发酵动力学整理
6发酵动力学
第 2节
发酵动力学分类
1. 根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类 细胞浓度(x)或产物浓度对时间作图时 , 细胞浓度 或产物浓度对时间作图时, 或产物浓度对时间作图时 两者密切平行, 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. 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 一般来说在这种类型的发酵生产中 , 制好最佳生长条件就可获得产物合成的 最适条件. 最适条件.
(3) 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, 全部转变为中间物,或营养成分以优先顺序选 择性地转化为产物. 择性地转化为产物.反应过程是由两个简单反 应段组成,这两段反应由酶诱导调节. 应段组成,这两段反应由酶诱导调节. (4) 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 (5) 复合型 大多数发酵过程是一个联合反应, 大多数发酵过程是一个联合反应, 它们的联合可能相当复杂. 它们的联合可能相当复杂.
型发酵〗 〖 Ⅲ型发酵〗 产物的形成和菌体的生长非偶联
p x
2. 根据产物形成与基质消耗的关系分类
(1) 类型Ⅰ 类型Ⅰ
产物的形成直接与基质(糖类 的消耗有关 产物的形成直接与基质 糖类)的消耗有关,产 糖类 的消耗有关, 物合成与利用糖类存在化学计量关系, 物合成与利用糖类存在化学计量关系,糖提供 了生长所需的能量. 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 糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的, 利用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长. 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, 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, 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. 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. 形式也叫做有生长联系的培养.
典型发酵过程动力学及模型
细胞的生长速率：
rX
drX dt
产物的生成速率：
rP
drP dt
基质的消耗速率：
rS
drS dt
氧的消耗速率：
rO
drO dt
比反应速率：单位质量的细胞在单位时间生成或消耗某
一成分的量
细胞的比生长速率：
1 drX rX dt
产物的比生成速率：
qP
1 rX
drP dt
基质的比消耗速率： 比耗氧速率：
在一定条件下(基质限制)： μ＝f(rS)
rS 限制性基质浓度 mol/m3
1.2
V1m
μ0.8
0.6 0V.m4/2
V
0.2
莫诺方程:
0
0KK sm 200
400 S 600
800 1000
当限制性营养物质的浓度ρS很低的时候（ ρS<<Ks)，
μ和ρS是线性关系， μ= (μm/Ks)ρS
四、 代谢产物生成动力学2来自非偶联型产物形成与细胞生长无关模式。在该模式中，产物形成 速度与生长速度无关联，而只与细胞浓度有关，此时， 细胞具有控制产物形成速度的组成酶系统，这时产物形 成与细胞浓度的关系可表示为：
rP=βρX β----------非生长关联的产物形成常数(g产物/g细胞.h)
在生长和产物无关联的模式中，产物合成发生在生长停 止之后（即产生次级代谢产物）。大多数抗生素和微生 物毒素都是非生长偶联产物。
对底物 YX/S -DmX/( D mS) rX/rS (rX-rX0)/(rS0-rS)
YP/S -DmP/( D mS)
对氧 YX/O -DmX/( D mO)
对碳
YX/C -DmXsX/( D mSsS) YX/SsX/sS
生物发酵过程中动力学研究
生物发酵过程中动力学研究生物发酵是一种利用微生物或其代谢产物对某些原料进行有机化学反应，从而在生产或制造过程中产生一系列的物质或产物的过程。
在生物发酵过程中，微生物要通过吸收有机物等营养物质，转化成有机酸或酒精等有价值的产品，同时产生CO2等废弃物质。
生物发酵过程中的各项参数和变量如何影响产生的产物，最多产生多少产物，又需要多少时间呢？这些问题的回答，取决于一个重要的主题：生物发酵过程的动力学研究。
动力学研究中最重要的就是生长动力学。
根据微生物学理论，微生物的生长可以根据它们的繁殖周期被描述，这个描述与植物光合作用中的光能收集、生产等原理相似。
这个描述通过一个叫做生长曲线的图表来体现，生长曲线中通常有件事是相同的，那就是代表微生物转化物质的可被感应光学繁殖因子，简单称为生长因子。
由生长因子产生的生长曲线的形状，直接决定了细胞的生长特性和许多反应限制。
生长曲线的形状决定生物发酵中的许多参数如何随时间变化，而扩展到整个生物发酵过程，这些参数是多变的，如微生物数量、代谢产物的浓度、废弃物体积等。
在动力学的框架下，一个真正的生物发酵模型应该是能够描述这些参数如何随时间变化的模型。
现代生物工程正在迅猛发展，用于建立和优化生物发酵模型的计算工具也越来越先进。
对于发酵工艺的优化，必须对发酵过程的参数进行实时监测，并且通过模型预测生物发酵系统的行为，从而可以实时优化反应参数。
对于发酵的实时监测，最常见的方法是对反应器中的pH值、温度、氧气曲线、利用反应器的体积实时计算细胞浓度等参数进行记录。
对于模型的建立，通常会将生物反应分为两个阶段：生长和生产。
首先，要对生长阶段中的生长动力学方程进行数据整理，包括微生物数量、物质浓度、pH值和温度等数据。
而生产阶段的研究则需要将生产过程中的产物分析，从而确定最优的生产条件，并预测生产的最终产量。
在废物控制和生产优化中，动力学模型的正确性和稳健性对实验结果至关重要。
显然，模型的正确性和稳健性也直接影响着反应器的优化和产物的质量。
《发酵工程》第6章 发酵动力学
对于特定的菌株和特定的基质，纯生长得率是一常数，故又称 为生长得率常数。为区别于纯生长得率，可以把生长得率称为毛生 长得率。和各种培养条件下的毛生长得率相比，纯生长得率为生长 得率中的最大值，故也称为最大生长得率。这是一种理论生长得率， 是生长得率的极限值。
第六章 发酵动力学
学 时： 6 教学内容：
1.微生物生长代谢过程中的质量平衡
2.微生物发酵的动力学 3.微生物生长代谢过程中数学模型的建立
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律 的学科。
研究内容: 微生物生长过程中的质量和能量平 衡，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 及影响反应速度的条件。
4.细胞物质生产过程中碳源的化学平衡
对单纯的细胞生产（面包酵母、SCP），如用葡萄糖为碳 源通风培养面包酵母时，可建立下列化学平衡：
如果计入酵母菌体内除碳、氢、氧三元素以外的其他元素 如磷、氮以及其他灰分，则每200g葡萄糖约可得到100g干酵母， 相对于葡萄糖消耗的酵母得率为Yx/s=0.5。实际上不同情况下 Yx/s有很大的不同。当限制性基质浓度较高时，微生物的生长 比速较大，这时基质的维持消耗相对要小得多 。
得率因数便是衡量这种能量代谢效率高低的重要 参数。
1.维持因数
维持: 活细胞群体在没有实质性生长和繁殖（或生 长和死亡处于动态平衡状态），也没有胞外产物生成 情况下的生命活动。
◇如细胞运动，营养物质的运输，细胞物质的更新等 ◇仅仅为了维持细胞生存的需要。
发酵工程第六章发酵动力学
分批发酵动力学-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。
① 当S较高时，(对数期满足S>>10Ks)，此时，µ =µ m
② 当S较低时，(减速期， S<<10Ks)，此时S↓，µ ↓ ∴ 减速期， µ ↓
xt ln max t x0
td ln 2
max
分批发酵动力学-细胞生长动力学
微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细 胞数量倍增所需要的时间来表示（μ、μn）：
1 dX 1 dN 或 n X dt N dt
X t X 0 e t 或 Nt N0ent
X—细胞浓度（g/L）；N—细胞个数； t—生长时间； X0、Xt—初始微生物浓度和t时细胞浓度； N0、Nt—初始细胞个数和t时细胞个数； —以细胞浓度表示的比生长速率； n —以细胞数量表示的比生长速率。
Lag Phase ：x无净生长，μ ＝0 ；
加速生长期：x增加，μ2＞μ1 ；
Exponential Phase ：x对数增加，μ＝常数；
减速生长期：x增加缓慢，μ4＜μ3 ；
Stationary Phase：x无净生长，μ＝0 ；
Death Phase：x减少，μ＜0。
在分批发酵体系中，可以通过探究在一定底物 浓度范围内的微生物生长情况，来了解微生物 生长受底物浓度限值的特性。
将Monod方程取倒数可得：
Ks 1 m m S 1 1
或：
S
S
m
m
Ks
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。 但在低S值时， μ的偏差较大，影响Ks值的精度。第二方程 好用一些，在低S值时精度高，也可用回归方法 。
第六章 发酵动力学与发酵
其中：P —产物的浓度；
qp Yp/ x
YP / x —单位质量细胞生成的产物 量（g产物/g细胞）。
m为维持系数，它表示单位浓度的细胞在 单位时间里用于细胞物质的转化、营养 物质的运输、产物的分泌等生命活动所 消耗的基质量。
3、产物的形成
产物形成的速率 = 产物合成速率－产物移去 速率－产物被破坏速率
K—产物破坏常数
这些方程对稳态和非稳态发酵过程均适 用，但在非稳态发酵过程中得到其方程解 是困难的。 如果过程中不存在补料或产物的移去，即 为间歇发酵，那么碳和能源的方程可改为
dS X mX q p X
dt Yx / s
Yp / s
显而易见，碳源（一般是培养基组分中成 本最高的）被用于细胞的合成和生命活动 的维持以及产物的合成中。重排上式得
生长型
被 消 耗 的 葡 糖 碳 和 细 胞 碳
t
并行反应
相继反应
浓 度
葡萄糖酸
葡萄糖内酯（中间物） 葡萄糖
t
分段反应
细
菌
山梨醇被利用
浓
度
的
对
数
葡萄糖被利用
t
例：葡萄糖、葡萄糖内酯和葡萄糖酸分别用A、B、C表 示，其浓度分别为a、b、c，他们的相继反应如下：
A K1 B K2 C
q p q p，max Yp / x
当要考虑到产物可能存在分解时，则方程 rp rx X 可改写为
rp rx X kd P
当考虑到细胞活性上存在差异时，假定高活
性细胞所占比例为，低活性细胞所占比例
为1 ，则产物生成速率可表示为：
或
习惯上把与生长无关联的产物称为次级代谢产 物，他们的合成发生在生长停止之后。次级代 谢作用的一个重要特征是，产物的生成只有在 生产菌处于低的生长速率条件下才能发生。所 以生长速率有可能是分解代谢产物的阻抑作用 因子，而与营养限制无关。
第六章 发酵过程动力学基本概念
3、发酵过程的反应动力学
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，反之称 为概率论模型。 在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为 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，通过物料平衡建立关联模型。
（7－5）
qP＝a + bμ
a=0、b≠0： 可表示一类发酵 a≠0、b=0： 可表示三类发酵 a≠0、b≠0：可表示二类发酵
YP/X –以生长为基准的产物得率（g产物/g细胞)，即 产物相对于细胞的生成速度。
dP / dt YP / X dX / dt
dP / dt YP / X X qP YP / X
检测控制系统
原料
产物
一般生化反应过程示意图
2、生化反应动力学 生物反应过程的效率取决于： 生物催化剂的性能 反应过程的工艺控制和操作条件 反应器的性能 生化反应动力学研究生化反应过程的 速率及其影响因素，是生化反应工程学的 理论基础之一。
本征动力学（微观动力学） 宏观动力学（反应器动力学）
物料衡算：
ds ds1 ds2 ds3 dt dt dt dt
q S
YX
s
qp
s
YP
m
m: 维持消耗系数
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
YX/s: 细胞对基质的理论得率系数 YP/s: 产物对基质的理论得率系数
8
2013-04-15
分批发酵的基础理论
（7－6） （7－7） （7－8）
发酵工程第6章 发酵动力学
则表明通风不足，有部分电子没有传递给
氧，氧化不彻底。
第三节 细胞反应本征动力学
➢反应动力学：研究反应速度变化规律
（反应速度影响因素）的学科。包括：
➢本征动力学(反映生物催化剂内在性
能)：又称微观动力学，指没有传递等
工程因素影响时，生化固有的速率。
➢宏观动力学(反映反应器特性)：又称
反应器动力学，指在一定反应器内所测
葡萄糖
微生物细胞
（1）试确定计量系数a、b、c、d、e；
（2）试计算其细胞对底物的得率YX / S ；
（3）试计算呼吸商RQ。
解：（1）细胞反应的方程式系数的计算
1mol葡萄糖所含有的C元素为72g，根据题
意1mol葡萄糖转化为微生物细胞的C元素为：
g
72 2 / 3 48
则有：
48
c
（2）细胞反应的比速率：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
率，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念
（不同反应间的对比，消除细胞量的效应）在细
胞反应中主要的反应的比速率有：
① 细胞的比生长速率
1 dC X
CX
dt
（1/h）
② 底物的比消耗速率
1 dC S
qS
0.909
4.4 12
转化为CO2的C元素为：
72 48 24 g
则：
24 12e
e2
，
对N元素平衡，有：
a 0.86c 0.782
对H元素平衡，有：
，
12 3a 7.3c 2d
12 3a 7.3c
d
2
12 3 0.782 7.3 0.909
发酵动力学资料共57页
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横பைடு நூலகம்霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
END
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
发酵工程 第7章 发酵动力学
七、发酵的操作方法
I. 分批式操作 反复分批式操作
II. 半分批式操作 反复半分批式操作
II. 连续式操作
(1)分批式操作：底物一次装入罐内，在适宜条件 下接种进行反应，经过一定时间后将全部反应系取 出。
(2)反复分批式操作：分批操作完成后取出部分反 应体系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操 作进行。
动力学的其他分类方式：
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。
A B C
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。反应过程是由两个简单反应段组 成，这两段反应由酶诱导调节。
AB BC
动力学的其他分类方式：
复合型：
大多数发酵 过程是一个联 合反应，它们 的联合可能相 当复杂。
VL
t
反复半分批式操作
(5)连续式操作：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。
VL
t
连续式操作
第2节 微生物反应过程中的质量和能 量平衡
一、微生物生长代谢过程中的质量衡算
微生物反应过程与一般化学反应过程的主要区别是： ① 微生物反应中参与反应的成分多，反应途径复杂； ② 难以用有正确系数的反应方程来表达基质到产物的反应过程。 但是，它们仍然服从物质守恒定律，含碳、氢、氧、氮和其
生物反应动力学研究生物反应的规律； 包括菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡 及其内在规律。
本章重点研究细胞反应动力学。
研究发酵动力学的目的意义： 1. 确定最佳发酵生产工艺条件；
第1节 发酵过程动力学描述和分类
一、发酵过程反应速度的描述
X S（底物） → X（菌体） ＋ P（产物）
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发酵动力学整理
发酵：通过微生物的培养，将培养基成分转变为菌体及其代谢产物的过程。
固体发酵：微生物生长于不溶于水的基质，且基质上含有不同量的自由水。
狭义：微生物生长在潮湿不溶于水的基质进行.
发酵，在固体发酵过程中不含任何自由水，随着自由水的增加，固体发酵范围延伸至黏稠发酵以及固体颗粒悬浮发酵。
固体发酵的优点：培养基单纯; 基质前处理较液体发酵少; 因获得水分可减少杂菌污染，此种低灭菌步骤即可施行的发酵; 能产生特殊产物; 固体发酵相当于使用相当高浓度的培养基，且能用较小的反应器进行发酵，单位体积的产量较液体为高; 下游的回收纯化过程及废弃物处理通常较简化或单纯; 固体发酵可食品产生特殊风味，并提高营养价值;
真菌固体发酵的优势: 能在较低含水分下生长, 而细菌和酵母菌的适水活性则大于0.99; 细菌一般在低pH下不易生长，而一般真菌能在低pH下也能生长良好; 固态基质常为大分子化合物真菌常能分泌这类的胞外分解酵素而利用其周围的培养基质作为碳源及氮源; 真菌具有产孢特性，易于存放及接种，人员不需要太多训练即能进行孢子接种工作等。
固体发酵的缺点：
限于低湿状态下生长的微生物，故可能的程及产物较受限，一般较适合于真菌；在较致密的环境下发酵，其代谢热的移除，常限制其大规模的产能；各项参数不易侦测，再现性差；不易以搅拌方式进行质量传递；固体发酵的培养时间较长，其产量及产能常低于液体发酵；萃取的产物常因黏度高不易大量浓缩。
液体发酵的特点：悬浮（沉没）培养，传热传质均匀，过程容易控制，生产重复性好
影响培养过程生产效率的因素：菌种或细胞株的性能（遗传特性）；培养过程的工艺条件（通过细胞水平的调节实现）；生物反应器的性能
酶催化反应的特点
•自催化反应
•反应由酶催化，反应网络十分复杂，存在严密的调控
•产物多难以用化学方法合成或效率高
•实质是化学反应，遵循物质和能量的守衡
•反应网络复杂，难以用一反应方程式表示
代谢改造：通过对过程的代谢特性的认识，进一步进行菌株的改造。
发酵的优点:
具有很大的比表面积
反应数量巨大
能适应不同环境
能利用廉价原料生产有价值的产品
易进行遗传操作
能合成特殊的手性化合物
结构（structured）模型：细胞具有结构
非结构（unstructured）模型：细胞不具有结构
分离（segregated）模型：细胞间具有差异
非分离（unsegregated）模型：细胞间没有差异
培养基的改进
在一定的稀释率下，增加流入的培养基中限制性底物的浓度：
反应器中其浓度基本不变而菌体浓度明显增加
反应器中其浓度明显增加，而菌体浓度无明显增加
补料分批培养:介于连续培养和分批培养之间的一种培养方式
适用条件:
细胞的高密度培养
发生底物抑制的过程
分解代谢物阻遏
营养缺陷型菌株的培养
前体的补充
反复补料分批培养:培养液达到一定体积时放出一定量培养液，继续补料培养，反复进行。
培养与分离的耦合: 发生产物抑制时难以得到高浓度的产物，可借助发酵与产物分离耦合的方法，移走产物，解除抑制。
表面培养:如果微生物在液体培养基表面聚集并形成一层膜,则称为表面培养.
延滞期
产生延滞期的原因：培养基中的营养的改变，物理环境的变化，存在抑制剂，孢子发芽，也和种子有关，培养基中镁离子浓度增加可缩短延滞期。
培养温度，种龄，通气等都会对延滞期产生影响。
临界稀释率：单位容积培养液(V)中不断流入的新鲜培养液的速率(F)，其单位为h-1
恒浊培养：可以根据培养液中的微生物的浓度，通过光电系统观控制培养液的流速，从而是微生物高密度的以恒定的速度生长。
恒浊反映的是细胞密度的恒定连续培养在工业上应用的困难：长期运行时易发生杂菌污染和菌种退化等问题，菌体在反应器壁、搅拌轴、排液管等处的生长也增加了困难。
反复补料分批培养：随着补料的进行，发酵液的体积不断增大，达到一定程度时，可将部分发酵液从反应器中放出，剩余的部分继续进行补料分批培养，如此反复（周期性）。
以下无正文
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