发酵工程：6第六章 发酵动力学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六章 发酵动力学,一、分批培养、补料分批培养、连续培养的基本概念、特点和应用,二、分批培养微生物生长过程以及细胞、产物得率,三、连续培养、补料分批培养动力学,本章学习要点,1,、,掌握分批培养、补料分批培养、连续培养的基本概念、特点和应用。理解分批培养微生物生长和产物形成动力学；掌握补料分批培养技术的应用。,2,、,了解其微生物生长和产物形成动力学；比生长速率、产物比生产速率、得率系数基本概念；理解分批培养微生物生长过程与特点以及细胞、产物得率得计算。,3,、了解,连续培养、补料分批培养微生物生长动力学。,发酵动力学是研究生物反应过程的速率及其影响因素，是生物反应工程学的理论基础之一。,发酵过程动力学包括两个层次的动力学：本征动力学和反应器动力学。,1,、,本征动力学（又称,微观动力学,）,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，这些影响因素包括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。,由于生物反应过程的复杂性，给生物反应动力学带来了多样性。例如对酶催化反应，反应动力学可表达为分子水平动力学；对微生物发酵反应，其动力学可在细胞水平上表达；对废水的生物处理，则可表达为群体动力学。每个表达水平都有其独特特征，这些特征需要有其特有的动力学处理方法。,第一节 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。,用数学模型定量地表达发酵过程中各种与生长、基质代谢、产物生成有关的因素，是发酵动力学研究的重要方法。,研究发酵动力学的目的在于按人们的需要控制发酵过程。,发酵动力学的主要参数描述,在,连续培养,的条件下，由生长、基质利用和产物形成的物料平衡方程，可以看出产物的形成与生长和细胞浓度的关系,1,、细胞的生长速率与比生长速率,X,菌体浓度,比生长速率,F,0,培养液移走速率,V,培养液体积,细胞量的积累速率,=,细胞生长速率细胞的消失速率,2,、底物的消耗速率与比消耗速率,基质的消耗速率,=,补料中基质的添加速率生长消耗基质的速率产物合成用去基质的速率维持所消耗基质的速率基质的移去速率,S,基质浓度,F,i,补料速率,以消耗的基质为基准的细胞得率系数（,g,细胞,/g,消耗的,基质）,以消耗的基质为基准的产物生成系数，即转化率（,g,产,物,/g,消耗的基质）,产物的比生产速率。它的意义是单位浓度的生产菌细胞,在单位时间形成的产物量。其数学表达式为,其中：,P,产物的浓度,；,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,、产物的生成速率与比生成速率,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,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,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,基质利用的比速率,时间,菌体浓度,延迟期,指数生长期,减速期,静止期,衰亡期,倍增时间,：,t,d,延迟期,：,指数生长期,:,减速期,:,静止期：,衰亡期,:,第二节 微生物生长和分批发酵动力学,微生物生长曲线,About Lag Phase,（延迟期）,在发酵工业生产中，为了提高生产效率，希望延迟期缩短，要达到该目的，应一般遵循下列规则：,(1).,接种的微生物应尽可能是高活力的。,要用处于对数期的微生物作种子,.(2),种子培养基和条件应尽可能接近生产上使用的发酵液组成和培养条件。,(3).,建议采用大接种量。因细胞内部的某些维生素和辅酶等生长素，向周围培养液扩散，从而降低细胞的活性，延长延迟期。,About Exponential Phase,：对数生长期的微生物生长速率正比于原有的微生物数，因此可以直接得出微生物的基本生长动力学方程：,x,=,，,=,。,指数生长期,在对数期是常数，取得最大值，在其它生长期不是常数。分析各生长不同时期的,数值。,Lag Phase,：,x,无净生长，,0,；,加速生长期：,x,增加，,2,1,；,Exponential Phase,：,x,对数增加，,常数；,减速生长期：,x,增加缓慢，,4,3,；,Stationary Phase,：,x,无净生长，,0,；,Death Phase,：,x,减少，,0,。,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,三,、,微生物生长速率与底物浓度的关系,1949,年,Monod,发现，细菌的比生长速率 与单一限制性底物之间存在这样的关系：,Monod,研究了基质浓度与生长速度的关系,Monod,方程,(1949),米氏,方程,:,Ks,：,菌体的生长比速,S,：,限制性基质浓度,Ks,：,半饱和常数,max,:,最大比生长速度,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。,Ks,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。,营养物质相对贫乏的标准（量）？,是指该物质的浓度比生长速率,达,m,时对应的最低底物浓度以下时的情形。此浓度称为临界底物浓度，任一营养物质的浓度若高于临界底物浓度则为非限制性底物，低于临界底物浓度即为限制性底物。,Monod,方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：,（,1,）描述细胞生长的唯一变量是细胞浓度,X,，,（,2,）培养基中只有一种基质是生长限制性基质，其它组分均过量，,（,3,）细胞的生长视为单一反应，细胞得率为常数，当,S Ks,时，,=,m,S/Ks,，,与,S,是一级动力学关系，,（,4,）,SKs,，,=,m,，,与,S,是零级动力学关系。,莫诺方程表面上与米氏方程同型。但是,Monod,方程来自于对实验现象的总结，而米氏方程是根据酶促反应机理推导出的。前者是经验方程，后者是机理方程。,Monod,方程的参数求解,(,双倒数法,),：,将,Monod,方程取倒数可得：,或：,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，,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。,例：,在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：,S(mg/l)6 33 64 153 221,(h,-1,)0.06 0.24 0.43 0.66 0.70,求在该,培养条件下，求大肠杆菌的,max,，,Ks,和,t,d,?,解,：,将数据整理：,S/100 137.5 192.5 231.8 311.3,S 6 33 64 153 221,Monod,方程的意义,当,S,Ks,-S,是线性关系，,与,S,成正比。,当,S,Ks,，,max,，,此时微生物的生长不受限制基质的影响。,对某一钟微生物在某种基质条件下，,max,和,K,s,是一定值。,不同的微生物有不同的,max,和,K,s,。即使同一种微生物在不同的基质种也有不同的,max,和,K,s,。,K,s,越大，表示菌体对基质的亲和力越小。,三、代谢产物形成的动力学模型,Gaden,根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种类型：,类型,称为生长偶联型，或称伴随生长的产物形成模型；,类型,称为部分生长偶联型，或称不完全伴随生长的产物形成模型；,类型,称为非非生长偶联型或称不伴随生长的产物形成模型。,Gaden,对发酵的三分类与,Pirt,方程：,生长偶联型,产物的形成和菌体的生长相偶联,3,、产物形成动力学模式,如：葡萄糖厌氧发酵生成乙醇,x,p,部分生长偶联型,产物的形成和菌体的生长,部分偶联,x,p,如：氨基酸发酵，柠檬酸等有机酸的发酵,非生长偶联型,产物的形成和菌体的生长,非偶联,x,p,如抗生素，微生物毒素等次级代谢产物的生产,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。,分批培养与发酵得率,生长得率：消耗单位数量的基质所得到的菌体，即基质的生长得率。,Y,x/s,=,菌体增加的量,/,消耗基质的量,=,x-x,0,/s,0,-s,产物得率（生产率）：消耗单位数量的基质所得到的产物量，即基质的产物得率。,Y,p/s,=,产物增加的量,/,消耗基质的量,=,p-p,0,/s,0,-s,分批培养发酵生产率,生产率：单位时间内菌体细胞浓度或代谢产物浓度的生成量。,P,=,菌体增加的量,/,发酵时间,=,x-x,0,/t-t,0,P,=,产物增加的量,/,发酵时间,=,p-p,0,/t-t,0,最大生产率,(,P,max,),：发酵时间从对数生长期开始至发酵结束计算得出的生产率。,平均生产率（,P,）：包括洗罐、灭菌、发酵、放罐等整个生产时间计算得出的生产率。,第三节 连续培养与发酵动力学,把新鲜的培养基连续地供给均匀混合的发酵系统，同时又以相同的速度把含有细胞和产物的发酵液从发酵系统中抽出便可使发酵过程连续化，并且使发酵罐内的液量维持恒定不变，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。,一、连续发酵定义及特点,连续培养的特点：,恒定状态可以有效地延长分批培养中的对数生长期。,发酵周期短、设备利用率高、成本低、生产效率高。,便于自动化控制。,发酵产品性能稳定。,适合于微生物生理生化和遗传特性的研究。,易染菌、易发生菌种退化、变异。,操作不当，新加入的培养基与原培养基不易混合。,二、连续发酵类型,一）按细胞流出方式分：,1,、开放式连续发酵：,微生物随发酵液一起从容器中流出，细胞流出的速率与新细胞生成速率相等。,2,、封闭式连续发酵：只有发酵液从容器中流出，细胞保留在发酵容器中。,二）按细胞培养容器级数分：,1,、单级连续发酵：,微生物在单一容器中进行连续发酵。,2,、多级连续发酵：,微生物在多个串联的容器中进行连续发酵。,三）按培养基质混合方式分：,1,、均匀混合连续发酵：,发酵容器中微生物与新流入的培养基均匀混合。,恒化器,：培养容器中限制性基质浓度保持恒定,恒浊器,：恒定发酵液中的细胞浓度保持恒定,恒化器,恒浊器,2,、非均匀混合连续发酵：种子液进入发酵罐中后不均匀混合。,管道式：适合于厌氧发酵,塔式：适合于好氧发酵,四）按培养基质循环方式分：,1,、循环式连续发酵：,发酵容器中流出的发酵液再次进入原发酵罐中进行培养发酵。,2,、非循环式连续发酵：,发酵容器中流出的发酵液,不,再次进入原发酵罐中进行培养发酵。,三、连续发酵微生物生长动力学,一）微生物比生长速率与基质浓度的关系：,符合,Monod,方程,二）在可逆抑制剂作用下的,Monod,方程,1,、竞争性抑制剂作用,最大比生长速率不变，,Ks,增大。,2,、非竞争性抑制剂作用,最大比生长速率减小，,Ks,不变。,1,、稀释率,稀释率（,D,）：单位时间内新鲜培养基流入的体积（,F,）与总体积之比,(V),，即,四、常见连续发酵系统的动力学,一）开放式单级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学,培养基在容器中的平均滞留时间,t,=1/D=,V/F,2,、微生物比生长速率与稀释率的关系,细胞增加的速率,=,细胞生长速率,细胞流出速率,细胞死亡速率,dx/dt,=,ux-Dx,当连续发酵达到平衡时，,dx/dt,=,0,，即,u=D,3,、细胞浓度与限制性基质浓度的关系,基质的消耗速率,=,流入的基质速率,流出的基质速率,细胞生长基质消耗速率,细胞维持基质消耗速率,产物生成基质消耗速率：,dS/dt,=DS,0,DS,ux/y,X/S,mx,u,p,x/y,X/S,当发酵的目的是培养细胞时，细胞维持基质、产物生成基质消耗速率忽略：,dS/dt,=DS,0,DS,ux/y,X/S,当连续发酵达到平衡时，,dx/dt,=,0,，,D=u,x=y,X/S,(,S,0,S,),4,、限制性基质浓度、细胞浓度与稀释率的关系及稀释率对限制性基质浓度、细胞浓度、细胞生长速率、倍增时间的影响,限制性基质浓度随稀释率的增加而增加，但在很大范围内增加不明显。（当稀释率等于最大生长比速率时，基质浓度等于起始浓度，此稀释率为临界稀释率,）,细胞浓度随稀释率的增加而 减小，但在很大范围内减小不明显,一定范围内，随稀释率的增加，细胞倍增时间显著缩短,一定范围内细胞生长速率与稀释率成正比,5,、细胞生产率及其与分批发酵中细胞生产率的比较,最大生长比速率越大，连续培养的细胞生产率与分批培养的细胞生产率之比越大,当最大生长比速率过小时，不宜连续发酵。,多级连续培养系统,：,二）开放式多级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学,如果向第二级发酵罐添加物料液，此液流可以含有限制性营养物质，也可以含有附加的其他营养物质、诱导剂或抑制剂，则这种连续培养系统便可以用来研究微生物的代谢调节作用。在此系统中，第一级为第二级连续提供了生理状况始终如一的微生物细胞群体。,五、连续发酵的应用,1,、细胞生物量的生产,2,、代谢产物生产,3,、动物细胞代谢产物生产,4,、用于研究工具,第四节 补料分批发酵,补料分批发酵也叫半连续发酵、半连续培养，流加发酵（,fed-batch fermentation,），,它是以分批培养为基础，间歇或连续地补加新鲜培养基的一种发酵方法。,分批补料培养技术是介于分批培养相连续培养之间的一种发酵技术。,由于在发酵过程中向发酵罐中补加了物料，分批补料系统不再是一个封闭的系统。,分批补料系统并不连续地向罐外放出发酵液，因而发酵罐内的培养基体积不再是个常数，而是随时间和物料流速而变化的变量。,与分批发酵相比，发酵系统可维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：,可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧矛盾。,避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏。,不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问题,。,适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。,补料分批培养特点,分批、连续、补料操作方式的比较,方式,优点,缺点,分批发酵,1,一般投资小,2,易转产、生产灵活,3,分批操作中某一阶段可获得高的转化率,4,发酵周期短，菌种退化率小,1,因放罐、灭菌等原因，非生产时间长,2,经常灭菌会降低仪器寿命,3,前培养和种子的花费大,4,需较多的操作人员或自动控制系统,连续发酵,1,可实现有规律的机械、自动化,2,操作人员少,3,反应器体积小、非生产时间少,4,产品质量稳定,5,操作人员接触毒害物质的可能性小,6,测量仪器使用寿命长,1,操作不灵活,2,因操作条件不易改变，原料质量必须稳定,3,若连续灭菌，加上控制系统和自动化设备，投资较大,4,必须不断地排除一些非溶性的固型物,5,易染菌，菌种易退化,补料发酵,1,操作灵活,2,染菌、退化几率小,3,可获得高的转化率,4,对发酵过程可实现优化控制,5,因经常灭菌会降低仪器使用寿命,1,非生产时间长,2,需较多的操作人员或计算机控制系统,3,操作人员接触一些病原和有毒产品的可能性大,微生物在具有一定温度和湿度的固体培养基的表面进行生长、繁殖、代谢的发酵过程称作为固态发酵（,solid state fermentation,）。,固态发酵主要适合于霉菌。这是由于霉菌细胞内的渗透压比较高，不会因固体基质的高渗透压而致死。,固态发酵,(,一,),固态发酵的特点,1,、原料来源广，价格低廉。,2,、在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌。,3,、能耗低。,4,、固态发酵的产物回收一般步骤少，费,用也省。,优点,缺点,1.,培养基含水量少，废水、废渣少，环,境 污染少，容易处理；,1.,菌种限于耐低水活性（,aw,）,的微生,物，菌种选择性少,2.,消耗低，供能设备简易；,2.,发酵速度慢，周期较长,3.,培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉,3.,天然原料成分复杂，有时变化，影响,发酵产物的质和量,4.,设备和技术较简易，后处理方便。,4.,工艺参数难检测和控制,5.,产物浓度较高，后处理方便,5.,产品少，工艺操作消耗劳力多，强度,大,固态发酵存在一个显著特点，即菌体、基质、产物均处于一个非均一的发酵系统中，尤其是在一个大规模的固态发酵系统中，随着发酵的进行，菌体呼吸产热，料芯散热慢，菌体生长、基质利用和产物合成都处在一个非均匀的系统之中，致使发酵不能稳定进行。,固态发酵存在的主要工程问题是传质和传热受限制，表现在大规模生产时的散热比较困难；模拟和控制较困难，使参数的检测如,pH,值、温度、菌体增殖量、产物生成量等很难实现。,因此，实现固态发酵的最优化困难重重。,固态发酵的应用,1,固态发酵在资源环境上的应用,（,1,）生物燃料,(,biofuel,),（,2,）,生物农药,(,biopesticide,),（,3,）,生物转化,(biotransformation),（,4,）,生物解毒,(biological detoxification),（,5,）,生物修复,(bioremediation),2,生产有价值的物质,固态发酵可用来生产许多有价值的物质，例如谷物或者谷物残余物营养的富集，发酵食品、酶、色素、抗生素、生物杀虫剂、有机酸和风味化合物的生产。,固态发酵设备,按照固态培养方式分为六种形式：,浅盘式反应器,填充床反应器,流化床反应器,转鼓式反应器,搅拌反应器,压力脉动反应器,