微生物工程发酵过程动力学的基本概念

关于微生物工程发酵过程动力学的基本概念主要内容：一、生物反应动力学描述二、生物反应模式与发酵方法三、微生物发酵动力学四、微生物生长代谢过程中的质量平衡第2页,共65页，2024年2月25日，星期天一种是使底物在酶（游离酶或固定化酶）的作用下进行反应，如淀粉的液化、异构糖的生产、无侧链青霉素（6-APA）的制造等。另一种是通过细胞的培养，利用细胞中的酶系，把培养基中的物质通过复杂的生物反应转化成新的细胞及其代谢产物。

重点生物反应：第3页,共65页，2024年2月25日，星期天生物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模型操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程。第4页,共65页，2024年2月25日，星期天第一节、生物反应过程动力学描述发酵过程反应的描述

XS（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/产物比形成速率第5页,共65页，2024年2月25日，星期天菌体生长速率比生长速率一、菌体生长速率

比生长速率除受细胞自身遗传信息支配外，还受环境因素的影响。

第6页,共65页，2024年2月25日，星期天

微生物细胞比生长速率和倍增时间因受遗传特性和生长条件的控制，有很大的差异。第7页,共65页，2024年2月25日，星期天第8页,共65页，2024年2月25日，星期天第9页,共65页，2024年2月25日，星期天二、基质消耗速率

以菌体得率系数为媒介，可确定基质的消耗速率与生长速率之间的关系。第10页,共65页，2024年2月25日，星期天当基质既是能源又是碳源时：

碳源总消耗速率＝用于生长的消耗速率＋用于维持代谢的消耗速率第11页,共65页，2024年2月25日，星期天定义：消耗单位基质量ΔS（每克或每摩尔）与生成的干菌体ΔX（g）之间的比值定义为菌体得率（YX/S）。[消耗1g基质生成细胞的克数]

通常，菌体X以干重表示；基质S是培养液中某一限制性底物。说明：菌体得率第12页,共65页，2024年2月25日，星期天第13页,共65页，2024年2月25日，星期天三、代谢产物的生成速率第14页,共65页，2024年2月25日，星期天基质的消耗比速：(h-1)菌体的生长比速：产物的形成比速：(h-1)(h-1)发酵过程反应速度的描述

XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）第15页,共65页，2024年2月25日，星期天第二节、生物反应模式与发酵方法一、生物反应模式PXXPXP生长偶联型非偶联型混合型根据产物生成速率与细胞生成速率的关系分类PPXP第16页,共65页，2024年2月25日，星期天(1)类型Ⅰ（偶联型模型）

产物的形成与细胞生长呈相关的过程。产物是细胞能量代谢的结果，此时产物通常是基质的分解代谢产物。例如乙醇、乳酸发酵。其动力学方程可表示为:根据产物生成速率与细胞生成速率的关系分类第17页,共65页，2024年2月25日，星期天

(2)类型Ⅲ（非偶联型）

产物的形成与细胞生长不相关或无直接关系，其特点是细胞生长期基本无产物合成，细胞停止生长产物则大量合成。属于这类的产物是次级代谢产物。例如青霉素、链霉素等抗生素发酵。其动力学方程可表示为：第18页,共65页，2024年2月25日，星期天

(3)类型Ⅱ（混合型）

产物的形成与细胞生长部分相关或具有间接关系，例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。

其动力学方程可表示为：第19页,共65页，2024年2月25日，星期天定义：生成的代谢产物量ΔP对底物的消耗量ΔS（g）之比定义为代谢产物收率（YP/S）。

假如完全没有菌体生成，则理论代谢产物收率可达到最大值。说明：代谢产物收率第20页,共65页，2024年2月25日，星期天第21页,共65页，2024年2月25日，星期天二、发酵操作方法

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。（一）、分批发酵法第22页,共65页，2024年2月25日，星期天（二）、补料分批发酵法定义：所谓分批补料培养技术，是指在分批培养过程中，间歇或连续的添加新鲜培养基的方法。特点：与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点为：①可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧的矛盾。②避免培养基积累有毒代谢物。第23页,共65页，2024年2月25日，星期天补料分批培养适合于以下条件①生长非偶联型产物的生产②高密度培养③产物合成受代谢物阻遏控制④利用营养缺陷型菌株合成产物⑤补料分批培养还适用于底物对微生物具有抑制作用等情况。⑥此外，如果产物黏度过高或水分蒸发过大使传质受到影响时，可以补加水分降低发酵液黏度或浓度。第24页,共65页，2024年2月25日，星期天补料分批培养的优点与分批培养方式比较与连续培养方式的比较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、使用范围较广第25页,共65页，2024年2月25日，星期天（三）、连续发酵法所谓连续培养，就是在发酵过程中一边补入新鲜料液，一边以相近的流速放料，维持发酵液原来的体积。第26页,共65页，2024年2月25日，星期天连续发酵优点：①高效，它简化了装料、灭菌、出料、清洗发酵罐等许多单元操作，从而减少了非生产时间和提高了设备的利用率；②自控，便于利用各种仪表进行自动控制；③产品质量较稳定；④生长与代谢产物形成的两种类型节约了大量动力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、电的负荷均匀合理。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。第27页,共65页，2024年2月25日，星期天第28页,共65页，2024年2月25日，星期天连续发酵类型

类型开放式(菌体取出)封闭式(菌体不取出)

单罐多罐单罐多罐均匀混合非循环搅拌发酵罐搅拌罐(串联)透析膜培养

循环搅拌发酵罐(菌体部分重复使用)搅拌罐串联(菌体部分重复使用)搅拌发酵罐(菌体100％重复使用)搅拌发酵罐串联(菌体100％重复使用)非均匀混合非循环管道发酵器塔式发酵罐塔式发酵罐装有隔板的管道发酵器(卧式、立式)塔式发酵罐(菌体100％重复使用)塔式发酵罐(菌体100％重复使用)循环管道发酵器塔式发酵罐(菌体部分重复使用)塔式发酵罐装有隔板的管道发酵器(菌体部分重复使用)管道发酵器(菌体100％重复使用)塔式发酵罐装有隔板的管道(菌体100％重复使用)第29页,共65页，2024年2月25日，星期天单罐均匀混合连续发酵第30页,共65页，2024年2月25日，星期天管道非均匀混合连续发酵第31页,共65页，2024年2月25日，星期天塔式非均匀混合连续发酵第32页,共65页，2024年2月25日，星期天第三节、微生物发酵动力学生物反应动力学是研究生物反应过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。研究内容包括发酵过程菌体生长速率、基质消耗速率和产物生成速率的相互联系，环境因素对三者的影响，以及影响其反应速率的条件。第33页,共65页，2024年2月25日，星期天一、微生物分批发酵动力学1、分批发酵的不同阶段：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：指数生长期:减速期:静止期：衰亡期:第34页,共65页，2024年2月25日，星期天

(1)

停滞期停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。接种物的生理状态和浓度影响停滞期的长短。解决途径：一是尽量选择处于指数生长期的种子。二是扩大接种量。但是，如果要扩大接种量，又往往需要多级扩大制种，这不仅增加了发酵的复杂程度，又容易造成杂菌污染，故而应从多方面考虑。第35页,共65页，2024年2月25日，星期天

(2)对数生长期处于对数生长期的微生物细胞的生长速率大大加快，单位时间内细胞的数目或质量的增加维持稳定，并达到最大值。此时，如以细胞数目或生物质量的对数值对培养时图，将得一直线，该直线的斜率就等于μ。第36页,共65页，2024年2月25日，星期天微生物的最大比生长速率在工业上的意义为保证工业发酵的正常周期，要尽可能地使微生物的比生长速率接近其最大值。最大比生长速率不仅与微生物本身的性质有关，也与所消耗的底物以及培养的方式有关。限制微生物生长代谢的并不是发酵液中营养物质的浓度，而是营养物质进入细胞的速度。第37页,共65页，2024年2月25日，星期天

(3)稳定期在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在不断积累。受此影响，微生物的生长速率和比生长速率就会逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳定期。处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变；但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的组成物质还在不断变化。由于细胞的自溶作用，一些新的营养物质，诸如细胞内的一些糖类、蛋白质等被释放出来，又作为细胞的营养物质，从而使存活的细胞继续缓慢生长。（二次或隐性生长）微生物的很多代谢产物，尤其是次级代谢产物，是在进入稳定期后才大量合成和分泌的。第38页,共65页，2024年2月25日，星期天

(4)死亡期在死亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开始死亡。在发酵工业生产中．在进入死亡期之前应及时将发酵液放罐处理。第39页,共65页，2024年2月25日，星期天

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)2、微生物分批培养的生长动力学方程

1942年，Monod提出了在特定温度、pH值、营养物质类型、营养物浓度等条件下，微生物细胞的比生长速率与限制性营养物的浓度之间存在着一个关系式。第40页,共65页，2024年2月25日，星期天Monod方程的物理意义当比生长速率为最大比生长速率一半时的限制性营养物质浓度，它的大小表示了微生物对营养物质的吸引亲和力大小。单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。第41页,共65页，2024年2月25日，星期天KS越大，表示微生物对营养物质的吸引亲和力越小，反之越大。对于许多微生物来说，KS值是很小的，一般为0.1~120mg/l或0.01~3.0mmol/l，这表示微生物对营养物质有较高的吸收亲和力。第42页,共65页，2024年2月25日，星期天微生物比生长速率与底物之间有一定的关系线段a表示一样物质浓度很低时。线段b为符合Monod方程段。线段c表示营养物质浓度很高时。第43页,共65页，2024年2月25日，星期天Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：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。第44页,共65页，2024年2月25日，星期天例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221第45页,共65页，2024年2月25日，星期天μmax，＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h第46页,共65页，2024年2月25日，星期天3、分批培养时基质的消耗速率得率系数：生成的细胞或产物与消耗的营养物质之间的关系。细胞得率系数、产物得率系数：分别定义为消耗1g营养物质生成的细胞的质量和生成产物的质量，单位均为克。第47页,共65页，2024年2月25日，星期天4、分批培养时产物的形成速率第48页,共65页，2024年2月25日，星期天产物形成与细胞生长的关系第49页,共65页，2024年2月25日，星期天5、分批发酵过程的生产率

生产率是个综合指标，在讨论分批培养时，必须考虑所有的因素。

在计算时间时，不仅包括发酵时间，还包括放罐、清洗、装料和消毒时间以及迟滞所消耗时间。第50页,共65页，2024年2月25日，星期天发酵总时间为：式中：tc——放罐清洗时间；

tf——装料消毒时间；

t1——迟滞时间；

X0和Xt分别为细胞最初和最终浓度；

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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。接种量大，X0大，发酵时间短，减少tc和tf，也能缩短发酵周期。对于短发酵周期（18~70h）而言，如谷氨酸发酵，tc和tf非常重要，而对长发酵周期（3d以上），如抗生素生产，tc和tf就不太重要了。迄今为止，分批培养是常用的培养方法，广泛用于各种发酵过程。第52页,共65页，2024年2月25日，星期天二、补料分批发酵动力学1、补料分批发酵的类型第53页,共65页，2024年2月25日，星期天2、补料分批培养的动力学特点：补料一直到培养液达到额定值为止，培养过程不取出培养液。在某一瞬间培养液中微生物细胞浓度（1）、单一补料分批培养第54页,共65页，2024年2月25日，星期天（2）、重复补料分批培养定义：是在培养过程中，每隔一段时间，取出一定体积的培养液，同时又在同一时间间隔内加入相等体积的培养基，如此反复进行的培养方式。项目