第九章 微生物反应动力学

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一、反应器动力学概述
（一）微生物反应动力学内容
发酵动力学：研究发酵过程中菌体生长、发酵参 数（培养基质、培养条件）、产物生成的动态平 衡及其内在规律。
研究内容：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。
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（二）研究发酵动力学的目的
在没有传递等工程因素影响时，生物反应 固有的速率；
该速率除反应本身的特性外，只与各反应 组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有 关，而与传递因素无关。
2、反应器动力学 （又称宏观动力学）
在一反应器内所观测得到的总反应速率及其 影响因素
影响因素
反应器的形式和结构 操作方式 物料的流动与混合 传质与传热等
所需方向进行。 发酵的操作过程要尽量防止杂菌污染。
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2．基质消耗速率
分批培养时，培养基中基质的减少缘于细胞和产物的生成。
－ds/dt= μX/Yx/s 如果限制性基质是碳源，则:
－ds/dt=μYXG
+mX+
1 YP
dP dt
YG：细胞的生长得率系数（g/mol); m:细胞的维持系数（mol/gh); YP：产物得率系数（mol/mol).
（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）发酵工艺条件的优选。
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（三）发酵动力学的作用
进行合理的发酵过程设计，必须以发酵动力学模 型作为依据。
利用计算机技术，根据发酵动力学模型来设计程 序，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺参数，从 而使生产控制达到最优化。
Ks为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率为最大比生长 速率一半时的限制性基质浓度。
4、静止（稳定）期 因营养物质耗尽及有害物质的大量积累，细胞浓度达到
最大值，不再增加，此时细胞比生长速率为0。
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5、衰亡期
衰亡期，细胞开始死亡，活细胞浓度不断下降。 发酵工业生产中，进入死亡期之前应及时将发酵液放罐。
培养基不存在抑制细胞生长的物质时，细胞比生长速率μ与 限制性基质浓度S的关系可用Monod经验方程式表示：
μmS μ=
KS+S S: 限制性基质浓度（mol/m3); KS: 饱和常数（mol/m3).
如果微生物的某些代谢产物对细胞的生长有抑制作用，尽管
这时培养基中限制性基质浓度还很高，细胞的μ也会随着代
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对数生长期，细胞浓度X增长一倍所需时间称为倍增时 间（doubling time, td).
td=ln2/μm =0.693/μm 细菌td =0.25~1h; 酵母td =1.15 ~ 2h; 霉菌td =2 ~ 6.9h 例题：某微生物的μ＝0.125 h-1，求td？
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3、减速期
经过对数生长期细胞的大量繁殖，培养基中营养物质迅 速消耗、有害物质逐渐积累，细胞的比生长速率逐渐下 降，进入减速期。
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培养过程中，细胞产生的产物（CO2和H2O除外），以 消耗的基质（碳源）为基准的产物得率系数YP/S为：
YP/S= ΔP/-ΔS
YP/S：相对于基质消耗的实际，产物得率（g/mol, 或g/g)；
ΔP ：产物生成量(mol或g); -ΔS：基质的消耗量(mol 或g). 产物得率：指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数 (或mol数)。
种子培养基和培养条件必须合适； 发酵周期长短，与产物形成速率和产率并无 必然联系。 实际生产过程中，为缩短发酵周期、提高设 备利用率、提高体积生产率，应尽可能地缩短 延滞期。
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2、指数生长期
培养基营养丰富，有毒代谢物少，细 胞生长不受限制；
对细菌、酵母等单细胞微生物来讲， 单位时间内其细胞数目将成倍增加。
结论
通过对分批发酵中细胞、基质和产物浓度变 化规律的实验研究，可以对分批发酵过程进 行模拟，进而进行优化控制，提高产率。
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分批发酵的分类对实践的指导意义
从上述分批发酵类型可以分析： 如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级 代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条 件，延长与产物合成有关的对数生长期； 如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物）， 则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体 细胞后延长平衡期，以提高产量。
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一）分批发酵的概述 1、定义 • 是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O2、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。
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分批发酵 2、特点 • 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其
物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一 个不稳定的过程。
减速期；4、稳定期；5、衰亡期
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1、延滞期 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。
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1）影响延滞期长短的因素
菌龄和接种量的大小； 培养基的组成和培养条件； 培养基浓度。
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2）延滞期长短对发酵结果的影响
产物是微生物的次 级代谢产物；
产物合成在菌体生 长停止及底物被消 耗完以后才开始。
生长速率 基质消耗
产物形成
非生长连动型
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4、根据生长速度和产物形成速度之间偶联性的分类 • Piret's fermentation classification （按照产物 生成与菌体生长是否同步）: – 生长关联型 (第一类型） – 生长无关联型（第二，三类型）
对于丝状微生物而言，单位时间内其 生物量将加倍。
该生长期以细胞数目或生物量的对数 对时间作曲线图，将得一直线，因而 这一时期称作指数生长期。
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细胞浓度的变化率与细胞浓度成正比
X: 细胞干重浓度（kg/m3); μ:比生长速率（s-1). 对于特定的微生物，比生长速率μ与培养温度、pH值、 培养基成分及限制性基质浓度有关。 对数生长期，细胞生长不受限制,μ达到最大比生长速 率μm。 dX/dt= μm •X
-ΔS（消耗的基质）：被微生物实际利用掉的基质数量， 即投入的基质减去残留的基质量。
转化率：常指投入的原料与合成产物数量之比。 37
*提高微生物生长得率的措施
筛选优良的菌种，其本身就应具备高的生长得率。 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。 选择和控制合适的培养条件，使得微生物的代谢按
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分批发酵
3、分批发酵的优缺点 优点 ●操作简单； ●操作引起染菌的概率低。 ●不会产生菌种老化和变异等问题 缺点 非生产时间较长、设备利用率低。
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分批发酵 4、分批发酵的生长曲线
单细胞微生物
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代谢曲线
代谢变化是反映发酵过程中菌体的生长，发酵 参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率 三者间的关系。把它们随时间变化的过程绘制 成图，就成为代谢曲线。
dP/dt = YP/X•dX/dt
YP/X ：以细胞为基准的产物得率系数。
类型II: 产物的生成与细胞的生长部分相关。 dP/dt = α• dX/dt+βX
α:与生长关联的细胞生产能力； β:非生长关联比生长速率
类型III: 产物的生成与细胞的生长不相关联。 dP/dt = qp•X－kP
qp ：产物比生成速率；k：不稳定产物的失活常数。 42
谢产物的积累逐渐下降。
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Monod方程是典型的均衡生长模型
其基本假设如下： ①细胞的生长为均衡式生长，描述细胞生长的唯一变
量是细胞的浓度； ②培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其它
组分为过量，不影响细胞的生长； ③ 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞生长速率为
一常数。
Monod方程中: μ为比生长速率μ(h-1)；μm为最大比生长速率(h-1)； S为限制性基质浓度(g／L)；
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二）分批发酵中细胞的生长动力学
分批发酵：一次投料、一次接种、一次收获的间歇培养 操作简单，发酵液中的细胞浓度、基质浓度和产物浓度均 随时间而不断变化。 细胞浓度X在分批培养中要经历延迟期、对数生长期、减 速期、稳定期和衰亡期。
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t 分批培养中X的变化
1、延迟期；2、对数生长期；3、
特点：
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；
产物形成是经过连锁反应的 过程（丙酮丁醇）；
产物形成不经过中间产物的 积累，产量高（柠檬酸)。
生长速率
产物形成
基质消耗
生长部分相关型 12
3、类型III （生长不相关型）
产物的形成显然与基质(糖类)的消耗无准量关系，例如 青霉素、链霉素等抗生素发酵。
（ Yx/s ）
Yx/s =ΔX／-ΔS
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).
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对于氧，其细胞得率系数为：
Yx/o =ΔX／ΔO2
Yx/o的倒数表示生成单位质量细胞所需氧的质量。
某些微生物的见P172表9－2
发酵动力学的研究正在为从实验室、中试到工业 生产数据的放大、为分批发酵过渡到连续发酵提 供理论依据。
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四）发酵过程按进行过程有三种方式： 分批发酵(Batch fermentation) 补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation)
第六章 微生物反应动力学
高永生
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微生物反应动力学：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，是生物反应工程学的理论基础之一 。
研究目的：按人们的需要控制发酵过程。 发酵过程动力学包括两个层次的动力学
微观动力学 宏观动力学
1、本征动力学（又称微观动力学）
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若产物生成可以忽略不计，则有：
细胞生长得率系数YG和m很难直接测定，而YX/S容易测出。 只要测出不同比生长速率μ下的YX/S ，就可求出YG和m。
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YG =0.33g/g;
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m =0.052g/(g•h)
1/μ(h)
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图：DNA重组大肠杆菌YX/S与YG、m的关系 41
四）产物的生成动力学 类型I: 产物的生成与细胞的生长相关。产物生成速率为：
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YX/S 和YP/S是对碳源的总消耗而言， YG和YP则分别是对用于
生长和产物生成所消耗的基质而言。
也可以用比速率来表示基质的消耗和产物的生成 （1）基质比消耗速率(qS，g(或mo1)／g菌体·h) 每g菌体在1h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.
（2）产物比生产速率(qP，g(或mo1)／g菌体·h)： 每g菌体在1h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。
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1、类型Ⅰ（生长相关型）
特点：菌体生长、碳源利用和产物形成几乎都在相同 的时间出现高峰;分菌体生长和代谢产物两种类型。
产物直接来源于产能的初 级代谢，菌体生长与产物形 成不分开。
如单细胞蛋白和葡萄糖酸的 发酵
生长速率 基质消耗
产物形成
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生长相关型
2、类型Ⅱ （生长部分相关型）
产物的形成间接与基质(糖类)的消耗有关。如黑曲霉生 产柠檬酸的过程。
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二、发酵类型
发酵类型即动力学模型，为了描述 菌体生长、碳源利用与代谢产物形 成速度变化以及它们相互之间的动 力学关系。
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发酵类型
• Gaden‘s fermentation classification（按照菌体生 长，碳源利用和产物生成的变化）可分为： – 第一、二、三类型
根据产物形成与底物利用（基质消耗）的关系分类
（多数分批培养在衰亡期前已经结束，故研究较少）。
X=Xmexp（-at）
Xm：稳定期细胞浓度 a：细胞比死亡速率 t：进入衰亡期时间
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三）分批培养中基质的消耗动力学
1、生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。 微生物细胞生化反应总反应式
碳源＋氮源＋氧 细胞＋产物＋CO2＋H2O
生长得率：以消耗的基质（碳源）为基准的细胞得率系数
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生长关联型 （growth associated ） 产物形成与生长有关， 如酒精、某些酶等。
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非生长关联型 non-growth associated 产物的形成速度与生长 无关，只与细胞积累量 有关。如，抗生素。
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三、分批发酵动力学
微生物反பைடு நூலகம்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