性与适用范围；l根据模型实施最优控制。根据模型实施最优控制。 第一节第一节 发酵过程的反应描述及速度概念发酵过程的反应描述及速度概念 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）发酵研究的内容：发酵研究的内容：发酵过程反应的描述发酵过程反应的描述菌种的来源菌种的来源找到一个好的菌种找到一个好的菌种发酵过程的工艺控制发酵过程的工艺控制最大限度发挥菌种的潜力最大限度发挥菌种的潜力基质的消耗速度：基质的消耗速度：dsrdt dsdt X X发酵过程反应速度的描述基质的消耗基质的消耗比速比速：(g.L-1.s-1)(h-1.s-1)单位时间内单位菌体消耗基质或形成

8、产物（菌体）的量称为单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）dsdt X X基质的消耗比速：基质的消耗比速：(h-1)菌体的生长比速：菌体的生长比速：dxdtX X产物的形成比速：产物的形成比速：dpdtX X(h-1)(h-1)发酵过程反应速度的描述 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）第二节 发酵反应动力学的研究内容研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应器特性+反应器的操作

9、模型操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程已建立动力学模型的类型u 机制模型：机制模型：根据反应机制建立根据反应机制建立几乎没有几乎没有u 现象模型（经验模型）：现象模型（经验模型）：目前大多数模型目前大多数模型p 能定量地描述发酵过程能定量地描述发酵过程p 能反映主要因素的影响能反映主要因素的影响第三节 微生物生长动力学的基本概念一、微生物在一个密闭系统中的生长情况：一、微生物在一个密闭系统中的生长情况：时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期延迟期：dxdt0 0指数生长期:mma ax x倍增时间倍增时间：td减速期:ddt 0 0静止期： ;dxdt0 0mma ax xX

10、 XX X衰亡期:dxdt0 0什么是分批发酵？什么是分批发酵？v分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，属典型的结束，属典型的非稳态过程非稳态过程。v分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延滞期、对数分批发酵过程中，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）和衰亡期五个时期生长期、衰减期、稳定期（静止期）和衰亡期五个时期。典型的分批发酵工艺流程图典型的分批发酵工艺流程图分批发酵过程分批发酵过程 t1 t2 t3 t4 t5 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线 菌体浓度X时间

11、时间 t t分批发酵动力学分批发酵动力学-细胞生长动力学细胞生长动力学分批发酵动力学分批发酵动力学杀假丝菌素分批发酵动力学分析杀假丝菌素分批发酵动力学分析 杀假丝菌素分杀假丝菌素分批发酵中的葡批发酵中的葡萄 糖 消 耗 、萄 糖 消 耗 、DNADNA含量含量和杀和杀假丝菌素合成假丝菌素合成的变化的变化 。l 应用举例应用举例分批发酵的优缺点分批发酵的优缺点v优点：优点：操作简单、投资少操作简单、投资少运行周期短运行周期短染菌机会减少染菌机会减少生产过程、产品质量较易控制生产过程、产品质量较易控制v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，会不利于测定过程动力学，存在底物限制或

12、抑制问题，会出现底物出现底物分解阻遏效应分解阻遏效应? ?及及二次生长二次生长? ?现象。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素等就不适合用分批发酵（生长与合成条件差别大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。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。非生产时间长，生产率较低。 二、微生物的生长动力学、二、微生物的生长动力学、Monod方程方程p 微生物的生长速度微生物的生长速度： f（s，p，T，pH，,）p 在一定条件下在一定条件下( (基质限

13、制基质限制) )： f（S）Monod研究了基质浓度与生长速度的关系研究了基质浓度与生长速度的关系Monod方程（方程（1949）00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2Km00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmmaxsSKSmaxsSvvKS米氏方程:00 . 20 . 40 . 60 . 811 . 202 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0SVVmVm/2KmmaxsSKS：菌体的生长比速：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数：半饱和常数max:

14、最大比生长速度最大比生长速度单一限制性基质：就是单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。起到限制作用的营养物。Monod方程的参数求解（双倒数法）：将Monod方程取倒数可得：111smmSKsmmSKS或： 这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。maxsKSS例：例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S（mg/l） 6 33 64 153 221（h-1） 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70

15、求在该培养条件下，求大肠杆菌的求在该培养条件下，求大肠杆菌的max，Ks和和倍增时间倍增时间td?解：解：将数据整理：将数据整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 102 153 221smmSKSmax，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L01002000100200300400 /ssm10.9m108.4sktdln2/ max0.64 hsmmSKSMonod方程练习题方程练习题在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测定实验数据如下：在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测定实验数据如下：求：求：（1）该条件下，大肠杆菌的最大比生长速率）该条件下

16、，大肠杆菌的最大比生长速率max,半饱和常数半饱和常数Ks（2）比生长速率为）比生长速率为max时的倍增时间时的倍增时间td。S（mg/L）100120153170220（h-1）0.667 0.706 0.7540.773 0.815第四节 产物形成动力学的基本概念一、初级代谢产物和次级代谢产物一、初级代谢产物和次级代谢产物次级代谢产物：次级代谢产物：由微生物产生的，与微生物生长、繁殖无关的由微生物产生的，与微生物生长、繁殖无关的 一类物质。一类物质。一般是在稳定期形成，如抗生素一般是在稳定期形成，如抗生素 等，这一类化合物称为次级代谢产物。等，这一类化合物称为次级代谢产物。初级代谢产物：初

17、级代谢产物：微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。 如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级 代谢产物。代谢产物。 根据发酵时间过程分析，微生物生长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：与产物合成存在以下三种关系：l与生长相关与生长相关生长偶联型生长偶联型l与生长部分相关与生长部分相关生长部分偶联型生长部分偶联型l与生长不相关与生长不相关无关联无关联分批发酵动力学分批发酵动力学-产物形成动力学产物形成动力学二、二、Gaden对发酵的三分类与对发酵的三分类与Pirt方程：方程：一类发酵一类发酵 产

18、物的形成和菌体的生长相偶联产物的形成和菌体的生长相偶联xp二类发酵二类发酵 产物的形成和菌体的生长部分偶联产物的形成和菌体的生长部分偶联xp三类发酵三类发酵 产物的形成和菌体的生长非偶联产物的形成和菌体的生长非偶联xpPirtPirt方程方程 a + bq a=0、b0： 可表示一类发酵可表示一类发酵q a0、b 0： 可表示二类发酵可表示二类发酵q a=0、b0：可表示三类发酵可表示三类发酵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产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图 第五节 基质消耗动力学的基本概念SS1 菌体菌体S2 产物产物S3 维持维持 XS（底

19、物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）+维持维持维持消耗维持消耗(m) ：指维持细胞最低活性所指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一耗所需的基质的量是一个常数。个常数。dsdt X X基质的消耗比速：基质的消耗比速：(h-1)菌体的生长比速：菌体的生长比速：dxdtX X产物的形成比速：产物的形成比速：dpdtX X(h-1)(h-1)发酵过程反应速度的描述 XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物） XS（底物）（底物） X（菌体）（菌体）

20、 P（产物）（产物）+维持维持m: 维持消耗系数维持消耗系数YP/s: 产物对基质的理论得率系数产物对基质的理论得率系数XPssmYYYX/s: 细胞对基质的理论得率系数细胞对基质的理论得率系数312dsdsdsdsdtdtdtdt物料衡算：o第六节 反应动力学的应用 连续培养的操作特性连续反应器：连续反应器：流入速度流入速度=流出速度流出速度=F反应器内反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等全混流溶质浓度处处相等V：反应器内发酵液体积(L)X：反应器内菌体浓度(g/L)So：流加发酵液中基质的浓度(g/L)S：反应器内基质的浓度(g/L)F：补料速度(L/h)什么是连续发酵？什么是连续发酵？l

21、连续发酵概念：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。同流量从发酵罐中取出培养液。v连续发酵特点：连续发酵特点： 添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生产过程，获得产过程，获得相对稳定相对稳定的连续发酵状态。的连续发酵状态。v连续发酵类型：连续发酵类型： 单级单级 多级连续发酵多级连续发酵l连续发酵类型及装置连续发酵类型及装置 罐式连续发酵罐式连续发酵 单级单级 多级串联多级串联 细胞回流式细胞回流式 塞流式连续发酵塞流式连续发酵连续发酵动力学连

22、续发酵动力学-发酵装置发酵装置单级连续发酵示意图单级连续发酵示意图连续发酵动力学连续发酵动力学-发酵装置发酵装置-单级单级l 两两个个及以上的及以上的发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出 料作为下一级发酵罐的进料料作为下一级发酵罐的进料。 连续发酵动力学连续发酵动力学-发酵装置发酵装置-多级串联多级串联两级连续发酵示意图两级连续发酵示意图l罐式连续发酵实现方法罐式连续发酵实现方法恒浊法：恒浊法：通过调节营养物的流加速度，利用浊度计检测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。细胞浓度，使之恒定。恒化法：恒化法：保持某一限制性基质在一恒定浓度水平，使

23、菌保持某一限制性基质在一恒定浓度水平，使菌的比生长速率的比生长速率保持一定。保持一定。培养基输入培养基输入培养基进入培养基进入下一级发酵罐下一级发酵罐培养基进入培养基进入后处理或到后处理或到下一级发酵罐下一级发酵罐 多级罐式连续发酵装置示意图多级罐式连续发酵装置示意图 连续发酵动力学连续发酵动力学-发酵装置发酵装置-多级串联多级串联 a: 再循环比率（回流比）再循环比率（回流比） c: 浓缩因子浓缩因子 细胞回流的单级连续发酵示意图细胞回流的单级连续发酵示意图连续发酵动力学连续发酵动力学-发酵装置发酵装置-细胞回流式细胞回流式eSFXF)1 (eXFcXF,发酵罐发酵罐培养物培养物流出流出无菌

24、培养无菌培养基流入基流入供给连续接供给连续接种再循环种再循环d连续发酵动力学连续发酵动力学-发酵装置发酵装置-塞流式塞流式o物料衡算（连续培养的反应器特性）物料衡算（连续培养的反应器特性）对菌体:稳态0dxdtdxVxVFxdtxVFxFDV稀释率(D):补料速度与反应器体积的比值(h-1)o物料衡算（连续培养的反应器特性）物料衡算（连续培养的反应器特性）对基质:稳态0dsdt0dsVFsxVFsdt稀释率(D):补料速度与反应器体积的比值(h-1)0()D ssxD0()sD sxXsYmaxsKSSDSx连续培养操作的模型分析0maxmax0sSKSDmax时会造成菌体的洗出0246810

25、1200.20.40.60.811.2DS, X, DXXSDX连续培养的操作特性 连续培养中，最终在此培连续培养中，最终在此培养体系中生存下来的微生物都养体系中生存下来的微生物都是此时刻对该种底物表现出最是此时刻对该种底物表现出最大生长的微生物（或一个微生大生长的微生物（或一个微生物生态）。物生态）。s0当只有当只有B时建立稳态：时建立稳态：B=D，对应，对应S0如果引入微生物如果引入微生物A：= A (S0)A Dx增加增加s下降下降A B下降下降BD被洗出被洗出连续培养富集微生物的原理l 优缺点优缺点v添加新鲜培养基，克服养分不足所导致的发酵过添加新鲜培养基，克服养分不足所导致的发酵过程

26、过早结束，延长对数生长期，增加生物量等；程过早结束，延长对数生长期，增加生物量等；v在长时间发酵中，菌种易于发生变异，并容易染在长时间发酵中，菌种易于发生变异，并容易染上杂菌；上杂菌；v如果操作不当，新加入的培养基与原有培养基不如果操作不当，新加入的培养基与原有培养基不易完全混合。易完全混合。连续发酵动力学连续发酵动力学-理论理论什么是补料分批发酵？什么是补料分批发酵？v补料分批培养（补料分批培养（Fed-batch culture）：）： 分批发酵过程中补充培养基，不从发酵体系中排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出发酵液，使发酵液的体积随着发酵时间逐渐增加 。v概念：在发酵过程中，不连续地向发酵罐内加入培养概念：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。基，但不取出发酵液的发酵方式。v特点：由于培养基的加入，发酵液体积不断增加。特点：由于培养基的加入，发酵液体积不断增加。补料分批发酵动力学补料分批发酵动力学v半连续发酵