第七章 微生物发酵动力学.ppt

　　第七章 微生物发酵动力学 Kinetics of Microbial Fermentation

　　微生物发酵动力学：是研究发酵过程中微生物菌体的生长、营养物质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律的科学。

　　发酵研究的内容：

　　菌种的来源——找到一个好的菌种

　　发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力

　　X S(底物) ─→ X(菌体) + P(产物)

　　发酵过程的反应描述

　　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

　　+

　　反应器的操作模型

　　操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程

　　研究发酵动力学的目的： 进行最佳发酵工艺条件的控制，即发酵工艺最优化。

　　第一节 发酵类型

　　1.固体发酵生产 固体发酵生产是将一种或多种微生物接种、培养在固体培养基上，通过微生物的代谢活动，使发酵原料转化成发酵产品。 (浅层发酵、深层固体发酵 )

　　优点：设备简单，能耗低，原料粗放，不易污染，产物回收所耗溶剂和所生废水均少。 缺点：设备占地面积多，劳动强度大，传质和传热困难，副产物多，培养过程中进行检测困难。

　　2.液体发酵生产 液体发酵是将发酵原料制成液体培养基，接种微生物，通过其代谢活动，使发酵原料转化成发酵产品。有表面发酵和深层发酵两种形式。 深层发酵：是微生物的菌体或菌丝体均匀分散在液体培养基中，通过向培养液强制通气或不通气以及搅拌进行产物合成。 优点：设备占地面积少，生产规模大;发酵速度快，生产效率高;生产机械化，易于自动控制，劳动生产率高;发酵设备密闭，传热传质良好，生产便于管理;副产物少，有利于产品提取，所得产品质量高。 缺点：是设备条件要求较高。

　　按物料和产物进出方式不同，可分为以下几种类型 ⑴分批发酵(batch culture) 指在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物进行发酵的方法。 Fin=Fout 分批培养中的菌体生长： 微生物的生长是在限制性条件下的生长,其生长过程一般分为延迟期、对数生长期、稳定期和衰亡期四个时期。

　　(2)连续发酵(continuous culture) 指在一开放系统中，以一定的速度向发酵罐内连续供给新鲜培养基，同时以相同速度将含有微生物和产物的培养液从发酵罐内放出，从而使发酵罐内液体量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长和进行代谢活动的方法。

　　连续培养

　　优点： 恒定状态可有效地延长分批培养中的对数期，达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的。 避免分批培养所需的清洗、投料、灭菌、接种、放罐等各种操作，有利于提高生产率。 发酵产品质量稳定。 便于自动控制。 缺点： 菌种在长时间培养中易变异，且容易染菌。 若操作不当，新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合。

　　(3)补料分批培养(fed-batch culture) 指在分批发酵中间歇地或连续地补加(流加)新鲜培养基的方法。 优点： a.可避免一次投料过多，造成细胞大量生长，溶解氧不足，通气搅拌设备无法适应的弊病; b. 能控制营养缺陷型菌所需营养物量，使之高效率积累产物; c. 有利于前体的补充; d.可实现细胞的高密度培养 e. 便于优化培养。

　　基质的消耗速度：

　　发酵过程反应速度的描述

　　基质的消耗比速：

　　(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产物(菌体)的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念

　　X S(底物) ─→ X(菌体) + P(产物)

　　发酵过程动力学基本概念

　　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)

　　X S(底物) ─→ X(菌体) + P(产物)

　　第二节 分批培养动力学

　　分批培养是一种非恒态的培养法。 一、分批培养中细胞的生长动力学 X—细胞干重浓度(g/L) t—时间(h) μ—比生长速率(h-1)，即单位重量菌体的瞬时增量g/(g·h)

　　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:

　　几种不同微生物的μmax值

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　例：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 μ(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70

　　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/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221

　　μmax，=1.11 (h-1); Ks=97.6 mg/L

　　td=ln2/ μmax=0.64 h

　　微生物倍增时间(Doubling time)

　　倍增时间：细胞浓度增长一倍所需的时间。 ∵

　　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。

　　二、分批培养中基质消耗动力学 细胞得率系数：菌体的生长量相对于基质消耗量的收得率。用 YX/S 表示。 YX/S—相对于基质消耗的实际生长得率(g/mol 或g/g) ΔX—干细胞的生长量(g) ΔS—基质的消耗量(mol或g)

　　产物得率系数：产物生成量相对于基质消耗量的收得率。用 YP/S 表示。 YP/s —相对于基质消耗的实际产物得率(mol/mol 或g/g) ΔP —产物生成量(mol或g)

　　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

　　三、产物生成动力学

　　P

　　X

　　(Gp:) X

　　(Gp:) P

　　(Gp:) X

　　(Gp:) P

　　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

　　P

　　P

　　(Gp:) X

　　(Gp:) P

　　(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

　　(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：

　　(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：

　　第三节 连续发酵动力学 单级恒化器示意图

　　X0、X—进料和出料的细胞浓 度(g/L) μ、α—比生长速率和比死亡 速率(1/h) F—培养基流量(L/h) V—发酵罐内液体体积(L) t—时间(h)

　　一、细胞的物料平衡 流入的细胞 – 流出的细胞 + 生长的细胞 - 死去的细胞 = 积累 的细胞 假定进料液体是灭菌的培养基，X0=0，且μ?α ，则

　　稀释率：进入容器的培养基流量与容器内培养液的体积的比值。D=F/V。 代入上式 ∵在稳定状态时，dX/dt= 0(培养液中某一瞬间菌体浓度的变化为零)∴ μ= D 在稳定状态下，比生长速率等于稀释率。 连续培养的比生长速率可通过稀释速率来控制。

　　连续培养的“自平衡能力”: 若D<μ，则dX/dt>0, 所以S降低，μ也随之下降，直至μ= D为止，即建立新的平衡。同理，若D>μ，则dX/dt<0，系统内细胞浓度不断减少，营养物的消耗也减少，从而S增大，μ随之上升，直至μ= D。

　　二、限制性营养物的物料衡算 流入的 流出的 用于菌体合 积累的 营养物 - 营养物 - 成的营养物 = 营养物 S0、S—流入和流出的营养物浓度(g/L) YX/S—细胞得率系数(g/g营养) ∵在稳定状态下，底物增加速率 dS/dt=0， ∴上式表现为： 又 ∵ μ=D ∴ X=YX/S(S0-S) 此式即连续培养的稳定态方程。

　　三、细胞浓度与稀释率的关系 已知分批发酵时： 用于连续培养时，∵μ=D， ∴ 由此得到稳定态时限制性营养物的浓度： ∵ X=YX/S(S0-S)， ∴

　　临界稀释率Dc (critical) ：即恒化器所能达到的最大稀释率。为使连续培养能在稳定状态下进行，D

　　第四节 补料分批发酵动力学

　　以单一补料分批培养为例，将发酵操作分成两个阶段，即简单分批发酵的生长阶段和补料分批发酵的生产阶段。 一、生长阶段 此阶段不补料，发酵液体积不变，一般情况下只有菌体生长，忽略产物合成，由此得出动力学方程式：

　　二、生产阶段 当X=Xmax时，开始以恒定的速度补加培养基(因为此时营养物基本耗完)。 这时，稀释率D<μ max，事实上随着流加的进行，所有限制性营养物都很快被消耗(即流入的营养物与细胞消耗掉的营养物相等)。因此dS/dt=0。 尽管随时间的延长，培养液中总菌体量增加，但实际上细胞浓度保持不变，即dX/dt=0，因而μ ≈ D 。X 这种dS/dt=0, dX/dt=0, μ ≈ D的状态，就称为“准恒定状态”。

　　补料分批发酵的重要特征：在准恒定状态下比生长速率与稀释率相等。 分析：虽然存在μ=D，但与连续培养中恒定状态下的μ=D不同，在连续培养中D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，即使补料速度不变，稀释率D和比生长速率μ都在变化，并以相同速度降低，因此两种状态实际不同。 在补料分批培养过程中，∵ ∴