微生物工程发酵过程动力学的基本概念.pptx

张张 海海 龙龙山东教育学院山东教育学院 生物系生物系Shan Dong Institute of Education第六章 发酵过程动力学的基本概念主要内容：一、生物反应动力学描述二、生物反应模式与发酵方法三、微生物发酵动力学四、微生物生长代谢过程中的质量平衡一种是使底物在酶（游离酶或固定化酶）的作用下进行反应，如淀粉的液化、异构糖的生产、无侧链青霉素（6-APA）的制造等。另一种是通过细胞的培养，利用细胞中的酶系，把培养基中的物质通过复杂的生物反应转化成新的细胞及其代谢产物。重点重点生物反应：生物反应：生物反应动力学的研究内容生物反应动力学的研究内容研究反应速度及其影响因素并建立研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应动力学模型反应器特性反应器特性反反应应器器的的操操作作模模型型操作条件操作条件与反应结与反应结果的关系，果的关系，定量地控定量地控制反应过制反应过程。程。第一节、生物反应过程动力学描述发酵过程反应的描述发酵过程反应的描述 XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）生物过程反应速度的描述生物过程反应速度的描述菌体生长速率菌体生长速率/菌体比生长速率菌体比生长速率基质消耗速率基质消耗速率/基质比消耗速率基质比消耗速率产物形成速率产物形成速率/产物比形成速率产物比形成速率菌体生长速率比生长速率一、菌体生长速率一、菌体生长速率 比生长速率除受细胞自身遗传信息支配外，还受环境因素的影响。微生物细胞比生长速率和倍增时间因受遗传特性和生微生物细胞比生长速率和倍增时间因受遗传特性和生长条件的控制，有很大的差异。长条件的控制，有很大的差异。二、基质消耗速率 以以菌体得率系数菌体得率系数为媒介，可确定基质的消耗速率为媒介，可确定基质的消耗速率与生长速率之间的关系。与生长速率之间的关系。当基质既是能源又是碳源时：当基质既是能源又是碳源时：碳源总消耗速率用于生长的消耗速率用于维持代谢的碳源总消耗速率用于生长的消耗速率用于维持代谢的消耗速率消耗速率定义：消耗单位基质量S（每克或每摩尔）与生成的干菌体X（g）之间的比值定义为菌体得率（YX/S）。消耗1g基质生成细胞的克数 通常，菌体X以干重表示；基质S是培养液中某一限制性底物。说明：菌体得率说明：菌体得率三、代谢产物的生成速率基质的消耗比速：(h-1)菌体的生长比速：产物的形成比速：(h-1)(h-1)发酵过程反应速度的描述 XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）第二节、生物反应模式与发酵方法第二节、生物反应模式与发酵方法一、生物反应模式一、生物反应模式PXXPXP生长偶联型生长偶联型非偶联型非偶联型混合型混合型根据产物生成速率与细胞生成速率的关系分类P PXP(1)类型类型（偶联型模型）（偶联型模型）产物的形成与细胞生长呈相关的过程。产物是细胞能量代谢的结果，此时产物通常是基质的分解代谢产物。例如乙醇、乳酸发酵。其动力学方程可表示为:根据产物生成速率与细胞生成速率的关系分类(2)(2)类型类型（非偶联型）（非偶联型）产物的形成与细胞生长不相关或无直接关系，其特点是细胞生长期基本无产物合成，细胞停止生长产物则大量合成。属于这类的产物是次级代谢产物。例如青霉素、链霉素等抗生素发酵。其动力学方程可表示为：其动力学方程可表示为：(3)类型类型（混合型）（混合型）产物的形成与细胞生长部分相关或具有间接关系，例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。其动力学方程可表示为：定义：生成的代谢产物量P对底物的消耗量S（g）之比定义为代谢产物收率（YP/S）。假如完全没有菌体生成，则理论代谢产物收率可达到最大值。说明：代谢产物收率说明：代谢产物收率二、发酵操作方法 定义：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。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，易改变处理对策，对原料组成要求较粗放等。（一）、分批发酵法（一）、分批发酵法（二）、补料分批发酵法定义：所谓分批补料培养技术，是指在分批培养过程中，间歇或连续的添加新鲜培养基的方法。特点：与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点为：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，使不致于加剧供氧的矛盾。避免培养基积累有毒代谢物。补料分批培养适合于以下条件补料分批培养适合于以下条件生长非偶联型产物的生产高密度培养产物合成受代谢物阻遏控制利用营养缺陷型菌株合成产物补料分批培养还适用于底物对微生物具有抑制作用等情况。此外，如果产物黏度过高或水分蒸发过大使传质受到影响时，可以补加水分降低发酵液黏度或浓度。补料分批培养的优点与与分批培养分批培养方式比较方式比较与与连续培养连续培养方式的比较方式的比较1 1、可以解除培养过程中的底物抑、可以解除培养过程中的底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应制和葡萄糖的分解阻遏效应2 2、对于好氧过程，可以避免在分、对于好氧过程，可以避免在分批培养过程中因一次性投糖过多造批培养过程中因一次性投糖过多造成的细胞大量生长、耗氧过多以至成的细胞大量生长、耗氧过多以至通风搅拌设备不能匹配的状况；在通风搅拌设备不能匹配的状况；在某种程度上可减少微生物细胞的生某种程度上可减少微生物细胞的生成量、提高目的产物的转化率。成量、提高目的产物的转化率。3 3、微生物细胞可以被控制在一系、微生物细胞可以被控制在一系列连续的过滤态阶段，可用来控制列连续的过滤态阶段，可用来控制细胞的质量；并且可重复某个时期细胞的质量；并且可重复某个时期细胞培养的过渡态，可用于理论研细胞培养的过渡态，可用于理论研究究1 1、不需要严格的无菌条件、不需要严格的无菌条件2 2、不会产生微生物菌种的、不会产生微生物菌种的老化和变异老化和变异3 3、最终产物浓度较高，有、最终产物浓度较高，有利于产物的分离利于产物的分离4 4、使用范围较广、使用范围较广（三）、连续发酵法所谓连续培养，就是在发酵过程中一边补入新鲜料液，一边以相近的流速放料，维持发酵液原来的体积。连续发酵优点：高效，它简化了装料、灭菌、出料、清洗发酵罐等许多单元操作，从而减少了非生产时间和提高了设备的利用率；自控，便于利用各种仪表进行自动控制；产品质量较稳定；生长与代谢产物形成的两种类型节约了大量动力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、电的负荷均匀合理。连续发酵缺点：连续发酵缺点：菌种易于退化。其次是易遭杂菌污染。在连续培养中，营养物的利用率一般亦低于单批培养。连续发酵类型 类型开放式(菌体取出)封闭式(菌体不取出)单罐多罐单罐多罐均匀混合非循环搅拌发酵罐搅拌罐(串联)透析膜培养循环搅拌发酵罐(菌 体 部 分重复使用)搅拌罐串联(菌体部分重复使用)搅拌发酵罐(菌体100重复使用)搅拌发酵罐串联(菌体100重复使用)非均匀混合非循环管道发酵器塔式发酵罐塔式发酵罐装有隔板的管道发酵器(卧式、立式)塔式发酵罐(菌体100重复使用)塔式发酵罐(菌体100重复使用)循环管道发酵器塔式发酵罐(菌 体 部 分重复使用)塔式发酵罐装有隔板的管道发酵器(菌体部分重复使用)管道发酵器(菌体100重复使用)塔式发酵罐装有隔板的管道(菌体100重复使用)单罐均匀混合连续发酵管道非均匀混合连续发酵塔式非均匀混合连续发酵第三节、微生物发酵动力学生物反应动力学是研究生物反应过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。研究内容包括发酵过程菌体生长速率、基质消耗速率和产物生成速率的相互联系，环境因素对三者的影响，以及影响其反应速率的条件。一、一、微生物分批发酵动力学微生物分批发酵动力学1、分批发酵的不同阶段：、分批发酵的不同阶段：时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期延迟期：指数生长期:减速期:静止期：衰亡期:(1)停滞期停滞期停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。接种物的生理状态和浓度影响停滞期的长短。解决途径：解决途径：一是尽量选择处于指数生长期的种子。二是扩大接种量。但是，如果要扩大接种量，又往往需要多级扩大制种，这不仅增加了发酵的复杂程度，又容易造成杂菌污染，故而应从多方面考虑。(2)对数生长期对数生长期处于对数生长期的微生物细胞的生长速率大大加快，单位时间内细胞的数目或质量的增加维持稳定，并达到最大值。此时，如以细胞数目或生物质量的对数值对培养时图，将得一直线，该直线的斜率就等于。微生物的最大比生长速率在工业上的意义微生物的最大比生长速率在工业上的意义为保证工业发酵的正常周期，要尽可能地使微生物的比生长速率接近其最大值。最大比生长速率不仅与微生物本身的性质有关，也与所消耗的底物以及培养的方式有关。限制微生物生长代谢的并不是发酵液中营养物质的浓度，而是营养物质进入细胞的速度。(3)稳定期稳定期在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在不断积累。受此影响，微生物的生长速率和比生长速率就会逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳定期。处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变；但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的组成物质还在不断变化。由于细胞的自溶作用，一些新的营养物质，诸如细胞内的一些糖类、蛋白质等被释放出来，又作为细胞的营养物质，从而使存活的细胞继续缓慢生长。（二二次次或隐性生长或隐性生长）微生物的很多代谢产物，尤其是次级代谢产物，是在进入稳定期后才大量合成和分泌的。(4)死亡期死亡期在死亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开始死亡。在发酵工业生产中在进进入入死死亡亡期期之之前前应及时将发酵液放罐处理。q 微生物的生长速度：f(s,p,T,pH,)q 在一定条件下(基质限制)：f(S)2、微生物分批培养的生长动力学方程 1942年，Monod提出了在特定温度、pH值、营养物质类型、营养物浓度等条件下，微生物细胞的比生长速率与限制性营养物的浓度之间存在着一个关系式。Monod方程 的物理意义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引亲和力大小。单一限制性基质：就单一限制性基质：就是指在培养微生物的是指在培养微生物的营养物中，对微生物营养物中，对微生物的生长起到限制作用的生长起到限制作用的营养物。的营养物。KS越大，表示微生物对营养物质的吸引亲和力越小，反之越大。对于许多微生物来说，KS值是很小的，一般为0.1120mg/l或0.013.0mmol/l，这表示微生物对营养物质有较高的吸收亲和力。微生物比生长速率与底物之间有一定的关系线段线段a a表示一样表示一样物质浓度很低时。物质浓度很低时。线段线段b b为符合为符合MonodMonod方程段。方程段。线段线段c c表示营养表示营养物质浓度很高时。物质浓度很高时。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。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td?解：将数据整理：S/100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221max，1.11(h-1);Ks97.6 mg/Ltdln2/max0.64 h3、分批培养时基质的消耗速率得率系数：生成的细胞或产物与消耗的营养物质之间的关系。细胞得率系数 、产物得率系数 ：分别定义为消耗1g营养物质生成的细胞的质量和生成产物的质量，单位均为克。4、分批培养时产物的形成速率产物形成与细胞生长的关系5、分批发酵过程的生产率 生产率是个综合指标，在讨论分批培养时，必须考虑生产率是个综合指标，在讨论分批培养时，必须考虑所有的因素。所有的因素。在计算时间时，不仅包括发酵时间，还包括放罐、在计算时间时，不仅包括发酵时间，还包括放罐、清洗、装料和消毒时间以及迟滞所消耗时间。清洗、装料和消毒时间以及迟滞所消耗时间。发酵总时间为：发酵总时间为：式中：tc放罐清洗时间；tf装料消毒时间；t1迟滞时间；X0和Xt分别为细胞最初和最终浓度；通过方程可以估算发酵过程中各种因素的变化对平均生产率的影响。接种量大，X0大，发酵时间短，减少tc和tf，也能缩短发酵周期。对于短发酵周期（1870h）而言，如谷氨酸发酵，tc和tf非常重要，而对长发酵周期（3d以上），如抗生素生产，tc和tf就不太重要了。迄今为止，分批培养是常用的培养方法，广泛用于各种发酵过程。二、补料分批发酵动力学1、补料分批发酵的类型2、补料分批培养的动力学特点：补料一直到培养液达到额定值为止，培养过程不取出培养液。在某一瞬间培养液中微生物细胞浓度（1）、单一补料分批培养（2）、重复补料分批培养定义：是在培养过程中，每隔一段时间，取出一定体积的培养液，同时又在同一时间间隔内加入相等体积的培养基，如此反复进行的培养方式。项目连续流加分批流加项目连续流加分批流加批数加糖总量/g残糖(g/L)4190323.34189424.6发酵时间最终谷氨酸浓度糖转化率(g/)23.095.20.5042790.80.479连续补料和分批补料发酵的比较三、连续发酵动力学 单罐连续培养的动力学细胞的物料平衡细胞的物料平衡 流入的细胞流出的细胞生长的细流入的细胞流出的细胞生长的细胞死去的细胞积累的细胞胞死去的细胞积累的细胞 即：即：在一定范围内，人为调节培养基的流加速率，可以使细胞按所希望的比生长速率来生长。第四节、微生物生长代谢过程中的质量平衡第四节、微生物生长代谢过程中的质量平衡碳源碳源+氮源氮源+氧氧=菌体菌体+有机产物有机产物+CO2+H2O思考题？1、比生长速率、基质比消耗速率、产物比生成速率？2、生物发酵反应动力学的分类？3、各种得率系数的含义？4、呼吸商？、分批发酵、补料分批发酵、连续发酵的定义、特点？EndThanks!