发酵动力学名词解释
第五章 发酵过程动力学的基本概念
发酵动力学： 是研究发酵过程中菌体生长、 发酵动力学 ： 是研究发酵过程中菌体生长 、 基质消耗、 基质消耗 、 产物生成的动态平衡及其内在规 律 研究内容： 研究内容 ： 包括了解发酵过程中菌体生长速 率 、 基质消耗速率和产物生成速率的相互关 环境因素对三者的影响， 系 ， 环境因素对三者的影响 ， 以及影响其反 应速度的条件
/jpkc/fjgc
微生物生长动力学的基本概念
延滞期解决途径： 延滞期解决途径：
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， 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， 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 杂程度， 又容易造成杂菌污染， 考虑
dt
稳定期 稳定期：
时间
dx =0 dt
;
X = X max
dx <0 dt 倍增时间（ 倍增时间（doubling time）：细胞浓度增长一倍所需要的时间 ）
衰亡期: 衰亡期:
/jpkc/fjgc
微生物生长动力学的基本概念 (一) 延滞期 把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的最 初一段时间里，尽管微生物细胞的重量有所增加， 初一段时间里 ， 尽管微生物细胞的重量有所增加 ， 但细胞的数量没有增加。 但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞期
/jpkc/fjgc
发酵过程动力学的基本概念 第一节 发酵过程的反应描述及速度概念
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） （底物） （菌体） （产物） 发酵研究的内容： 发酵研究的内容： 菌种的来源——找到一个好的菌种 找到一个好的菌种 菌种的来源 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 发酵过程的工艺控制
发酵工程第六章发酵动力学
基质消耗动力学 基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成 分，其消耗分为三个方面：
细胞生长，合成新细胞；
细胞维持生命所消耗能量的需求；
合成代谢产物。
发酵动力学
发酵动力学涉及的常规参数
符号 X S P O C Hv 参数 生物量 底物 产物 氧 二氧化碳 发酵热 测量方法 细胞干重，浊度，细胞数 酶法分析，化学法，色谱法 酶法分析、HPLC 或特殊方法 PO－专用电极分析 ＰCO２－专用电极分析 温度、热平衡
确定模型参数；
实验验证模型的可行性与适用范围；
根据模型实施最优控制。
本章主要内容
分批发酵动力学
连续发酵动力学
补料分批发酵动力学
6.1 分批发酵动力学
分批发酵动力学主要研究微生物在分批发酵过 程中生长动力学、基质消耗动力学和代谢产物
生产动力学。
什么是分批发酵？
分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接
X为菌体浓度， 为针对底物 的细胞得率，初始X0为零； S0为底物初始浓度； St为底物残留浓度。
A～B区：菌体浓度与初 始底物浓度成正比，有： X YX / S (S0 St )
分批发酵动力学-细胞生长动力学
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
(1)若不存在抑制物时
Monod 模型:
μ：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：底物亲和常数 μmax: 最大比生长速度
S Ks S
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。
限制性底物是培养基中任何一种与微
生物生长有关的营养物，只要该营养物 相对贫乏时，就可能成为限制微生物生 长的因子，可以是C源、N源、无机或有 机因子。
发酵动力学
40
0.31 129
64
0.43 148.8
102
0.53 192.5
S
μ
S/ μ
（mg/L ） （h-1）
122
0.60 203.3
153
0.66 231.8
170
0.69 246.4
221
0.70 311.3
210
0.73 287.7
44
S/ μ
做S/ μ-S
图
350
300
250
200
150
100
X X 0
m0tdt
X X e ln Xt mt
X0
t
mt
0
05年3月
发酵工艺原理
35
比生长速率的图解计算
ln Xt mt
X0
ln Xt mt ln X 0
几种不同微生物的μ max值
微生物
细菌 酵母 霉菌
培养温度（℃） μmax(h-1)
37
0.6～1.0
控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。
3
■发酵动力学研究内容
发酵动力学是以化学热力学（研究反应方 向）和化学动力学（研究反应速度）为基 础，对发酵过程的物质变化进行描述
4
具体内容
1. 微生物生长，死亡动力学； 2. 基质消耗动力学； 3. 氧消耗动力学； 4. CO2生成动力学； 5. 产物合成和降解动力学； 6. 代谢热生成动力学。
m m S
以1/S为横坐标，1/μ为 纵坐标，得一条直线， 由直线与x轴和y轴相交， 分别求得：
Ks=0.02(kg/m3)
μ m=0.18(h-1)
计算举例
第六章发酵动力学
发酵装置-细胞回流式
F Se
(1 ) F X
F Xe
F , cX
细胞回流的单级连续发酵示意图
a: 再循环比率（回流比） c: 浓缩因子
2.2连续发酵动力学-理论
2.2.1单级恒化器连续发酵
定义： ① 稀释率 将单位时间内连续流入发酵罐中的新鲜培养基体积与 发酵罐内的培养液总体积的比值 D=F/V (h-1) F—流量（m3/h） V—培养液体积（m3） ② 理论停留时间
μ
残留的限制性底物浓度对微生物
比生长率的影响
Ks—底物亲和常数，速度 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。
酶促反应动力学－米氏方程：
Vm [ s ] v K m [ s]
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：
m s
Ks s
克P和每个有效电子所生成的细胞克数； ③ Yx/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 产物得率系数：
Yp/s , YP / O2 , YATP / s , YCO2 / s
：
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。
细胞生长动力学
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
若不存在抑制物时
Monod 模型:
m s
Ks s
m s
Ks s
t
ln x ln x0
t
x x0e
细胞生长动力学
式中: S—限制性基质浓度，mol/m3 Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生 物对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力越 小， µ 越小。
6 微生物工程 第六章 发酵动力学2
1 KS 1 1
max S max
1
1 KS
KS
斜率 max
1
max
1 S
Monod方程式双倒数图
求μm和 Ks。
解：将Monod方程变形：
1 1 Ks 1
m m S
以1/S为横坐标，1/μ为 纵坐标，得一条直线， 由直线与x轴和y轴相交， 分别求得：
分批发酵动力学-产物形成动力学
生长部分相关→生长部分偶联型：
柠檬酸、氨基酸发酵
dP dt
dX dt
X
qP
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
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）。
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
分批培养中的产物形成：
Ⅰ型：生长偶联产物生成 ——菌体生长、碳源利 用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形 成直接与碳源利用有关。
Ⅱ型：生长与产物生成部分偶联——在生长开始后 并无产物生成，在生长继续进行到某一阶段才有 产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。
分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长不相关→无关联：抗生素发酵
dP X
dt
qp
若考虑到产物可能存在分解时，则
dP dt
X
kd P
qp X
kd P
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。
发酵动力学
第八章发酵动力学发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。
fermentation kinetics生化反应工程的基础内容之一，以研究发酵过程的反应速率和环境因素对速率的影响为主要内容。
通过发酵动力学的研究，可进一步了解微生物的生理特征，菌体生长和产物形成的合适条件，以及各种发酵参数之间的关系，为发酵过程的工艺控制、发酵罐的设计放大和用计算机对发酵过程的控发酵动力学制创造条件。
研究发酵过程中菌的生长速率、培养基的消耗速率和产品形成速率的相互作用和随时间变化的规律。
发酵动力学包括化学热力学(研究反应的方向)和化学动力学(研究反应的速度)并涉及酶反应动力学和细胞生长动力学。
它为发酵过程的控制、小罐试验数据的放大以及从分批发酵过渡到半连续发酵和连续发酵提供了理论基础。
发酵动力学也是计算机模拟发酵过程研究及发酵过程计算机在线控制的基础。
在发酵中同时存在着菌体生长和产物形成两个过程，它们都需要消耗培养基中的基质，发酵动力学因此有各自的动力学表达式，但它们之间是有相互联系的，都是以菌体生长动力学为基础的。
所谓菌体生长动力学是以研究菌体浓度、限制性基质（培养基中含量最少的基质，其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、温度和pH等对菌体生长速率的影响为内容的。
在分批发酵中，菌体浓度X,产物浓度P和限制性基质浓度S均随时间t变化菌体生长可分迟滞、对数、减速、静止、衰退等五个时期。
其中菌体的主要生长期是对数期，它的特点是：随着基质浓度继续下降，菌体的衰老死亡逐步与生长平衡以至超过生长，也即进入静止和衰退期。
发酵动力学J.莫诺于1949年提出了一个μ与S间的经验关联式，此式被称莫诺方程式：μm为最大比生长速率, 即不因基质浓度变化而改变的最大μ值;Ks为饱和常数，即在数量上相当于μ=0.5μm时的S值。
Ks值愈小，说明在低基质浓度范围中，S对μ愈为敏感,而保持μm的临界S值愈低。
发酵动力学
• 把它们随时间变化的过程绘制成图，就
成为所说的代谢曲线。
• 比生长速率μ
每小时(单位时间)单位质量的菌体所
增加的菌体量称为菌体比生长速率。
它是表征微生物生长速率的一个参数 ，也是发酵动力学中的一个重要参数。
发酵过程
• 微生物生长
• 底物消耗
• 代谢产物合成
• Gaden's fermentation classification（按照菌体生长，
产物直接来源于产能的初级
第 一 类 型 （ 生 长 关 联 型 ）
代谢（自身繁殖所必需的代 谢），菌体生长与产物形成
■
不分开。
例如单细胞蛋白和葡萄糖酸
的发酵
dP dt
x 或
P
Q
dP Xdt
：生长关联型产物的形 成比例（g产物 / g菌体）
Q ：产物合成的比速率
P
■
第 二 类 型 （ 部 分 生 长 关 联 型 ）
产物合成动力学
• Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的 关系，将产物形成区分为三种类型 • 类型Ⅰ∶也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳 酸）
rP YP / X rX YP / X X
• 类型Ⅱ∶也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）
rP rX X
• 类型Ⅲ∶也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生
补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation)
分批发酵
分批发酵:指在一封闭系统内含有初
始限量基质的发酵方式。在这一过程
中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸 或碱外，不再加入任何其它物质。发 酵过程中培养基成分减少，微生物得 到繁殖。
第一章 发酵动力学
求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks?
解：将数据整理：
s
S
100 137.5 192.5 231.8 311.3
6
33
64
153
221
S
S
m
m
Ks
s
400
S
300
S
m
m
Ks
/s
200
1
100
m 0.9
ks
0 0
m 108.4
100 200
μmax＝1.11 (h-1); Ks＝97.6 mg/L
⑴ YG的计算
例：以碳水化合物为碳源，通风培养饲料酵母，建立以下平衡： 6.67 CH2O+ 2.10 O2 → C3.92H6.5O1.94 + 2.75 CO2 + 3.42 H2O
200
67.2
84.6≈100（加上N、S和无机盐等）
（2）产物的比形成速率（μp ）
单位时间单位菌体产生的产物的量。 1 dp p x dt
式中，μp ——产物的比形成速率[（h－1）或者mol/（g菌体· h）] ；
2 分批发酵动力学
2.1 微生物生长动力学 2.2 产物形成的动力学
2.1 微生物生长动力学
延滞期 = 0 加速期 0＜ ＜max 对数期 = max 减速期 0＜ ＜max 图1 单细胞生物分批培养生长曲线
＝ max
式中，s ——限制性基质浓度；
s Ks s
Ks —— 饱和常数，数值上等于当 = 1μmax 时的基 质浓度，是生物对某种基质的亲和力大小的量 度。Ks越大，表示生物对该基质的亲和力越小；
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发酵动力学名词解释
发酵动力学是研究微生物在发酵过程中的生长、代谢和动力学行为的学科。
以下是一些常见的发酵动力学名词解释:
1. 比生长速率 (μ):每小时单位质量的菌体所增加的菌体量，是表征微生物生长速率的一个参数，也是发酵动力学中的一个重要参数。
2. 基质消耗动力学：指消耗单位营养物所生产的产物或细胞数量，可以通过确定菌体和基质之间的动力学关系来研究。
3. 最大比生长速率 (μmax):微生物在最优生长条件下的最大比生长速率。
4. 饱和常数 (Ks):表示微生物细胞浓度达到最大值时的营养物浓度。
5. 动力学参数 (kinetic parameters):用于描述微生物生长和代谢过程的一些参数，如比生长速率、饱和常数等。
6. 发酵热 (fermentative heat):在发酵过程中产生的热能，可以用于加热发酵液或产生蒸汽。
7. 非竞争性抑制剂 (non-competitive inhibitor):一种能够
与酶结合并抑制其活性的抑制剂，但其结合常数小于竞争性抑制剂。
8. 群体动力学 (population dynamics):研究微生物种群数量
的动态变化，包括菌落形成和灭绝、种群增长和衰退等。
这些名词解释可以帮助读者更好地理解发酵动力学的基本概念
和应用。