微生物发酵动力学

第六章微生物发酵动力学什么是发酵动力学？主要研究：1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及其转化率、效率等；2、影响发酵动力学参数的各种理化因子；3、发酵动力学的数学模型。发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系，定量描述微生物生长和产物形成过程。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，等等提高发酵产量、效率和转化率等研究发酵动力学的目的分批发酵动力学连续发酵动力学补料分批发酵动力学本章主要内容分批发酵过程中，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。什么是分批发酵？分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。典型的分批发酵工艺流程图分批发酵过程t1t2t3t4t5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t分批发酵动力学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1h酵母：典型倍增时间2h放线菌和丝状真菌：典型倍增时间4-8h分批发酵动力学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。X—细胞浓度（g/L）；N—细胞个数；t—生长时间；X0、Xt—初始微生物浓度和t时细胞浓度；N0、Nt—初始细胞个数和t时细胞个数；μ—以细胞浓度表示的比生长速率；μn—以细胞数量表示的比生长速率。微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细胞数量在单位时间内的增加量来表示（比生长速率：μ、μn）：dtdXX1=µdtdNNn1=µ或tteXXµ0=ttneNNµ0=或分批发酵动力学-细胞生长动力学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表征μ与培养基中残留的生长限制性底物St的关系tSKtSms+=µµKs：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亲和力，两者成反比。比生长速率μMonod方程酶促反应动力学－米氏方程：sKssm+=µµ][][sKsVvmm+=mmSKsµµµ111+⋅=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：Monod方程与米氏方程1.测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值）2.实验确定适于微生物生长的最佳底物（？）3.比较不同底物发酵最终残留的大小（？）4.比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培养的稀释率Monod方程应用当培养基中存在多种限制性营养物时Monod方程应改为：++++++=∑=122221111max1innnnKiSKSKSKSKSKSKµµ分批发酵动力学得率系数指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量。其大小取决于生物学参数（µ,x）和化学参数（DO,C/N,磷含量等）（1）生长得率系数①Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克营养物、每克分子氧以及每千卡能量所生成的细胞克数；②Yx/c、Yx/N、Yx/p、Yx/Ave-：消耗每克C、每克N、每克P和每个有效电子所生成的细胞克数；③Yx/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sxYSX∆∆=/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。sCOsATPOPYYY///p/s22,,,Y产物得率系数：基质消耗动力学spYSP∆∆=/基质消耗速率与生长、合成关系如下：表观：专一性：SXSXSXYxdtdxYdtdsdtdsYdtdx///1µ=⋅=−⇒⋅−=dtdpYdtdsdtdsYdtdpSPSP⋅=−⇒⋅−=//1dtdpYmxYxdtdsPG⋅++=−1µ基质消耗动力学•为了扣除细胞量的影响，•定义：基质比消耗速率产物比生成速率dtdsxqS⋅−=1dtdPxqP⋅=1=SqPPGYqmY++µ=SqSXY/µdtdpYmxYxdtdsPG⋅++=−1µSXSXYxdtdxYdtds//1µ=⋅=−SPpsYqq/=dtdpYdtdsSP⋅=−/1基质消耗动力学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：与生长相关→生长偶联型与生长部分相关→生长部分偶联型与生长不相关→无关联产物形成动力学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与生长相关→生长偶联型：乙醇发酵µ⋅=→=XPPxXPYqdtdxYdtdP//1/产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直接结果，菌体生长速率的变化与产物生成速率的变化相平行。产物形成动力学与生长部分相关→生长部分偶联型：柠檬酸、氨基酸发酵βαµβα+=→+=PqxdtdxdtdP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）。产物形成动力学与生长不相关→无关联：抗生素发酵若考虑到产物可能存在分解时，则PkxqPkxdtdPdpd−=−=ββ=pqxdtdPβ=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。产物形成动力学优点：操作简单、投资少运行周期短染菌机会减少生产过程、产品质量较易控制分批发酵的优缺点缺点：不利于测定过程动力学，存在底物限制或抑制问题，会出现底物分解阻遏效应?及二次生长?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素等就不适合用分批发酵（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非生产时间长，生产率较低分批发酵的优缺点连续发酵动力学连续发酵概念：在发酵过程中，连续向发酵罐流加培养基，同时以相同流量从发酵罐中取出培养液。•特点：添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生产过程，获得相对稳定的连续发酵状态。什么是连续发酵罐式连续发酵单级多级串联细胞回流式塞流式连续发酵连续发酵类型单级连续发酵示意图单级连续发酵两个及以上的发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出料作为下一级发酵罐的进料。两级连续发酵示意图多级串联连续发酵培养基输入培养基进入下一级发酵罐培养基进入后处理或到下一级发酵罐多级罐式连续发酵装置示意图多级串联连续发酵恒浊法：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。恒化法：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µ保持一定。罐式连续发酵实现方法多级串联连续发酵进行细胞回流的单级连续发酵•概念：进行单级连续发酵时，把发酵罐流出的发酵液进行分离，经浓缩的细胞悬浮液送回发酵罐中。•优点：提高了发酵罐中的细胞浓度，也有利于提高系统的操作稳定性。a:再循环比率（回流比）;c:浓缩因子单级连续发酵发酵罐培养物流出无菌培养基流入供给连续接种再循环d塞流式连续发酵D=F/V(h-1)F—流量（m3/h）V—培养液体积（m3）DTL1=②理论停留时间①稀释率连续发酵动力学细胞的物料衡算（µ和D的关系）对于单级恒化器：X0=0且通常有：xxDxDxxdtdxxVFxVFdtdxGαµα−+−=−+−=00αµ()xDdtdx−=∴µ积累的细胞（净增量）=流入的细胞-流出的细胞+生长的细胞-死亡的细胞连续发酵动力学0=dtdx↑xdtdx,0↓xdtdx,0()xDdtdx−=µA.稳定状态时，此时µ=D（单级连续发酵重要特征）B.不稳定时，当µD，当µD，连续发酵动力学()SXYxSSD/0µ=−()SSYxDSX−==0/µ()SSYxDSX−==0/µ限制性基质的物料衡算连续发酵动力学稳态时单级连续培养两个稳态方程式•利用细胞再循环连续发酵技术进行废水的生化处理、发酵与产物分离耦合。•利用连续培养的选择性进行富集培养菌种选择及防污染处理。•遗传稳定性研究•选择适当的物质作为限制性基质，可使连续发酵中细胞代谢产物的生产大大提高。•连续发酵提高生产率应用连续发酵动力学优缺点•添加新鲜培养基，克服养分不足所导致的发酵过程过早结束，延长对数生长期，增加生物量等；•在长时间发酵中，菌种易于发生变异，并容易染上杂菌；•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。连续发酵动力学补料分批培养补料分批培养（Fed-batchculture）：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。补料分批培养•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。•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•半连续发酵：在发酵过程中，每隔一定时间，取出一定体积的发酵液，同时在同一时间间隔内加入相等体积的培养基，如此反复进行的发酵方式。•特点：稀释率、比生长速率以及其它与代谢有关的参数都将发生周期性的变化。补料分批发酵类型补料方式连续流加不连续流加多周期流加以补加的培养基成分来区分流加方式单一组分补料多组分补料快速流加变速流加恒速流加补料分批发酵优点可以解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应。避免在分批发酵中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。菌体可被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来作为控制细胞质量的手段。与连续发酵相比，补料分批发酵的优点在于：①无菌要求低；②菌种变异，退化少；③适用范围更广。补料分批发酵思考题1、分批发酵与连续发酵的概念2、比生长速率的定义和计算公式3、Monod方程及其意义