发酵工程_6发酵动力学

首先研究微生物生长和产物合成限制因子；


建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；
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
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。 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。
菌体浓度X t1
dx 0， 0, x xmax dt
（浓度最大）
t5
t2
t3 时间 t
t4
图6-1 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线
此阶段次级代谢活跃，次级代谢物大量合成。
dying:
a
(比死亡速率 ，s-1)

假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则微生物生长动 力学可用阶段函数表示如下：

反应器层次（过程工程）
基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应
采用一系列优化反应器发酵条件的方法
针对微生物发酵的表观动力学，通过研究微生物群 体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体 系的宏观变化速率，主要包括：
细胞生长动力学 底物消耗动力学 产物合成动力学
发酵动力学研究的基本过程
Y*X/S表示底物的细胞绝对得率，也称理论细胞得率； m为细胞维持系数
扣除细胞量的影响，
qS
将qS用µ表示，可得
1 Y
* X /S
m

YX / S

1 Y
* X /S
m
1 YX / S

1 Y
* X /S

m

不同微生物在利用不同底物时，Y*X/S和m均不同。但对于确定的微生物在确

菌体浓度X t1
t2
t3
t4
t5
时间 t
图6-1 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线
分批发酵过程
典型的分批发酵工艺流程图
分批发酵动力学
细胞生长动力学 基质消耗动力学 产物形成动力学
分批发酵动力学——细胞生长动力学
菌体浓度X t1
t2
t3
t4
t5
时间 t
图6-1 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线
什么是连续发酵？

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。


类型：单级连续发酵
多级连续发酵
单级发酵装置
X0 、 X—进料和出料的细胞
浓度（g/L） S0 、 S—进料和出料的限制 性基质浓度（g/L） F—培养基流速(L/h) V—发酵罐内液体体积（ L ）
定义： 稀释率 D = F / V F—流速（m3/h） V—培养液体积（m3）
细胞的物料衡算（µ和D的关系）
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
dX DX 0 DX X X dt
对于单级恒化器，X0 =0， 且通常有
dP x dt
比如抗生素发酵。
相关型
部分相关型
非相关型
图6-7
产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图
应用举例
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 。
图6-8 杀假丝菌素分批发酵动力学分析
分批发酵的优缺点

优点：
操作简单、投资少 运行周期短
什么是发酵动力学
发酵动力学：研究微生物生长、底物消耗、产物合成之间
动态定量关系，定量描述微生物生长和产物形成过程。
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。
研究发酵动力学的目的
A
YX / S
初 始 底 物 浓 度 S0
图6-2 分批发酵中初始底物浓度对稳定期 菌体浓度的影响
C区：菌体活性受初始高浓 度底物及高渗作用抑制， 菌体浓度与初始底物浓度 成反比。
A～B区：菌体浓度与初 始底物浓度成正比，有：
X YX / S (S0 St )
X/S X为菌体浓度， Y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。
如何确定高产高效 的最佳条件？
发酵动力学研究的几个层次（尺度）

分子层次（酶催化与生物转化）
基于关键生化反应（限速步）及其关键酶的动力学
特征及其影响因素 采用一系列分子水平的方法

细胞层次（代谢网络与细胞工厂）
基于细胞信号传导、代谢网络、细胞物质运输的系
列关键生化反应的综合表现 采用一系列细胞水平的方法，包括细胞群体行为分 析
1 Y
* X /S
rX m X
1 YP / S
rP
YP/S为针对底物的产物的得率系数（也是底物转化为产物的转化率） rP为产物生成速率
qS
1 Y
* X /S
m
1 YP / S
qP
qP为产物比生成速率
分批发酵动力学——产物形成动力学
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：
染菌机会减少
生产过程、产品质量较易控制

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
分批发酵动力学——底物消耗动力学
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） 生长得率系数（细胞得率）
Yx/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
生产得率系数（产物得率）

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

动力学主要探讨反应速率问题：
生化反应： aA + bB cC + dD
如何能最快最多的获得目的产物 反应动态平衡
催化剂
改变条件
破坏平衡
温度
酸碱度 浓度
采用反应动力学方法 进行定量研究
lag:
x不变，没有增加,
即
菌体浓度X t1
dX 0 dt
t5
t2
t3 时间 t
t4
图6-1 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线
exp
(假定无抑制作用存在) :
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）：
dN dX 或 n N X dt dt
表6-1
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
Monod 模型:

式中:
m s
Ks s
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。
比 生 长 素 率
图6-3 残留的限制性底物浓度St对微生物比生长率μ的影响
dX X DX dt
dX X DX dt
A.稳定状态时， 此时
dX 0 dt
µ =D （单级连续发酵重要特征）
B.不稳定时，
当µ>D,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。 当µ<D，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。 连续培养具有“自平物的生成是能量代谢的间接结果，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。
dP dX X dt dt
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 比如柠檬酸发酵，氨基酸发酵。
（3）生长非相关型：
产物的生成与能量代谢无关，与细胞生长也无直接关系， 即产物生成与微生物细胞生长不偶联。产物均为次级代 谢产物。
单级连续发酵示意图
多级发酵装置
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
多级连续发酵示意图
连续发酵实现方法
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，使细胞浓度恒定。
恒化法：以一定的流加速度，使某一限制性基质浓度
恒定。
连续发酵动力学——单级连续发酵
（1）与生长相关→生长偶联型 （2）与生长部分相关→生长部分偶联型 （3）与生长不相关→无关联
（1）生长相关型：
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。
dP dX YP / X dt dt
dP YP / X X dt
这类产物通常是微生物的初级代谢产物，如根霉产 生的脂肪酶，树状黄杆菌产生的葡萄糖异构酶。
一般条件下,
产物相对菌体生长量较少, Y P/S
dS 1 dX DS0 DS dt YX / S dt
dS 稳态时, dt 0
又
dX X dt