1、第八章第八章 发酵动力学发酵动力学微生物发酵动力学：是研究发酵过程中微微生物发酵动力学：是研究发酵过程中微生物菌体的生长、营养物质消耗、产物生物菌体的生长、营养物质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律的科学。生成的动态平衡及其内在规律的科学。3目的通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（研究各种物理，化学因素的影响，为调控提供依据）建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。4发酵动力学研究内容发酵动力学研究内容发酵动力学是以化学热力学（研究反应方发酵动力学是以化学热力学（研究反应方向）和化学动力学（研究反应速度）为基
2、向）和化学动力学（研究反应速度）为基础，对发酵过程的物质变化进行描述础，对发酵过程的物质变化进行描述5具体内容具体内容. 微生物生长，死亡动力学；. 基质消耗动力学；. 氧消耗动力学；. 生成动力学；. 产物合成和降解动力学；. 代谢热生成动力学。6一、发酵过程的速度一、发酵过程的速度符号参数测量方法X生物量细胞干重，浊度，细胞数S底物酶法分析，化学法，色谱法P产物酶法分析、HPLC 或特殊方法O氧PO专用电极分析C二氧化碳CO专用电极分析Hv发酵热温度、热平衡、发酵动力学涉及的常规参数、发酵动力学涉及的常规参数发酵动力学中常用的几个术语发酵动力学中常用的几个术语: 得率得率(或产率，或产率，
3、)：包括生长得率：包括生长得率()和产物得率和产物得率()。得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。关系。生长得率：是指每消耗生长得率：是指每消耗(或或)基质基质(一般指碳源一般指碳源)所产所产生的菌体重生的菌体重()。产物得率：是指每消耗产物得率：是指每消耗(或或)基质所合成的产物数基质所合成的产物数(或或数数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基质量减去残留的基质量。量，即投入的基质量减去残留的基质量。 转化率：指投入的原料与合成产物数量之比。转化率：指投入的原料与合成
4、产物数量之比。 基质比消耗速率( ，(或)菌体)：指每克菌体在一小时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。在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。 产物比生产速率(，(或)菌体)：指每克菌体在一小时内合成产物的量，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。发酵周期：指接种开始至培养结束放罐这段时间。发酵周期：指接种开始至培养结束放罐这段时间。 在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌、冷却等辅助时间也计酵罐的清洗、投料、灭菌、冷却等辅助时间也计算在内。即从第一罐接种经发酵结束至第二次接
5、算在内。即从第一罐接种经发酵结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵周期，这样才能正确种为止这段时间为一个发酵周期，这样才能正确反映发酵设备的利用效率。反映发酵设备的利用效率。发酵研究的内容：发酵研究的内容：菌的来源菌的来源找到一个好的菌种找到一个好的菌种发酵过程的工艺控制发酵过程的工艺控制最大限度发挥菌种的潜力最大限度发挥菌种的潜力 （底物） （菌体） （产物）发酵过程的反应描述发酵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反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应器特性反应器特性反应器的操作模型反应器的操作模型操作条件与反操作条件与反应结果的关系，应结果的关系，定量地控制反定量地控制
6、反应过程应过程研究发酵动力学的目的：研究发酵动力学的目的：进行最佳发酵工艺条件的控制，即发进行最佳发酵工艺条件的控制，即发酵工艺最优化。酵工艺最优化。14发酵过程按进行过程有三种方式： 分批发酵( ) 补料分批发酵( ) 连续发酵( )这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的代谢特征。类型的操作方式下的代谢特征。按物料和产物进出方式不同，可分为以下几种类型按物料和产物进出方式不同，可分为以下几种类型分批培养（分批培养（ ） 指在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物指在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物进行发酵的方法。进行发
7、酵的方法。 分批培养中的菌体生长：分批培养中的菌体生长： 微生物的生长是在限制性条微生物的生长是在限制性条件下的生长件下的生长,其生长过程一般分为延迟期、对数生其生长过程一般分为延迟期、对数生长期、稳定期和衰亡期四个时期。长期、稳定期和衰亡期四个时期。分批培养中的产物形成：分批培养中的产物形成： 型：生长偶联产物生成型：生长偶联产物生成 菌体生长、碳源利菌体生长、碳源利用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形成直接与碳源利用有关。成直接与碳源利用有关。型：生长与产物生成部分偶联型：生长与产物生成部分偶联在生长开始后在生长开始后并无产物生成，在生长继续
8、进行到某一阶段才有并无产物生成，在生长继续进行到某一阶段才有产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。型：非生长偶联产物生成型：非生长偶联产物生成在生长停止后才有在生长停止后才有产物生成。产物形成与碳源利用无准量关系。产物生成。产物形成与碳源利用无准量关系。19丝状真菌和放线菌丝状真菌和放线菌20、分批发酵的类型、分批发酵的类型 （按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化） 第一类型 第二类型 第三类型 （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）21第一类型（生长关联型）第一类型（生长关联型） n产物直接来源于产产
9、物直接来源于产能的初级代谢（自身能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），繁殖所必需的代谢），菌体生长与产物形成菌体生长与产物形成不分开。不分开。n例如单细胞蛋白和例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵葡萄糖酸的发酵：产物合成的比速率菌体）产物成比例（：生长关联型产物的形或QQPXdtdPPdtdPggx/22第二类型（部分生长关联型）第二类型（部分生长关联型） 产物也来源于能量产物也来源于能量代谢所消耗的基质，代谢所消耗的基质，但产物的形成在与初但产物的形成在与初级代谢分开的次级代级代谢分开的次级代谢中，出现两个峰，谢中，出现两个峰，菌体生长进入稳定期，菌体生长进入稳定期，出现产物形成高峰。出现产物形成
10、高峰。例如，柠檬酸和某例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。些氨基酸的发酵。XdtdPPdtdPQXX23第三类型（非生长关联型）第三类型（非生长关联型） n产物是在基质消耗产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌和菌体生长之后，菌体利用中间代谢反应体利用中间代谢反应来形成的，即产物的来形成的，即产物的形成和初级代谢是分形成和初级代谢是分开的。开的。n如抗生素发酵。如抗生素发酵。XdtdPPdtdPQX24产物形成与生长有关，产物形成与生长有关，如酒精、某些酶等。如酒精、某些酶等。）：比生长速率（）物的率（：菌体生长为基准的产）产物形成比速率（hYQYQggLhgxPPxPP1/:生长关联型生长关联型（
11、）25产物的形成速度与生产物的形成速度与生长无关，只与细胞积长无关，只与细胞积累量有关。如，抗生累量有关。如，抗生素。素。）：菌体浓度（）：产物合成速度（比例常数LgXhLgXdtdPdtdP/:非生长关联型非生长关联型 分批发酵中生长和产物形成的关系分批发酵中生长和产物形成的关系 27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：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长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期；
12、数生长期；如果产品是非生长关联型（如次级代谢产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，以提高足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。产量。 （）连续培养（）连续培养（ ） 指在一开放系统中，以一定的速度向发酵罐内连指在一开放系统中，以一定的速度向发酵罐内连续供给新鲜培养基，同时以相同速度将含有微生物续供给新鲜培养基，同时以相同速度将含有微生物和产物的培养液从发酵罐内放出，从而使发酵罐内和产物的培养液从发酵罐内放出，从而使发酵罐内液体量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长液体量维持恒定，使培养物
13、在近似恒定状态下生长和进行代谢活动的方法。和进行代谢活动的方法。 连续培养连续培养优点：优点：恒定状态可有效地延长分批培养中的对数期，达到稳恒定状态可有效地延长分批培养中的对数期，达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的。定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的。避免分批培养所需的清洗、投料、灭菌、接种、放罐避免分批培养所需的清洗、投料、灭菌、接种、放罐等各种操作，有利于提高生产率。等各种操作，有利于提高生产率。发酵产品质量稳定。发酵产品质量稳定。便于自动控制。便于自动控制。缺点：缺点：菌种在长时间培养中易变异，且容易染菌。菌种在长时间培养中易变异，且容易染菌。若操作不当，新加入的培养基
14、与原有的培养基不易完若操作不当，新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合。全混合。 （）补料分批培养（）补料分批培养（ ） 指在分批发酵中间歇地或连续地补加（流加）新鲜培养基的指在分批发酵中间歇地或连续地补加（流加）新鲜培养基的方法。方法。 （ ， ）优点：优点：.可避免一次投料过多，造成细胞大量生长，溶解氧不足，通气搅可避免一次投料过多，造成细胞大量生长，溶解氧不足，通气搅拌设备无法适应的弊病拌设备无法适应的弊病;. 能控制营养缺陷型菌所需营养物量，使之高效率积累产物；能控制营养缺陷型菌所需营养物量，使之高效率积累产物；. 有利于前体的补充有利于前体的补充; .可实现细胞的高密度培养可实现细
15、胞的高密度培养 . 便于优化培养。便于优化培养。 基质的消耗速度：基质的消耗速度：dsrdt dsdt X X发酵过程反应速度的描述基质的消耗比速：基质的消耗比速：()(、)单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）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，是生物反应中用于描述反应速度的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念的常用概念 （底物） （菌体） （产物）发酵过程动力学基本概念发酵过程动力学基本概念dsdt X X基质的消耗比速：基质的消耗比速：()菌体的生长比速：菌体的生长比速：dxdtX X产物的形成比速：产物的形成比速：dpdtX X()() （底物
16、） （菌体） （产物）第二节第二节 分批培养动力学分批培养动力学分批培养是一种非恒态的培养法。分批培养是一种非恒态的培养法。一、分批培养中细胞的生长动力学一、分批培养中细胞的生长动力学 细胞干重浓度细胞干重浓度() 时间时间() 比生长速率比生长速率()，即单位重量菌体，即单位重量菌体的瞬时增量的瞬时增量() XdtdX35对数期：对数期： 与微生物种类、培养温度、培养基成分及与微生物种类、培养温度、培养基成分及限制性基质浓度等因素有关。在对数生长阶限制性基质浓度等因素有关。在对数生长阶段，细胞的生长不受限制，因此比生长速率段，细胞的生长不受限制，因此比生长速率达到最大值达到最大值 经积分后经
17、积分后XdtdXmtmXXdtXdXt00tXXmt0lnttmeXX0 比生长速率的图解计算比生长速率的图解计算0lnlnXtXmttXXmt0ln几种不同微生物的几种不同微生物的值值 微生物倍增时间（微生物倍增时间（ ) mmdt693.02ln倍增时间：细胞浓度增长一倍所需的时间。倍增时间：细胞浓度增长一倍所需的时间。02 XXnt ：菌体的生长比速：菌体的生长比速 ：限制性基质浓度：限制性基质浓度 ：半饱和常数：半饱和常数: 最大比生长速度最大比生长速度限制性基质：就是指在培限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作微生物的生长起到限制作用
18、的营养物。用的营养物。减速期减速期:方程方程（适用于对（适用于对数期）数期）SKSsm 方程中的某些值方程中的某些值方程的参数求解(双倒数法)：将方程取倒数可得：111smmSKsmmSKS或： 这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比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方程的两个参数。生长速度，就可以通过回归分析计算出方程的两个参数。maxsKSS求求和和 。解：将方程变形：解：将方程变形： 以为横坐标，以为横坐标，为纵坐标，为纵坐标，得一条直线，由直线与得一条直线，由直线与轴和轴相交，分别求得：轴和轴相交，分别求得：()()SKmsm11143
19、计算举例 在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测得实验数据如下表。求：该条件下，大肠杆菌的最大比生长速率，半饱和常数。44先计算先计算 45做做 图图由由 ， 得：得： 46 用 与的数据做线性回归，得回归方程： 线性相关系数 由该回归方程计算得： 二、分批培养中基质消耗动力学二、分批培养中基质消耗动力学细胞得率系数：菌体的生长量相对于基质消耗细胞得率系数：菌体的生长量相对于基质消耗量的收得率。用量的收得率。用 表示。表示。相对于基质消耗的实际生长得率（相对于基质消耗的实际生长得率（ 或或) ) 干细胞的生长量（）干细胞的生长量（） 基质的消耗量（或）基质的消耗量（或）SXSSXXYSX00/平衡
20、期：平衡期： 产物得率系数：产物生成量相对于基质产物得率系数：产物生成量相对于基质消耗量的收得率。用消耗量的收得率。用 表示。表示。 相对于基质消耗的实际产物得率（相对于基质消耗的实际产物得率（ 或或) 产物生成量（或）产物生成量（或）SPSSPPYSP00/三、产物生成动力学三、产物生成动力学型：其培养过程中产物的生成与细胞的生长相关，型：其培养过程中产物的生成与细胞的生长相关，产物的生成产物的生成 速率为速率为型：产物生成与细胞生长部分相关，则其产物型：产物生成与细胞生长部分相关，则其产物的生成速率为的生成速率为 非生长关联的非生长关联的产物形成常数产物形成常数型：产物的生成与细胞生长不相
21、关联型：产物的生成与细胞生长不相关联 产物的生成速率原则上可写为：产物的生成速率原则上可写为： XYdtdXYdtdPXPXP/XdtdXYdtdPXP/XdtdP 第三节第三节 连续发酵动力学连续发酵动力学 单级恒化器示意图单级恒化器示意图 、进料和出料的细胞浓度进料和出料的细胞浓度（）（） 、比生长速率和比死比生长速率和比死亡速率（）亡速率（）培养基流速培养基流速() () 发酵罐内液体体积（）发酵罐内液体体积（）时间（）时间（）一、细胞的物料平衡一、细胞的物料平衡流入的细胞流入的细胞 流出的细胞流出的细胞 生长的细胞生长的细胞 死去的死去的细胞细胞 积累的细胞积累的细胞 假定进料液体是灭
22、菌的培养基，且假定进料液体是灭菌的培养基，且 ，则，则dtdXXXXVFXVF0dtdXXXVF稀释率：进入容器的培养基流量与容器内培养液的稀释率：进入容器的培养基流量与容器内培养液的体积的比值。体积的比值。代入上式代入上式在稳定状态时，在稳定状态时， （培养液中某一瞬间菌体浓度（培养液中某一瞬间菌体浓度的变化为零）的变化为零） 在稳定状态下，比生长速率等于稀释率。在稳定状态下，比生长速率等于稀释率。 连续培养的比生长速率可通过稀释速率来控制。连续培养的比生长速率可通过稀释速率来控制。 DXdtdX 连续培养的“自平衡能力”: 若，则, 所以降低，也随之下降，直至 为止，即建立新的平衡。同理，
23、若，则，系统内细胞浓度不断减少，营养物的消耗也减少，从而增大，随之上升，直至 。DXdtdXSKSsm 二、限制性营养物的物料衡算二、限制性营养物的物料衡算 流入的流入的 流出的流出的 用于菌体合用于菌体合 积累积累的的 营养物营养物 营养物营养物 成的营养物成的营养物 营营养物养物 、流入和流出的营养物浓度（）流入和流出的营养物浓度（） 细胞得率系数（营养）细胞得率系数（营养）在稳定状态下，底物增加速率在稳定状态下，底物增加速率 ，上式表现为：上式表现为： 又又 （）（） 此式即连续培养的稳定态方程。此式即连续培养的稳定态方程。dtdSYXSVFSVFSX/0XYSSDSX/0)( 三、细胞
24、浓度与稀释率的关系三、细胞浓度与稀释率的关系已知分批发酵时：已知分批发酵时：用于连续培养时，用于连续培养时， 由此得到稳定态时限制性营养物的浓度：由此得到稳定态时限制性营养物的浓度： （），（）， SKSsmSKSDsmDDKSmsDDKSYXmsSX0/临界稀释率临界稀释率 () () ：即恒化器所能达到的最大稀：即恒化器所能达到的最大稀释率。为使连续培养能在稳定状态下进行，释率。为使连续培养能在稳定状态下进行，最适稀释速度：对应于最高细胞产量的稀释速最适稀释速度：对应于最高细胞产量的稀释速度度 第四节第四节 补料分批发酵动力学补料分批发酵动力学 以单一补料分批培养为例，将发酵操作分成两个以
25、单一补料分批培养为例，将发酵操作分成两个阶段，即简单分批发酵的生长阶段和补料分批发酵阶段，即简单分批发酵的生长阶段和补料分批发酵的生产阶段。的生产阶段。一、生长阶段一、生长阶段 此阶段不补料，发酵液体积不变，一般情况下只此阶段不补料，发酵液体积不变，一般情况下只有菌体生长，忽略产物合成，由此得出动力学方程有菌体生长，忽略产物合成，由此得出动力学方程式：式： XSKSdtdXsm 二、生产阶段二、生产阶段 当时，开始以恒定的速度补加培养基当时，开始以恒定的速度补加培养基(因因为此时营养物基本耗完为此时营养物基本耗完)。 这时，稀释率这时，稀释率 ，事实上随着流加的进，事实上随着流加的进行，所有限
26、制性营养物都很快被消耗行，所有限制性营养物都很快被消耗（即流入的营养物与细胞消耗掉的营养（即流入的营养物与细胞消耗掉的营养物相等）。因此。物相等）。因此。 尽管随时间的延长，培养液中总菌体量尽管随时间的延长，培养液中总菌体量增加，但实际上细胞浓度保持不变，即，增加，但实际上细胞浓度保持不变，即，因而因而 。 这种这种, , 的状态，就称为的状态，就称为“准恒定状准恒定状态态”。 补料分批发酵的重要特征：补料分批发酵的重要特征：在准恒定状态下比生在准恒定状态下比生长速率与稀释率相等。长速率与稀释率相等。分析：分析：虽然存在虽然存在D，但与连续培养中恒定状态，但与连续培养中恒定状态下的下的D不同，在连续培养中不同，在连续培养中D是常数，而在补是常数，而在补料分批培养中，随着时间的延长，由于体积增加，料分批培养中，随着时间的延长，由于体积增加，即使补料速度不变，稀释率即使补料速度不变，稀释率D和比生长速率和比生长速率都在都在变化，并以相同速度降低，因此两种状态实际不变化，并以相同速度降低，因此两种状态实际不同。同。在补料分批培养过程中在补料分批培养过程中， FtVV0FtVFD0
