第8章微生物反应动力学.ppt

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,Klicken Sie,um das Format des Titel-Masters zu bearbeiten.,Klicken Sie,um die Textformatierung des Masters zu bearbeiten.,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,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,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,微生物工程与设备,微生物反应动力学,生产控制最优化,工厂比拟放大,具体内容,微生物生长过程中质量的平衡,发酵过程中菌体的生长速率、基质消耗速率和产物生成速率的相互关系,环境因素对这三种速率的影响及影响反应速率的因素,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相互作用随时间而变化的规律。,微生物反应动力学,发酵类型,1,分批培养动力学,2,连续培养动力学,3,发酵动力学分型,分类依据：产物形成与基质消耗关系,类型 判断因素 例子,产物形成直接与基质（碳源,),利用有关 酒精、乳酸、酵母培养,产物形成间接与基质（碳源）利用有关 柠檬酸、衣康酸、谷氨酸,产物形成与基质（碳源）利用无关 青霉素、链霉素、糖化酶,第一节 发酵类型,一、类型,（生长相关型）,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,菌体生长类型：终产物就是菌体本身，菌体增加与碳源利用平行。如酵母、蘑菇菌丝等。,代谢产物类型：产物是碳源的直接氧化产物。产物积累与菌体增长相平行。如酒精、乳酸等。,细胞比生长速率,碳源利用速率,产物形成比速率,第一节 发酵类型,二、类型,（生长部分相关型）,微生物生长与产物合成是分开的,第一时期：菌体迅速增长，产物形成很少或无,第二时期：,产物高速形成，生长可能有第二峰；碳源利用出现两高峰。（部分相关）,碳源利用的高峰期,微生物细胞最高生长期,产物合成的最高时期,既满足细胞生长所需能量，又充作产物合成的碳源,细胞比生长速率,碳源利用速率,产物形成比速率,第一节 发酵类型,二、类型,（生长部分相关型）,第一节 发酵类型,其产物不是碳源的直接氧化产物，而是菌体代谢的主流产物，产量较高。,分两类：,产物的形成是经过连锁反应的过程；,如：丙酮丁醇,产物的形成不经过中间产物的积累。,如：谷氨酸,三、,类型,（与生长不相关型）,一般产物形成是在菌体生长接近或达到最高生长时期（稳定期）,产物形成与碳源利用无准量关系，如：抗生素、维生素等次级代谢产物。,产量一般不超过碳源耗量的,10,。,第一节 发酵类型,第一节 发酵类型,发酵的分类对实践的指导意义,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。,发酵按照操作方法分,分批发酵,补料分批发酵,连续发酵,第二节 分批培养动力学,分批发酵（,batch fermentation),即分批培养,定义：,指一次投料、一次接种、一次收获的间歇培养方式。即是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，除了氧气、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。,第二节 分批培养动力学,分批发酵（,batch fermentation),即分批培养,第二节 分批培养动力学,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。,特点：,优点,：操作简单；操作引起染菌的概率低，且发生杂菌污染后易终止操作；不会产生菌种老化和变异等问题；当运转条件变化时，易改变处理对策；对原料组成要求较粗放。,缺点,：非生产时间较长、设备利用率低。,阶段：分延迟期、对数生长期、减速期、稳定期和衰亡期。,分批发酵（,batch fermentation),即分批培养,第二节 分批培养动力学,分批发酵（,batch fermentation),即分批培养,第二节 分批培养动力学,典型的分批发酵工艺流程,补料分批发酵（,fed-batch fermentation),即半连续发酵或半连续培养,定义：指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。,第二节 分批培养动力学,补料分批发酵（,fed-batch fermentation),第二节 分批培养动力学,优点,使发酵系统中维持很低的基质浓度；,和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；,不会产生菌种老化和变异等问题。,缺点,存在一定的非生产时间；,和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。,可除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致加剧供氧的矛盾；,避免培养基积累有毒代谢物。,补料分批发酵（,fed-batch fermentation),第二节 分批培养动力学,补料方式：,连续流加,不连续流加,多周期流加,补料成分：,单一组分流加,多组分流加,控制方式：,反馈控制,无反馈控制,类型：,连续发酵（,continuous fermentation),即连续培养,定义：,在培养过程中（一般是微生物培养到对数生长期），一方面连续地向发酵罐中加入培养基，另一方面同时以相同的流速从发酵罐中排出含有产品的发酵液。使发酵罐内料液 量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定 的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的,pH,、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。,第二节 分批培养动力学,优 点,1.,提供一个微生物在恒定状态下,高速生长的环境,2.,工业上减少清洗、装料等操作,3.,产物的生产稳定，可节省人力,物力等,4.,可作为分析微生物的生理、生,态及反应机制的有效手段,5.,所需的设备和投资少，便于实,现自动化,6.,产物质量比较稳定,特点,缺 点,1.,长时间的培养，微生物及变异，发酵易染菌,2.,新加入的培养基与原有的不完全混合，影响培养基的利用率,3.,必须和整个作业的其他工序一致,4.,收率与产物浓度较分批法稍低,5.,有可能被杂菌污染及变异，诸因素对生物反应的研究和动力学关系,不能充分解释,连续发酵（,continuous fermentation),即连续培养,第二节 分批培养动力学,连续发酵（,continuous fermentation),即连续培养,第二节 分批培养动力学,恒化培养,使培养基中限制性基质的浓度保持恒定,恒浊培养,使培养基中菌体的浓度保持恒定,类型,时间,菌体浓度,延迟期,对数生长期,减速期,静止期,衰亡期,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,1,、延迟期：适应过程,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,主要特征：代谢活跃，大量合成细胞分裂所需的酶类、,ATP,等；体积增大；分裂迟缓。,原因：在新的环境，缺乏分解或催化相关底物的酶。,缩短和消除延迟期的方法有：增加接种量、采用最适种龄、选用繁殖速度快的菌种以及尽量保持接种前后所处的培养基介质和条件一致。,限制性基质浓度,S,0,一定,细胞初浓度,X,0,不同,细胞初浓度,X,0,一定,限制性基质浓度,S,0,不同,1,、延迟期：适应过程,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,2,、对数生长期,：细胞浓度的变化率与细胞浓度成正比,dX,dt,=,m,X,细胞生长不受限制,dX,dt,=,X,（,X:,细胞干重浓度,kg/m,3,；,t:,时间,s,；,:,比生长速率,s,-1,倍增时间：,t,d,=,ln2,m,0.693,m,时间,t,1,时细胞浓度为,X,1,，则,t,2,时细胞浓度,X,2,为：,X,2,=X,1,exp,m,(t,2,-t,1,),一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,或,2,、对数生长期,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,特点：分裂速度最快、代时最短、代谢活动旺盛、对环境变化敏感。,作用：作为代谢、生理等研究的好材料和发酵生产中用作种子的最佳菌龄。,3,、减速期,当培养基中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的比生长速率和限制性基质的浓度间的关系用,Monod,方程式表示为：,（,S:,限制性基质浓度,mol/m,3,；,K,S,:,饱和常数,mol/m,3,）,K,S,：物理意义为当比生长速率为最大比生长速率一半时的限制性营养物质浓度，它的大小表示了微生物对营养物质的吸收亲和力大小。,K,S,越大，表示微生物对营养物质的吸收亲和力越小，反之越大。,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,m,S,K,S,+S,=,m,：随微生物种类和培养的条件不同而不同。,一般细菌的,m,大于真菌的,m,；,培养温度升高，,m,增大；营养物质改变，,m,改变；,易被微生物利用的营养物质，其,m,较大。,比生长速率与基质之间关系,a,:,营养物质浓度很低，即,S K,S,营养物质浓度很高。,=,m,与,S,无关，零级反应。,当,S,时，,=,m,m,是理论上最大的生产潜力,Monod,方程,3,、减速期,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,S,C,：临界基质浓度，比生长速率,达到最大比生长速率,m,时的最低基质浓度。,对于任一营养物质,S S,C,为非限制性基质，,S S,C,为限制性基质。,Monod,方程,3,、减速期,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,Monod,方程,一些微生物的最大比生长速率和,Monod,饱和常数,3,、减速期,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,Monod,方程,Monod,方程中单一限制性基质可以是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该基质相对贫乏，就成为限制性生长因子。实际过程中，可能出现多种限制性基质和抑制性物质，影响了,Monod,方程的适用性。,3,、减速期,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,Monod,方程,Monod,方程与米氏方程的区别与联系,Monod,方程是对实验现象的总结：,是经验方程,米氏方程是根据酶反应动力推导得出：,是机理方程,Monod,方程与米氏方程的相似性,双倒数法求解参数,双倒数法：,将,Monod,方程取倒数可得：,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。,3,、减速期,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,Monod,方程,以,1/S,对,1/,作图，为一直线，斜率为,K,S,/,m,，纵轴截距为,1/,m,。,Monod,方程的参数求解,m,S,K,S,+S,=,3,、减速期,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,Monod,方程,Monod,方程中,m,与,K,S,的图解求法,Monod,方程的参数求解,3,、减速期,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,Monod,方程,或者：,Monod,方程的参数求解,以,S,对,S/,作图，为一直线；,斜率为,1/,max,，纵轴截距为,K,S,/,max,m,S,K,S,+S,=,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,，,K,S,和,t,d,?,解,：将数据整理得：,S/100 137.5 148.8 231.8 311.3,S 6 33 64 153 221,由斜率为,1/,max,，纵轴截距为,K,S,/,max,可以求得：,max,1.1(h,-1,);,K,S,99mg/L,，,t,d,ln2/,max,0.63,3,、减速期,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,Monod,方程,Monod,方程的参数求解,S,S/,斜率为,0.95,截距为,90,4,、稳定期,5,、衰亡期,X=X,m,exp(-at),X,m,:,静止期细胞浓度,kg/m,3,；,a:,细胞比死亡速率,s,-,；,t:,进入衰亡期时间,s,一、分批培养中细胞的生长动力学,第二节 分批培养动力学,细胞浓度达最大，比生长速率为,0,。,细胞开始死亡，活细胞浓度不断下降。,多数分批培养在衰亡期前就结束,分批发酵动力学,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：,0 x,0,（,0tt,1,),m,x,0,e,m,t,(t,1,tt,2,),=x=x,0,e,m,(,t,2,-t,1,),e,t,(,t,2,tt,3,),0,x,m,(t,3,tt,4,),-,a x,m,e,-,a t,(t,4,t,，所以有：,=-X+X=,（,-,）,X,dX F F,dt V V,1.,细胞的物料平衡,一、单级连续培养,第三节 连续培养动力学,定义稀释率,D=F/V,单位时间内加入的培养基体积占发酵罐内培养基体积的分率,=,（,-D,）,X,dX,dt,恒定状态时,dX/dt=0,=D,，即在恒定状态下，比生长速率等于稀释率,在一定范围内连续培养的比生长速率可通过稀释率来控制,细胞特性,操作变量,1.,细胞的物料平衡,一、单级连续培养,第三节 连续培养动力学,=,（,-D,）,X,dX,dt,D:,则,0,，培养罐内细胞浓度不断增加，营养物质浓度随之减少,D,：则,0,，罐内细胞浓度不断减少，最后导致,X 0,=D,：则,=0,，细胞浓度不随时间而变化，即培养达到稳定状态,dX,dt,dX,dt,dX,dt,1.,细胞的物料平衡,一、单级连续培养,第三节 连续培养动力学,2.,限制性基质的物料平衡,对于发酵反应器来说，基质的物料平衡可表示为：,流入的营养物,流出的营养物,生长消耗的营养物,维持生命需要的营养物,形成产物消耗的营养物,=,积累的营养物,即,S,0,F/V-SF/V-X/Y,X/S,-mX q,P,X/Y,P/S,=dS/dt,（,S,0,:,流入发酵罐的营养物的浓度,g/L,；,S:,流出发酵灌的营养物的浓度,g/L;,：细胞比生长速率；,q,p,：产物比生成速率；,m,：维持系数,Y,X/S,：细胞得率系数；,Y,P/S,：产物得率系数；）,一、单级连续培养,第三节 连续培养动力学,o,一般条件下，,mX K,S,时，,D,C,=,m,3.,细胞浓度和稀释率的关系,一、单级连续培养,第三节 连续培养动力学,产物的物料衡算,产物变化率,=,细胞合成产物速率,+,流入,-,流出,-,分解项,当连续发酵处于稳态,，,且加料中不含产物，即,，,P,分解速率可忽略,。,得,连续发酵动力学,-,理论,-,单级恒化器连续发酵,连续培养时稀释率与其它参数的关系,S=,DK,S,/,(,m,-D),X=Y,X/S,S,0,-DK,S,/(,m,-D),第三节 连续培养动力学,3.,细胞浓度和稀释率的关系,一、单级连续培养,二、多级串联连续培养,把多个发酵罐串联起来。,各级反应器中进出口流量相等并恒定；,各级反应器中的液体体积相等并恒定。,第三节 连续培养动力学,对于多级反应，在稳态时，除第一级反应外，以后各级反应器中，比生长速率,i,都小于,D,i,发酵罐 细胞物料平衡 限制性营养物料平衡,第一个,1,=D,1,X,1,=Y,X/S,(S,0,-S,1,),第二个,2,=D,2,(1-X,1,/X,2,)X,2,=D,2,Y,X/S,(S,1,-S,2,)/,2,二、多级串联连续培养,第三节 连续培养动力学,三、进行细胞回流的单级连续培养,将流出液中的细胞进行回流分离、经浓缩后的细胞悬浮液再被送回发酵罐中循环利用。,:,回流比；,c:,分离器中细胞的浓缩倍数,第三节 连续培养动力学,细胞的物料平衡：,V=,FcX,+XV-,（,1-,）,FX,dX,dt,（,:,回流比；,c:,分离器中细胞的浓缩倍数）,稳态时,=,（,1+,-c,）,D,限制性基质的物料平衡：,V=,FS,+FS,0,-,（,1+,）,FS,dS,dt,XV,Y,X/S,D,稳态时,X=Y,X/S,(S,0,-S)=,Y,X/S,(S,0,-S),1+,-c,D,三、进行细胞回流的单级连续培养,第三节 连续培养动力学,四、连续培养的应用,酵母、细菌等单细胞蛋白产品,20,世纪,20,年代开始生产饲料酵母,;,用造纸厂亚硫酸盐废液连续培养生产饲料酵母。,20,世纪,50,年代以糖蜜为原料开始生产药用酵母和面包酵母。,1.,连续培养在工业化生产中的应用,速度容易控制、设备生产率高、劳动强度低等,。,第三节 连续培养动力学,酒精、啤酒、醋酸等一次代谢产物,始于,20,世纪,50,年代；,50,年代末实现糖蜜制酒精；,60,年代初能用淀粉质原料制造酒精。,污水的生化处理,多数采用浓缩细胞部分回流的方法。,四、连续培养的应用,第三节 连续培养动力学,2.,连续培养在微生物生理特性和动力学研究中的应用,环境可以保持不变，培养体系处于稳定状态,微生物生理活性的研究,棕色固氮菌在不同稀释率时单个细胞中的核酸含量,D=(h,-1,),DNA,RNA,产气气杆菌在不同稳定状态时的细胞活性,D=(h,-1,),蛋白质,平均细胞质量,DNA,四、连续培养的应用,第三节 连续培养动力学,微生物动力学参数的测定,m,和,K,S,的测定,D=,m,s/(k,S,+s),1/D=1,/,m,+K,S,/,m,S,1/S,1/D,1/,m,斜率,=K,S,/,m,作图法求算,m,和,K,S,四、连续培养的应用,第三节 连续培养动力学,Y,G,和,m,的测定,对于一级连续培养，有,dS/dt=D(S,0,-S)-X/Y,G,-mX-q,p,X/Y,P/S,稳态下，并假定没有产物，即,dS/dt=0,，,D=,，,q,p,=0,，则有：,1,/,Y,X/S,=1,/,Y,G,+m,/,D,或,1,/,Y,X/S,=1,/,Y,G,+m,/,1/Y/,X/S,1/Y,G,斜率,=m,1/D,四、连续培养的应用,第三节 连续培养动力学,稳定状态的过渡,四、连续培养的应用,第三节 连续培养动力学,3.,连续培养在菌种分离与改良中的应用,一次培养期间可以多次改变培养条件；,用极端培养条件筛选菌种时，可以适当减弱条件；,一次培养可以从众多菌种中选出高产菌株；,为生长中自发变异的菌株提供了无限量的时间。,四、连续培养的应用,第三节 连续培养动力学,第四节 补料分批发酵,一,.,单一补料分批培养,补料一直到培养液达到额定值，中间不取出培养液。,F,开始时的限制性基质的浓度,S,0,刚接种时的细胞浓度,X,0,V,为培养基体积,X=X,0,+Y,X/S,（,S,0,-S,）,准恒定状态：补加的营养物质与消耗的营养物质相等；细胞数量增加，但浓度不变；,约等于,D,二 重复补料分批培养,在培养过程中，每间隔一定的时间，取出一定的培养液，同时又在同一时间间隔内加入相等体积的培养液，如此反复地进行培养的方式。,培养液体积、稀释率、比生长速率等都发生周期性的变化。,第四节 补料分批发酵,