6发酵动力学-6学时

第六章发酵动力学p113Page2获得应用价值的微生物反应器放大发酵过程优化和控制发酵产物分离提取Page3发酵过程优化和控制Page4寻找能反映过程变化的参数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建立各种数学模型以描述各参数随时间的变化关系通过计算机在线控制，反复验证各种模型的可行性与适用范围发酵动力学的研究内容1234Page5发酵动力学的研究目的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提高发酵产量、效率和转化率等123Page6发酵动力学：研究微生物生长、发酵产物合成、底物消耗之间动态定量关系，是对微生物生长和产物形成过程的定量描述。发酵动力学主要探讨反应速率问题发酵动力学的关注点发酵过程中如何能最快最多的获得目的产物？如何确定高产高效的最佳条件？aA+bBcC+dDPage7本章内容一、分批发酵动力学二、连续发酵动力学三、分批补料发酵动力学Page8一、分批发酵动力学微生物生长动力学底物消耗动力学代谢产物生成动力学p125Page9（一）微生物生长动力学分批发酵：指在一个密闭系统里投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法分批发酵属典型的非稳态过程1.什么是分批发酵？Page102.典型的分批发酵工艺流程图（一）微生物生长动力学Page113.分批发酵的不同阶段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）和衰亡期五个时期分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线（一）微生物生长动力学Page12生长阶段细胞特征停滞期为适应新环境的过程，细胞个体增大，合成新的酶及细胞物质，细胞数量很少增加，微生物对不良环境的抵抗力降低。当接种的是饥饿或老龄的微生物细胞，或新鲜培养基营养不丰富时，停滞期将延长对数生长期细胞活力很强，生长速率达到最大值且保持稳定，速率大小取决于培养基的营养和环境稳定期随着营养物质的消耗和产物的积累，微生物的生长速率下降，并等于死亡速率，系统中活菌的数量基本稳定衰亡期在稳定期开始以后的不同时期内出现，由于自溶酶的作用或有害物质的影响，使细胞破裂死亡细菌在分批培养过程中的各个生长阶段的细胞特征（一）微生物生长动力学Page13生长阶段生长速率特征停滞期为适应新环境的过程，细胞个体增大，合成新的酶及细胞物质，细胞数量很少增加，微生物对不良环境的抵抗力降低。当接种的是饥饿或老龄的微生物细胞，或新鲜培养基营养不丰富时，停滞期将延长对数生长期细胞活力很强，生长速率达到最大值且保持稳定，速率大小取决于培养基的营养和环境稳定期随着营养物质的消耗和产物的积累，微生物的生长速率下降，并等于死亡速率，系统中活菌的数量基本稳定衰亡期在稳定期开始以后的不同时期内出现，由于自溶酶的作用或有害物质的影响，使细胞破裂死亡生长速率=0生长速率逐渐增加，最终达到最大生长速率净生长速率=0净生长速率=-（死亡速率）生长速率如何计算呢？Page144.生长动力学描述参数-比生长速率μ微生物进行发酵过程反映系统的动力学描述常采用群体来描述。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（μ、μn）：dtdXX1μX—细胞浓度（g/L）；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。dtdNN1μn（一）微生物生长动力学Page15dtdXX1dtdNNn1或tteXX0ttneNN0或取自然对数：或（6-3）X—细胞浓度（g/L）；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。以细胞浓度来表示（一）微生物生长动力学4.生长动力学描述参数-比生长速率μPage16以倍增时间来表示倍增时间td：微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间4.生长动力学描述参数-比生长速率μ（一）微生物生长动力学Page17微生物碳源比生长速率/h-1倍增时间/min大肠杆菌复合物1.235葡萄糖+无机盐2.8215中型假丝酵母葡萄糖+无机盐+维生素0.35120葡萄糖+无机盐1.2334地衣芽孢杆菌葡萄糖+无机盐0.6960葡萄糖+水解酪蛋白胨1.235（一）微生物生长动力学微生物细胞的比生长速率和倍增时间因受遗传特性及生长条件的控制，有很大差异Page18（1）停滞期:X不变,即（2）对数生长期:(假定无抑制作用存在)0μ0,dtdx（一）微生物生长动力学5.生长动力学模型Page19（3）衰减期（开始出现一种底物不足的限制）:tSsKtSmμμMonod模型:用于表征特定温度、pH、营养物质类型及浓度等条件下，微生物的比生长速率μ与限制性营养成分浓度St之间的关系式中:μm—最大比生长速率，h-1；St—生长限制性底物浓度，g/m3Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数）（一）微生物生长动力学5.生长动力学模型Page20Ks—底物亲和常数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；表征微生物对底物的吸收亲和力，两者成反比，即Ks越大，表示微生物对营养物质的吸收亲和力越小。tSKtSmsPage21比较：酶促反应动力学－米氏方程：][][sKsVvmmsKssmmmSKs111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：Page22μm随微生物的种类和培养条件的不同而不同，通常是0.09~0.65h-1。一般来说，细菌的μm大于真菌的μm。而就同一种细菌而言，培养温度升高，μm增大；营养物质的改变，μm也要变化。通常容易被微生物利用的营养物质，其μm较大；随着营养物质碳链的逐渐加长，μm则逐渐变小。•最大比生长速率μm在工业生产中的意义重大Page23Monod方程应用：–测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值）–实验确定适于微生物生长的最佳底物（？）–比较不同底物发酵最终残留的大小（？）–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Page24当培养基中存在多种限制性营养物时，Monod方程应改为122221111max1innnnKiSKSKSKSKSKSK（一）微生物生长动力学Page25（4）稳定期（不生长或生长率与死亡率相等）:（5）衰亡期:max01xxdtdxx，（浓度最大）a(比死亡速率，s-1)（一）微生物生长动力学5.生长动力学模型Page26tstmSKSμ（一）微生物生长动力学5.生长动力学模型小结Page27一、分批发酵动力学微生物生长动力学底物消耗动力学代谢产物生成动力学Page28dtdXY1dtdSγSXs（二）底物消耗动力学1.底物消耗动力学描述参数-底物消耗速率γS（P120）菌体得率系数（YX/S）：消耗每克营养物所生成的细胞克数；相对于底物总消耗的细胞得率，又叫表观得率。则：Page29dtdXY1dtdSγSXsdtdXX1μSKSμμsmSKSXμY1dtdSγSmSXs（二）底物消耗动力学1.底物消耗动力学描述参数-底物消耗速率γSX—菌体浓度S—底物浓度Page30单位质量细胞在单位时间内的底物消耗量SKSμY1XrqSmSXSs（二）底物消耗动力学1.底物消耗动力学描述参数-底物比消耗速率qSX—菌体浓度S—底物浓度Page31溶解氧的消耗速率单位体积培养液中细胞在单位时间内摄取溶解氧的量称为摄氧率（γ）或溶解氧的消耗速率（γO2）XOXγY1γO2溶解氧的比消耗速率单位质量的细胞在单位时间内溶解氧的消耗量，称为溶解氧的比消耗速率（qO2），也称为微生物细胞的呼吸强度OXXO2O2YrX1Xrq（二）底物消耗动力学1.底物消耗动力学描述参数Page32合成新的细胞物质合成代谢产物提供细胞生命活动需要的能量（二）底物消耗动力学2.底物消耗动力学模型底物Page33（二）底物消耗动力学2.底物消耗动力学模型（I）不涉及产物合成即：底物的消耗=细胞生长+维持生命活动+产物合成Page34mXγY1γX*SXSX*SXγY1mX用于细胞生长的底物消耗：指生成细胞的质量与完全消耗于底物细胞生长的底物的质量之比；仅用于细胞生长所消耗底物而言的细胞得率，即理论细胞得率;YG*SXY用于维持细胞结构和生命活动的底物消耗m：指维持细胞结构和生命活动所需能量的细胞维持系数，g/(g˙s)或s-1本征参数：微生物在确定的底物、确定的培养条件下，此参数为常数（二）底物消耗动力学2.底物消耗动力学模型--不涉及产物合成Page35mXγY1γX*SXS由mμY1q*SXSxxμγXSXSXsYXdtdXY1dtdSγSXsYqμmY1Y1*SXSX（5-75）Page36图解法求微生物的本征参数Y*X/S和m*X/SX/SY1μmY11/Yx/s1/µm*X/SY1Page37表观得率对底物的总消耗而言的细胞得率系数，消耗每克营养物所生成的细胞克数。专一性得率（理论得率）专一性用于生长的底物量，不含用于维持能耗及产物形成部分的用量。X/SY*X/SYμmY1Y1*SXSXPage38（II）涉及产物合成（二）底物消耗动力学2.底物消耗动力学模型即：底物的消耗=细胞生长+维持生命活动+产物合成Page39pSPX*SXSγY1mXγY1γSPY：产物的得率系数；pγ：产物的生成速率；pSX*SXSqY1mμY1q：产物的比生成速率，即单位质量细胞在单位时间内生成产物的速率pq（二）底物消耗动力学2.底物消耗动力学模型--涉及产物合成Page40一、分批发酵动力学微生物生长动力学底物消耗动力学代谢产物生成动力学Page41（三）产物生成动力学1.产物生成动力学描述参数-产物形成(比)速率γp–产物的形成速率qp–产物的比形成速率由于微生物反应生成的代谢产物种类很多，并且微生物细胞的生物合成途径与代谢调节机制各有特色，因此很难用统一的生成速率模式来表示Page42（三）产物生成动力学2.产物生成动力学模型生长部分相关型非相关型生长相关型根据产物生成与菌体生长的关系Page43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Page44（a）与生长相关→生长偶联型：乙醇发酵μYqdtdXYdtdPP/XPP/X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。（三）产物生成动力学2.产物生成动力学模型Page45（b）与生长部分相关→生长部分偶联型：柠檬酸、氨基酸发酵βαμqβXdtdXαdtdPP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）α:与菌体生长相关的产物生成系数β:与菌体浓度相关的产物生成系数（三）产物生成动力学2.产物生成动力学模型Page46（c）与生长不相关→无关联：抗生素发酵βXdtdP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（三）产物生成动力学2.产物生成动力学模型Page47微生物生长动力学•无底物抑制•有底物抑制底物消耗动力学•不涉及产物合成•涉及产物合成产物形成动力学•相关型•部分相关型•非相关型tSsKtSmμμtSIKIKmμμmXγY1γX*SXSpSPX*SXSγY1mXγY1γdtdXYdtdPP/XβXdtdXαdtdPβXdtdP2.分批发酵动力学小结Page48杀假丝菌素分批发酵动力学分析杀假丝菌素分批发酵中的葡萄糖消耗、DNA含量和杀假丝菌素合成的变化3.分批发酵动力学应用举例Page49（四）分批发酵的优缺点优点：操作简单、投资少运行周期短染菌机会