1、发酵动力学发酵动力学 一、分批发酵 分批发酵的操作最为简单，在培养基中接种后只需维持一定的温度，对于好氧培养过程则还需进行通气搅拌。向发酵罐内一次性投入发酵培养基和菌种，中间除了空气进行和尾气排出，与外部没有任何物料交换，放料后再重复投料、灭菌、接种和发酵等操作。采用分批发酵操作简单、周期短、染菌的机会减少，而且生产过程、产品质量容易控制。但分批发酵不利于测定其生长过程动力学，因使用复合培养基，底物限制或抑制问题非常复杂；对底物类型及初始浓度敏感的次级代谢物如一些抗生素等不适合采用分批发酵。1 1、微生物发酵过程动力学的描述、微生物发酵过程动力学的描述菌体生长速率菌体生长速率微生物进行发酵的反
2、应动力学描述常采用群微生物进行发酵的反应动力学描述常采用群体来表示。微生物群体的生长速率反映群体体来表示。微生物群体的生长速率反映群体生物量的生长速率。在液体培养基中的群体生物量的生长速率。在液体培养基中的群体生长，其生长速率指单位体积、单位时间里生长，其生长速率指单位体积、单位时间里生长的菌体量。生长的菌体量。基质消耗速率基质消耗速率产物的生成速率产物的生成速率 分批发酵是一种准封闭培养，其发酵过程属于典型的非稳态过程，随着发酵初期接入微生物细胞对培养环境的适应和生长，基质被逐渐消耗，代谢产物不断积累，整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。在分批发酵过程中，微生物生
3、长通常经历延滞期、对数生长期、减速期、稳定期（静止期）和衰亡期五个时期，如图 2 2、分批发酵的生长动力学、分批发酵的生长动力学 菌体浓度X延滞期 对数 生长期 衰减期 稳定期衰亡期 时间t 延滞期又称停滞期、调整期或适应期。指微生物接种到新鲜培养基中后一段时间内，菌体数目增加不明显的的一段时期。这是由于接种初期微生物细胞对生长环境有一个适应的过程，这个时期的长短取决于种子质量、菌龄、接种量等因素。如果接种物处于对数生长期，延迟期就短；同一菌种，接种量大延迟期则短。在延迟期微生物细胞浓度（或数量）的变化 0dtdX 对数生长期又称指数期。在这一阶段中，由于培养基中营养物质丰富，有害代谢物少，微
4、生物细胞的生长不受限制，因此细胞质量和数目均随时间呈指数增加。细胞生长速率与细胞浓度是一级动力学关系 XdtdX 在对数生长阶段，细胞的生长不受基质浓度限制，比生长速率达到最大值max并保持不变，max。对上式积分 txxdtXdX00得 细菌的倍增时间一般为0.25-1h，酵母约为1.15-2h，霉菌约为2-6.9h。tXX0lnmaxmax693.02lndt经过对数生长期细胞的大量繁殖，培养基中营养物质迅速消耗，有害物质逐渐积累，细胞的比生长速率逐渐下降，进入减速期。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S有如下关系（Monod方程）：SKsSmax 饱
5、和常数Ks的物理意义是Ks为比生长速率等最大比生长速率的一半时的底物浓度。v MonodMonod方程的参数求解方程的参数求解(双倒数法双倒数法)：将将MonodMonod方程取倒数可得：方程取倒数可得：SKs111maxmaxmaxmaxKsSS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?1)(55122maxSSiSSiSiSi94.491maxmaxSSKs693.02lnmaxdt0dtdxmaxxx 由于生长环境恶化，菌体繁殖越来越慢，
6、死亡数越来越多，菌体死亡的速率超过生长速率。在衰亡期，菌体形态显著改变，出现多形态的细胞衰退型，如菌体变长、肿胀或扭曲，有时菌体自溶难以辨认，新陈代谢活动趋于停滞等。大多数分批发酵在到达衰亡期前就要结束发酵，否则易引起目的代谢产物的大量分解，以及菌体自溶而使后提取困难并影响产品得率。3、分批培养的底物消耗动力学 得率系数 基质消耗动力学参数 基质消耗动力学 4、分批发酵的产物形成动力学 由于微生物细胞代谢所生成的产物种类繁多，细胞内生物合成的途径十分复杂，代谢调节机制各不相同。为了研究在工业发酵过程中如何提高代谢产物的产量，就必须首先确定目的代谢产物的合成与微生物细胞生长的动力学关系，再根据这
7、种动力学关系来初步确定发酵控制的基本策略和工艺优化对策。Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的动态关系，将其划分为生长相关型、生长部分相关型和非相关型三种情况。生长相关型生长相关型是指产物的生成与细胞的生长密切相关的动力学过程，产物的合成是微生物细胞主要能量代谢的直接结果。即产物是基质分解代谢产物或合成细胞生长必需的代谢产物，通常指微生物的分解代谢产物或更广泛意义的初级代谢产物，如乙醇、葡萄糖酸、乳酸等。其产物形成速率 dtdXYdtdPXP/生长部分相关型生长部分相关型指代谢产物是能量代谢的间接结果，不是底物直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的主流产物。如氨基酸、柠檬酸的发酵等。其
8、产物形成速率 XdtdXdtdPXdtdP二、补料分批发酵由于分批发酵中养分会很快耗竭，无法维持微生物继续生长和生产，因此工业发酵又发展了补料分批发酵技术（也称为流加发酵）和连续发酵技术。F,SFV,X,S,P,三、连续式发酵三、连续式发酵连续发酵又称开放式发酵，在发酵过程中以一定的速度连续地向发酵罐中补入新鲜的料液，同时以相近的流速从发酵罐中排出含有目的产物的发酵液，维持发酵液在发酵罐中的体积恒定。连续发酵达到稳态后，整个发酵过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。与分批发酵相比，连续发酵具有设备生产能力高、易于实现自动控制并使发酵过程最优化、产物合成期长、产量高、易于研究菌生长的动力学等优点。连续发酵的控制方式主要有两类：v一种为恒浊器法，即利用浊度仪来检测微生物细胞的浓度，并通过自控仪调节流入培养基或输出发酵液的量，以控制发酵液中菌体浓度达到恒定值；v另一种为恒化器法，它不直接控制菌体浓度，而是控制恒定输入的培养基中某一生长限制基质的浓度。常用的生长限制基质有作为碳源的葡萄糖、麦芽糖和乳糖，还有作为氮源的氨或氨基酸以及生长因子和无机盐等。F,SFV,X,S,P,F,S,X,PP1S1X1nFnSnXnF,SFXn-1,Sn-1,Pn-11 VV
