第五章 发酵动力学及发酵类型

(1)分批式操作 (2)半分批式操作
底物一次装入罐内，在适宜条件下接种 也称流加式操作。是指先将一定量底
进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。 物装入罐内，在适宜条件下接种使反应开始。反应过
程中，将特定的限制性底物送人反应器，以控制罐内
限制性底物浓度保持一定，反应终止取出反应系。 (3)反复分批式操作 分批操作完成后取出部分反应系，
• 计算产率时，不仅应把合成产物所用时间考虑进去，
还应计入与生产相关的其他时间，即发酵罐的维修、 清洗、准备所用时间，灭菌时间，以及接种后的延滞 期时间，这样才能全面、客观地评估出工艺过程的成 本效益。
分 批 发 酵 的 容 量 产 率
产物形成曲线的切线表示的是最大容量产率；连接原 点和产物形 成曲线终点的连线．其斜率表示的是总的平均容量产率。
短生产周期。
• 在研究和生产中，时常需要延长细胞对数生长阶段。
分批培养条件下微生物的生长曲线
(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，但细胞
的数量没有增加。这段时间称之为延滞期。
延滞期细胞特点： • 细胞本身面临着一系列的变化，如PH值的改变、营养 物质供给增加等。因而，延滞期的微生物主要是适应 新的环境，让细胞内部对新环境作出充分反应和调节， 从而适应新的环境。 • 从生理学的角度来说，延滞期是活跃地进行生物合成 的时期。微生物细胞将释放必需的辅助因子，合成出
没有中间物积聚。又可分为有生长偶联和无生长偶联两类。 (2)并行反应型 营养成分以不定的化学量转化为产物，
在反应过程中产生一种以上的产物，而且这些产物的生成 速率随营养成分的浓度而异，同时没有中间物积聚。
(3) 串联反应型
是指在形成产物之前积累
一 定 程度的中间物的反应。 (4)分段反应型 其营养成分在转化为产物 之前全部转变为中间物，或营养成分以优先顺
结构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做
为过程变量。菌体视为单组分的模型为非结构模型， 通过物料平衡建立超经验或半经验的关联模型。
• 如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为均衡 生长。 • 如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加比例不 同，称为非均衡生长。 • 生长模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构模型。 • 将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模型为 分离化模型。在细胞浓度很高时采用。
二、根据产物形成与基质消耗关系分类
类型Ⅰ：
产物的形成直接与基质(糖类)的消耗有关，这是
一种产物合成与利用糖类有化学计量关系的发酵，糖
提供了生长所需的能量。 糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的，如利
用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长。在厌氧条
件下，酵母菌生长和产物合成是平行的过程；在通气 条件下培养酵母时，底物消耗的速度和菌体细胞合成 的速度是平行的。这种形式也叫做有生长联系的培养。
的生成反应有多种代谢途径。
（3）微生物反应过程中，细胞形态、组成要经历 生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同菌龄， 有不同的活性。
二、微生物反应动力学的描述方法
• • • • 细胞生长动力学 反应基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 发酵过程：包括细胞内的生化反应，胞 内与胞外的物质交换，胞外物质传递及 反应。
剩余部分重新加入底物，再按分批式操作进行。
(4)反复半分批式操作 行。 (5)连续式操作
流加操作完成后，取出部分反应
系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作进 反应开始后，一方面把底物连续地供给
到反应器中，另一方面又把反应液连续不断地取出，使
反应条件不随时间变化。
一、分批发酵法
•
发酵工业中常见的分批方法是采用单罐深层培养法，
一、根据细胞生长与产物形成否偶联进行分类 • 细胞浓度(x)或产物浓度对时间作图时，两者密 切平行，其最大的比生长速率和最大的产物合
成比速率出现在同一时刻。一般来说在这种类
型的发酵生产中，控制好最佳生长条件就可获
得产物合成的最适条件。
1．生长产物合成偶联型，也称Ⅰ型。这种发 酵类型的特点是：
• 微生物的生长和糖的利用与产物合成直接相关联。
类型Ⅲ： 产物的形成显然与基质(糖类)的消耗无关，例如青 霉素、链霉素等抗生素发酵。 即产物是微生物的次级代谢产物，其特征是产物合
成与利用碳源无准量关系。产物合成在菌体生长停止及
底物被消耗完以后才开始。此种培养类型也叫做无生长 联系的培养。
三、根据反应形式分类
(1)简单反应型 营养成分以固定的化学量转化为产物，
不存在定量关系。
一般产物的合成是在菌体的浓度接近或达
到最高之后才开始的，此时比生长速率已不处
于最高速率。
3．生长产物合成半偶联类型，亦称Ⅱ型。
是介于生长产物合成偶联型与生长产物合
成非偶联之间的中间类型，产物的合成存在着
与生长相联和不相联两个部分。
该类型的动力学产物合成比速率的最高时 刻要迟于比生长速率最高时刻的到来。
三、发酵过程特点
• 多相：气相、液相和固相 • 多组分：培养基中多种营养成分，多种代 谢产物，细胞内也具有不同生理功能的大、 中、小分子化合物。 • 非线性：细胞代谢过程用非线性方程描述。 • 复杂群体的生命活动
四、反应动力学描述的简化
• 动力学是对细胞群体的动力学行为的描述 • 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值，在 此基础上建立的模型称为确定论模型，如果考虑每个 细胞之间的差别，则建立的模型为概率论模型。 • 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为
八、发酵动力学的研究内容
• 主要包括：细胞生长和死亡动力学，基质消耗 动力学，氧消耗动力学，CO2 生成动力学，产
物合成和降解动力学，代谢热生成动力学等。
• 以上各方面不是孤立的，而是既相互依赖又相 互制约，构成错综复杂、丰富多彩的发酵动力 学体系。
九、发酵动力学内容及目的
• 发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、 基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规
• 产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的
产物g数(或mol数)。这里消耗的基质是指被微生
物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残
留的基质量(S0- S)。 • 转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量 之比。
提高微生物生长得率的措施
• 首先，要筛选优良的菌种，其本身就应具备高的生长 得率。 • 其二，要选择合适的培养基配方，提供略微过量的其 它营养物质，使碳源成为最终的限制性物质。 • 其三，还须选择和控制合适的培养条件，使得微生物 的代谢按所需方向进行。 • 另外，在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染。
每一个分批发酵过程都经历接种，生长繁殖，菌体衰
老进而结束发酵，最终提取出产物。
• 这一过程中在某些培养液的条件支配下，微生物经历 着由生到死的一系列变化阶段，在各个变化的进程中 都受到菌体本身特性的制约，也受周围环境的影响。
分批发酵的特点
• 微生物所处的环境是不断变化的 • 可进行少量多品种的发酵生产 • 发生杂菌污染能够很容易终止操作. • 当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易
2．基质比消耗速率(qs ， g(或mo1)／g菌体· h)：
系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它
表示细胞对营养物质利用的速率或效率。
在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有
用。
3．产物比生产速率(qp， g(或mo1)／g菌体· h)：系指每 克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的 速度或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。 4．发酵周期：实验周期是指接种开始至培养结束放罐 这段时间。
律。
• 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
系，环境因素对三者的影响，以及影响其反 应速度的条件。
研究发酵动力学的目的
（1）确定最佳发酵工艺条件 （2）建立发酵过程中菌体浓度、基质浓度、 温度、pH、溶氧等工艺参数的控制方案 （3）可在此研究基础上进行优选。
适应新环境的酶系，为将来的增殖作准备。
细胞内多组分；
细胞之间不均一 D
五、发酵动力学中常用的几个术语
1．得率(或产率，转化率，Y)：包括生长得率 (Yx/s)和产物得率(Yp/s)。
• 得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量 的关系。
• 生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳 源)所产生的菌体重(g)，即Yx/s=ΔX／一ΔS。
类型Ⅱ：
产物的形成间接与基质(糖类)的消耗有关，例如柠 檬酸、谷氨酸发酵等。 即微生物生长和产物合成是分开的，糖分既供应生 长所需能量，又充作产物合成的碳源。 但在发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅速， 一个是最高生长时期，另一个是最大产物合成时期。
如在用黑曲霉生产柠檬酸的过程中，发酵早期糖被 用于满足菌体生长，直到其他营养成分耗尽为止；然后 代谢进入使柠檬酸积累的阶段，产物积累的数量与利用 糖分数量有关，这一过程仅得到少量的能量。
第五章 发酵动力学模式和发酵培养方法
第一节 微生物反应过程概论
一、微生物反应过程的主要特征 1、微生物是该反应过程的主体：是生物催 化剂，又是一微小的反应容器。 2、微生物反应的本质是复杂的酶催化反应 体系。酶能够进行再生产。
3、微生物反应是非常复杂的反应过程
（1）反应体系中有细胞的生长，基质消耗和产物
• 如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化模
型。
非结构模型
最理想情况
结构模型
均衡 生长 细胞之间无差异， 是均一的，细胞内 有多个组分存在。
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一 细胞群体做为一种溶质
A
不考虑细胞内部结构 均衡 生长