1、发酵过程的优化控制第一部分 绪论 一.发酵过程优化在生化工程中的地位 二.发酵过程优化的目标和研究内容 三.发酵过程优化的研究进展 四.流加发酵过程的优化控制一.发酵过程优化在生化工程中的地位 现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊化学品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用 如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下游处理)、较
2、高的底物转化率(降低原料成本)和较高的生产强度(缩短发酵周期)发酵过程优化的主要研究内容 第一个方面是细胞生长过程研究 第二个方面是微生物反应的化学计量 第三个方面是生物反应过程动力学的研究（主要研究生物反应速率及其影响因素）第四个方面的内容是生物反应器工程（包括生物反应器及参数的检测与控制）二.发酵过程优化的研究内容和目标发酵过程优化的目标 使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程的进行 发酵过程优化的基础是进行生物反应宏观动力学和生物反应器的研究如何实现发酵过程的优化控制？如何实
3、现发酵过程的优化控制？正交试验在培养基确定中的应用因素水平玉米粉（）A豆饼粉（）B蛋白胨（）CPH D10.540.55.021.050.65.531.560.76.0正交表因素水平 因素水平玉米粉（）A豆饼粉（）B蛋白胨（）CPH D10.540.55.021.050.65.531.560.76.0生物反应过程动力学动力学模型的建立发酵过程优化控制实现发酵过程优化控制的过程实现发酵过程优化控制的过程生物反应动力学的研究内容：是有关生物的、化学的与物理过程之间的相互作用，诸如生物反应器中发生的细胞生长、产物生成、传递过程等生物反应动力学研究的目的：是为描述细胞动态行为提供数学依据，以便进行数量
4、化处理 建立动力学模型的目的：是为了模拟实验过程，对适用性很强的动力学模型，还可以推测待测数据，进而确定最佳生产条件 发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立什么是非结构模型？什么是结构模型呢？非结构模型 把细胞视为单组分，则环境的变化对细胞组成的影响可被忽略，即细胞的生长处于所谓的平衡生长状态，此基础上建立的模型称为非结构模型 非结构模型是在实验研究的基础上，通过物料衡算建立起的经验或半经验关联模型结构模型 由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同，即细胞生长处于非均衡状态时，必须运用从生物反应机理出发推导得到的结构模型 在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型生物
5、反应器工程的研究内容 生物反应器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等 是影响微生物反应宏观动力学的重要因素细胞调节 过程操作 细胞环境 细胞形态 反应器特性生物反应器中复杂的相互关系三.发酵过程优化的研究进展 20世纪40年代初抗生素工业的兴起，标志着发酵工业进入了一个新阶段 40年代末一门反映生物和化工相交叉的学科生化工程诞生 1954年,Hasting指出,生化工程要解决的十大问题是深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害 1964年Aiba等人认为通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中放大是生化工程的焦点 20世纪6
6、0年代中期，建立了无菌操作的一整套技术 1973年Aiba等人进一步指出，在大规模研究方面，仅仅把重点放在无菌操作、通气搅拌等过程的物理现象解析和设备的开发上是不够的，应当进一步开展对微生物反应本质的研究 1979年，日本学者山根恒夫编著了生物反应工程一书，认为生物反应工程是一门以速度为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学 1985年，德国学者卡尔许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面的内容 一是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及反应器本身，特别是不同的反应器对生物化学和物理过程的影响目前一般认为生物反应工
7、程是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应过程优化和控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科生物反应工程的研究主要采用化学动力学、传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学原理，也涉及到生物化学、微生物学、微生物生理学和遗传学等许多学科领域，因此是一门综合性很强的边缘学科生化反应工程的核心是生物反应过程的数量化处理和动力学模型的建立，实现发酵过程优化则是生物反应工程的研究目标实现发酵过程的优化与控制，必须解决的五个问题:(1)系统动力学；(2)生物模型；(3)传感器技术；(4)适用于生物过程的最优化技术；(5)计算机检测系统发酵罐之间的接口技术(如神经网络、专家系统)1)
8、针对有关发酵产品的生产过程进行微生物生长和产物形成的动力学研究，提出新的或修正的动力学模型或表达式；2)结合现代生物技术产品的开发，进行基因工程菌、哺乳动物细胞或植物细胞的生长动力学和产物形成动力学的研究；3)在动力学研究的基础上进行过程优化控制的研究，包括状态观察方程的建立、观察数据的噪声过滤、不可测参数及状态的识别、过程离线或在线的优化控制。其中尤以流加发酵的最优化研究报道居多有关运用生物反应工程原理进行发酵过程优化控制的研究四.流加发酵 所谓流加发酵，即补料分批发酵(Fed-batch fermentation)，有时又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批发酵过程中间歇或连续地补加新鲜培
9、养基的发酵方法优点缺点分批发酵1.一般投资较小1.因放罐、灭菌等原因，非生产时间长2.易转产、生产灵活2.经常灭菌会降低仪器寿命3.分批操作中某一阶段可获得高的转化率3.前培养和种子的花费大4.发酵周期短，菌种退化率小4.需较多的操作人员或较多的自动控制系统连续发酵1.可实现有规律的机械、自动化1.操作不灵活2.操作人员少2.因操作条件不易改变，原料质量必须稳定3.反应器体积小、非生产时间少3.若采用连续灭菌，加上控制系统和自动化设备，投资较大4.产品质量稳定4.必须不断地排除一些非溶性的固型物5.操作人员接触毒害物质的可能性小5.易染菌，菌种易退化6.测量仪器使用寿命长流加发酵1.操作灵活1
10、.非生产时间长2.染菌、退化的几率小2.需较多的操作人员或计算机控制系统3.可获得高的转化率3.操作人员接触一些病原菌和有毒产品的可能性大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分批、连续、流加操作方式的比较流加发酵的研究进展 在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加 1973年日本学者Yoshida等人首次提出了“Fed-Batch Fermentation”这个术语，并从理论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究才开始进入理论研究阶段流加发酵所取得的三个方面的重大进展 20世纪70年代中后期对流
11、加发酵过程的动力学解析 结合发酵过程的可测参数对流加过程进行反馈控制（如DO法、CO2法、RQ(呼吸商)法、pH法、代谢物法、萤光法等）流加发酵的最优化研究 流加发酵最优化研究的核心问题是找出最佳的底物流加方式，以维持发酵过程始终处于最佳状态 流加发酵最优化的研究内容包括：（1）状态方程的建立 （2）目标泛函的确定 （3）最优化底物流加方式的求解流加发酵的物料衡算式可以表达为：XVdtXVd)(FSXVdtSVdF)(XVdtPVd)(FdtdV流加发酵的最优化理论有：格林原理、庞特里金最小值(最大值)原理等V：发酵液体积 X：发酵液中菌体浓度S：限制性底物浓度SF：新鲜培养基中的限制性底物浓
12、度F：流加速度 菌体：限制性底物：产物：发酵液体积：P：产物浓度 在采用流加发酵技术之前要考虑的两个在采用流加发酵技术之前要考虑的两个问题问题一、何时采用流加发酵方式？一、何时采用流加发酵方式？二、如何进行底物的流加？二、如何进行底物的流加？一、何时采用流加发酵方式？一、何时采用流加发酵方式？所用底物在高浓度时对菌体生长有抑制所用底物在高浓度时对菌体生长有抑制作用作用 高菌体浓度培养即高密度培养系统高菌体浓度培养即高密度培养系统 非生长耦联性次级代谢产物非生长耦联性次级代谢产物(如产物的合如产物的合成需要某些营养物质或前体成需要某些营养物质或前体)利用营养突变体的系统利用营养突变体的系统(过量
13、加入营养物只能使菌体过量加入营养物只能使菌体迅速生长，而目的代谢产物的产量会减少。而当营养物严重缺乏迅速生长，而目的代谢产物的产量会减少。而当营养物严重缺乏时，菌体生长受抑制，代谢产物的产量也会减小时，菌体生长受抑制，代谢产物的产量也会减小 )营养缺陷型菌株的培养营养缺陷型菌株的培养二、如何进行流加发酵操作？二、如何进行流加发酵操作？1.流加发酵类型流加发酵类型2.采用流加发酵应该解决的关键问题？采用流加发酵应该解决的关键问题？3.流加发酵过程中某些重要参数的确定流加发酵过程中某些重要参数的确定4.合适的流加发酵类型的确定合适的流加发酵类型的确定5.流加方式的应用流加方式的应用1.流加发酵类型
14、流加发酵类型流加发酵的分类流加发酵的分类类别类别流流 加加 方方 式式无 反 馈 控无 反 馈 控制制反馈控制反馈控制恒流量流加、变流量流加和间歇流加恒流量流加、变流量流加和间歇流加直接控制流加、间接控制流加直接控制流加、间接控制流加定值控制流加、程序控制流加、最优控制流定值控制流加、程序控制流加、最优控制流加加 2.采用流加发酵应该解决的关键问题采用流加发酵应该解决的关键问题(1)流加什么物质？流加什么物质？补充微生物能源和碳源，如在发酵液中添加补充微生物能源和碳源，如在发酵液中添加葡萄糖、葡萄糖、饴糖、液化淀粉。作为消泡剂的天然油饴糖、液化淀粉。作为消泡剂的天然油脂，有时也能同时起到补充碳
15、源的作用脂，有时也能同时起到补充碳源的作用 补充菌体所需要的氮源，有机氮或氨水补充菌体所需要的氮源，有机氮或氨水 加入某些微生物生长或合成需要的微量加入某些微生物生长或合成需要的微量元素或无机盐元素或无机盐 加入酶合成诱导物或前体物质加入酶合成诱导物或前体物质(2)如何流加？如何流加？a.底物流加速率底物流加速率 b.流加开始时间及总流加时间流加开始时间及总流加时间 c.需控制的底物浓度需控制的底物浓度3.流加发酵过程中某些重要参数的确定流加发酵过程中某些重要参数的确定a.最佳底物浓度的确定最佳底物浓度的确定 (包括菌体生长阶段和产物合成阶段包括菌体生长阶段和产物合成阶段)b.底物的消耗速率底
16、物的消耗速率c.菌体比生长速率菌体比生长速率()d.菌体对底物的产率系数菌体对底物的产率系数(Yx/s)及产物对底物的产率系数及产物对底物的产率系数(Yp/s)4.合适的流加发酵类型的确定合适的流加发酵类型的确定a.恒速流加恒速流加(包括单一速率和分阶段恒速流加包括单一速率和分阶段恒速流加)b.指数速率流加指数速率流加c.底物在线测定后的反馈流加底物在线测定后的反馈流加(如葡萄糖反馈流加如葡萄糖反馈流加)d.pH-state.DO-stat5.流加方式的应用流加方式的应用(1)恒速流加恒速流加采用恒流速流加培养时，可得到如下的物料平衡方程式：细胞平衡：碳平衡：产物平衡：体积平衡：xVrdtVX
17、d)(0)(FSVrdtVSdspdVPVrdtdVFdtV：发酵液体积 X：发酵液中菌体浓度S：限制性底物浓度SF：新鲜培养基中的限制性底物浓度F：流加速度 P：产物浓度 恒流速流加过程中的流量F的确定：(a)预试验中所得出的流加时刻菌体对所流加基质的消耗速率(b)发酵液中残留基质浓度(c)流加后需要控制的发酵液中的基质浓度(2)(2)指数速率流加指数速率流加在菌体生长阶段采用指数速率流加法的几点假设如下：(a)发酵罐内为理想混合；(b)葡萄糖为唯一限制性碳源；(c)残留菌体对葡萄糖的产率系数(YX/s)为常数；(d)菌体生长遵循Monod方程。对底物葡萄糖进行衡算，则：F为体积流加速率(L
18、/h)，S0为流加液中基质浓度(g/L)，Yx/s为菌体对底物的产率系数(g/g)，ms为细胞比维持系数(g/g/h)，X为菌体浓度(g/L)，V为培养液体积(L)，为菌体比生长速率(h-1)。VXmYFSdtVSdssx)()(/0XVmYSFdtdVSdtdSVcx)(/0对菌体量的变化进行物料衡算，则：XVdtXVd)(假定为常数，则上式积分可得：)(FttFFeVXXV 由于生长符合由于生长符合MonodMonod方程方程是是S S的函数，要使的函数，要使恒定，恒定，S S必须恒定，必须恒定，则有：则有：SKSsm0dtdS)(/0)()(1FttFFssxeVXmYSSF其中tF为开
19、始指数速率流加的时间，ttF，XF和VF分别为tF时刻的菌体浓度和发酵液体积 指数速率流加的速率指数速率流加的速率F的表达式的表达式为为:指数速率流加方式在实际过程中的注意指数速率流加方式在实际过程中的注意事项：事项：(1)方程中各参数要预先求知方程中各参数要预先求知(2)应用时流加速率应用时流加速率F可采用阶梯递增方可采用阶梯递增方式进行设定式进行设定高生产率和高细胞密度发酵1.细胞生长环境的优化策略(1)培养基组成的优化(2)特殊营养物的添加(3)限制代谢副产物的积累2.培养模式(1)所培养细胞的具体代谢行为(2)利用抑制性底物合成目的产物的潜力(3)诱导条件以及测量细胞培养各项参数的能力
20、3.诱导策略4.细胞循环发酵(应用限制：作用于进入过滤单元的细胞的剪应力太大；系统的放大存在许多实际困难)第二部分第二部分 分批与连续分批与连续发酵过程优化原理发酵过程优化原理一一.发酵过程优化的微生物反应原理发酵过程优化的微生物反应原理二二.发酵过程数量化方法发酵过程数量化方法 三三.微生物反应动力学微生物反应动力学 四四.微生物反应优化的一般原理微生物反应优化的一般原理 一一.发酵过程优化的微生物反应原理发酵过程优化的微生物反应原理 1.大肠杆菌生长过程中观察到下列现象(1)在大肠杆菌快速生长期间，生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基中，结构单元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子
21、的速率一致(2)大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化(3)一旦生长培养基中的结构单元足够，细胞就不再合成这些物质(4)特定的代谢途径代谢特定的底物，只有底物存在时，细胞才合成相应的酶(5)若两个不同的底物同时存在于培养基中，细胞先合成能在一种底物上以较高比生长速率生长的酶系，当这种底物消耗完毕，再合成利用另一底物的酶。2.细胞生长过程可分为三个步骤：细胞生长过程可分为三个步骤：(1)底物传递进入细胞(2)通过胞内反应，将底物转变为细胞质和代谢产物(3)代谢产物排泄进入非生物相，即胞外培养基3.3.底物、代谢产物和细胞质成分的定义为：底物、代谢产物和细胞质成分的定义为：底物是一种存在于初始
22、非生物相或者摄入物中起作用的可交换的化合物 代谢产物是一种作为代谢物产生于某代谢途径进入非生物相的化合物 细胞质成分是一种细胞利用底物产生的不可交换的化合物二.发酵过程数量化方法 发酵过程的数量化处理包括：1.发酵过程的速度 2.化学计量学和热力学 3.生产率、转化率和产率 只有当变量可测量时，才有可能对发酵过程进行数量化处理1.发酵过程的速度变量动力学参数物质传递热传递反应速度定义式dtdcrii包括Hvcposxrrrrrr,dtdcniidtdHqv单位gL-1h-1gL-1h-1kJL-1h-1比反应速率定义式xdtdci1包括Hvcposqqqqq,单位h-1速度常数定义式niicr
23、k)(包括dprkkk,21,LLTrkkkgCOskkk,2Hvk发酵过程的速度概念发酵过程常规的参数及其测量符号参数测量方法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、热平衡菌体生长速度为菌体生长速度为 dtdsrsdtdxrx 氧和底物利用速度为氧和底物利用速度为 dtdroo P、C和和HV生成速度为生成速度为:dtdprpdtdcrcdtdHvrHv细胞生长的比速率为：dtdxx1 底物消耗的比速率为qs 产物形成的比速率为qp：dtdsxqs1dtdpxqp1dtdox
24、qo1 氧消耗的比速率为qo：二氧化碳生成的比速率 为qc：发酵热生成的比速率：dtdcxqc1dtdHxqVHV12.化学计量学 化学计量方程 表示通用化了的碳源 根据元素分析得出的细胞组成 表示产物vHvWCPXNOdcbaSHOHCONOHCNOHCNHONOHC)()()()()()()(2232dcbaNOHCNOHCNOHC 3.产率系数(1)宏观产率系数 宏观产率系数(或称得率系数)Yi/j是化学计量学中一种非常重要的参数，常用于对碳源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价，其中i表示菌体或产物，j表示底物 例如，菌体对底物的产率系数可表示为：dsdxrrdtdsdtdxSSXXSX
25、Ysxttsx/00/生物反应过程中宏观产率系数的定义总览产率系数组分间的反应或关系定义YX/SSXYX/S=-rX/rSYX/OO2XYX/O=-rX/rOYP/SSPYP/S=-rP/rSYC/SSCO2YC/S=-rC/rSYP/OO2PYP/O=-rP/rOYHv/SSHvYHv/S=-rHv/rsYC/OO2CO2YC/O=-rC/rOYHv/OO2HvYHv/O=-rHv/rO有时，以摩尔为单位表示产率系数更有利：相似的概念可用于表达重要的常数：值在实践中对推导元素平衡方程很重要，对与氧化磷酸化有关的理论问题也有重要意义形成的摩尔数细胞形成的碳摩尔数ATPYCATP氧消耗的摩尔数细
26、胞形成的碳摩尔数COYCOY底物消耗的摩尔数细胞形成的碳摩尔数CSY(2)理论代谢产物产率假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可达理论最高值，称为理论代谢产物产率（a）根据化学计量关系计算例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化学计量方程为 依此计算，=147/180=0.82 此处没有考虑反应过程中NADH及ATP等辅助底物的生成和消耗theorSPY/OHCONOHCONHOHC2249523612635.1（b）由生物化学计量关系计算根据由底物生成目标代谢产物的代谢途径，进行代谢过程中有关NAD(P)+和ATP等辅底物的物料衡算，结合化学计量关系可求出上式：由该反应式得=(14713)
27、/(12180)=0.75此处-酮戊二酸的氨基化还原反应中所需要的NADPH由异柠檬酸脱氢反应供给!！用生化计量式时,必须清楚有关的代谢途径OHCONOHCONHOHC22495236126272321213(c)实际发酵过程中的产率系数 在实际发酵中，产率是变化的，产率取决于下列因素：Y=f(菌株、底物、m、；、tm、OTR、C/N，P/O)式中m为混合度，S为底物浓度，为平均滞留时间，tm为混合时间，OTR为氧传递速度，C/N为碳氮比，P/O为磷氧比t微生物反应动力学模型的分类模型类型着眼点说明概率论模型微生物个体必须考虑每个细胞的差异，以说明某一特定现象；或用以说明平均值附近的波动情况决
28、定论模型微生物群体不考虑每个细胞的差异，而是取菌体性质及数量的平均值进行数学处理均相模型微生物群体是一种认为菌体均匀分散于培养液中，可作为均相处理的决定论模型。生物相分离模型微生物群体是将菌体作为与培养液(连续相)分离的生物相处理所建立的决定论模型。这种模型需要说明培养液与菌体间的物质传递及分配效应。在高菌体浓度时，考虑微生物所占的体积分率，以及解析废水生物处理过程中洒水滤床和旋转圆盘的微生物膜，都是利用生物相分离模型。结构模型微生物群体考虑菌体组成的变化，将活菌体和死菌体分别处理从而建立的模型。在单一菌体的结构模型中，将整个菌体分为两种或两种以上成分，并认为代谢过程是各种成分共同作用的结果。
29、均相模型和生物相分离模型都可分别构成结构模型非结构模型微生物群体与结构模型的主要区别在于它不考虑细胞组成的变化。若起始菌量为 x0（接种量），经过时间 t后的总菌量为 x，则：txtxxxxxxx 1:1111020000000单位时间单位时间第第第二单位时间：第二单位时间：第一单位时间：第一单位时间：起始：起始：（一）分批发酵细胞生长动力学模型实际上菌体的生长是连续的过程，上面是经过个别单位时间跳跃式发生的，因此，为接近实际，常将时间分得很短，按1/m单位时间来看，此时，t单位时间内获得的总菌数为：mttmmxtm1;10当m愈大，问题就越接近实际，因此ttmmtmmexmxmxx 0001
30、1lim1lim000lnlnlnxxttxxexxt 两边取对数：两边取对数：即：即：当 x 2 x0 时，即细胞通过分裂繁殖一代，数量增加一倍所用的时间叫世代时间或倍增时间，用 td 表示。则：ndxxt2;2ln0 该式即是微生物在对数生长期的增殖模式。1949年，莫诺发现细菌的比生长速率与单一限制性基质之间存在一定关系莫诺建立了被称为莫诺方程的经验公式：SKSS max 该式中 max 称为最大比生长速率，是在 SKS，且其他成分保持不变的情况下取得的。S 是限制性底物浓度。由该式可知，当1/2max 时，有KS=S，所以，莫诺常数（或称饱和常数）KS 代表当微生物的生长速率等于最大比
31、生长速率的一半时的底物浓度；KS 表示微生物对底物的亲和力。当 S 时，m，说明 m只是理论上的最大生长潜力，实际上是不可能达到的。实际上，莫诺方程是在如下假设基础上建立起来的：1）菌体生长为均衡型非结构式生长，因此，细胞成分只需要一个参数即菌体浓度表示即可。2）培养基中只有一种底物是生长限制性底物，其他营养成分不影响微生物生长。3）将微生物生长视为简单反应，并假设菌体得率为常数，没有动态滞后。莫诺方程与米氏方程形式相同，但微生物生长是细胞群体生命活动得综合表现，机理非常复杂。方程中的常数m 和 KS 可用数理统计方法，通过试验求得，也可用试验数据作图求得。Monod方程应满足(1)菌体生长为
32、均衡型非结构生长；(2)培养基中只有一种底物是生长限制性底物；(3)菌体产率系数恒定2.细胞生长稳定期和延迟期的Monod型动力学(1)延迟期动力学模型的建立(2)生长稳定期动力学模型的建立式中和是经验常数，取=max和=xmax，)1(),(/maxLttsesKsts)1(xxrx3.微生物死亡期和内源代谢(1)微生物死亡期的动力学模型 Kd为比死亡速率(h-1)对应于由底物生成菌体的一级反应速率为(2)内源代谢的动力学模型 或：ms为细胞的维持系数(s-1)，Y*X/S为最大细胞产率dtdxxkd1xkrdx)(XmXYrsSXs*/1sSXsmYq*/14.底物和产物抑制的动力学模型(
33、1)底物抑制动力学(Andrew底物抑制模型)式中KIS是底物抑制常数(2)产物抑制动力学（Hinshelwood模型）式中，P为产物浓度，k为动力学常数 或：式中KIP为产物抑制常数ISSKSSK/11max)1(maxPkSKSSPKKSKSIPIPSmax5.无抑制作用的细胞生长动力学温度和pH恒定时，对于某一特定培养基组分的浓度s，Monod方程为式中:max称为最大比生长速率(h-1)，Ks称为半饱和 常数(g/L)底物消耗速率方程对应为SKSsmaxSKSqqsssmax,（二）微生物产物形成动力学模型Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的关系，将产物形成区分为三种类型类型
34、也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳酸）类型也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）类型也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生素、多糖）XYrYrXPXXPP/XPPYq/XrrXPPqXrPPq产物形成的比速率为qp细胞生长的比速率为：=xmax上述三种类型外还有一种模型是qP与负偶联的模型，例如黑曲霉生产黑色素，其qP与的关系可表示为：当考虑到产物可能存在分解时：式中，kd为产物分解常数XPPPYqq/max,PkXrrdXP2.分批微生物反应过程的优化最优化的目标函数：产量、生产率、纯利润等，有时也对这些指标的其中二个以上进行多目标函数优化最优化的操作变量：反应时间、培养基组成、温度、pH、溶氧等*
35、培养基组成的优化 预先设定XT为最大菌体浓度，则由可得到底物Si的初始浓度为)(10/0,XXYSTSXii分批发酵中，微生物处于连续变化的环境中，基质不断消耗，产物不断积累，环境条件不断变化，菌体不能长期处于旺盛的发酵期，发酵设备利用率低，单位体积时间的产物量也较少。连续发酵中，微生物的生长代谢活动保持旺盛的稳定状态，而 pH、营养成分、溶解氧等都保持恒定，并从系统外部予以调控。这样就大大提高了设备利用率。与分批发酵相比较，连续发酵具有单位产量的反应器容积小，人工费用低，产品质量稳定及发应速率容易控制的优点。尽管连续发酵具有上述优点，但是在实际发酵工业中，连续发酵还未能全部代替传统的间歇发酵
36、。这是由于在连续发酵试验和生产中，遇到了在长期连续发酵过程中，微生物的突变和杂菌污染的问题，欲保持长期的无菌状态，在技术上尚有一定的困难。此外，发酵液在连续流动过程中的不均匀性和丝状菌在管道中流动的困难，以及对微生物动态方面的活动规律还缺乏足够的认识。目前还不能根据连续发酵的理论完全来控制和指导生产。虽然如此，连续发酵的优越性依旧不可忽视，特别是在连续发酵稳定状态条件下，根据微生物生长和代谢之间某些数学关系来采用它作为过程运转和控制的基础，从而来选定过程控制的参数。运用目前连续发酵的基本理论，人们可以人为地来控制微生物的定向培养，进而来研究微生物的生理及代谢作用。这些均是控制发酵过程中极为重要
37、的问题。一、单级恒化器及其操作特征一、单级恒化器及其操作特征所谓恒化器，是指具有恒定化学环境的反应器，恒化指明了操作的稳定状态特征。恒化器的基本操作模式如下图。物料连续地以体积流量 F 流入反应器,并以同样流量流出去。流入物流中基质浓度为S0,菌浓度为x0。x0一般为 0,反应器内有很好的混合,即备点浓度一样。恒化器的操作特点是其流出物流的浓度与反应器内相同，而且加入的物流一进入反应器立即与反应器内物料均匀混合。下面来分析一下恒化器的设计方程及操作中的定量关系。对于菌体：积累的细胞（进入-流出）的细胞+（生长-死亡）的细胞从前面给出的物料衡算关系可以作出菌体的平衡关系：xVxxFdtdxV 0
38、即：即：若流入反应器的菌体浓度 x0 为零；培养液体积不变；xVFdtdxV 所以，F/V 实际上是表示单位体积培养液的流率，用稀释率 D 来描述，表示反应器中物料更新程度，是连续培养中的一个重要的参数;稀释速率的倒数就是物料在反应器中的平均停留时间。xDdtdxVFD :于是于是开始连续培养一段时间(大约是平均停留时间的3-5倍)以后，微生物反应过程进入稳态，培养液中的细胞、基质和产物浓度恒定，不再随培养时间变化，这就是恒化培养。达到稳态时：对于恒化器而言，因菌体浓度处于恒定状态，所以：Ddtdx 即：即：0这表明，在一定范围内，人为地调节培养基的流加速度，可以使细胞按照所希望的比生长速率来
39、生长。对于限制性底物：积累底物（流进-流出）-（生长+产物+维持）所消耗的底物 xmdtdpYdtdxYVssFdtdsVsspsx11:0即即 xmYrYssDdtdsssppsx 0:或或产物形成量很小，可以忽略，这样，在恒定状态下 ssYxDYxssDdtdssxsx 00,:0 因为因为即即sxsYxm :通常通常对于产物形成过程中的平衡：积累的产物（生成-流出）的产物pDxYdtdpdtdpxdtdxxdxdppFdtdpVdtdpVxp 所以，上式变为：所以，上式变为：因为：因为：即：即：生成生成1同样道理，在恒定条件下：0:0 pDxYdtdpxp 即即连续培养中，变量很多，如x
40、、s、D及等，但这些变量中D是最基本的变量，这不仅因为D可以通过加料量F而任意调节，更重要的D一旦变化，就会引起x、s、等一系列变化，直至达到新的稳定状态。上面的几个平衡式即是单级恒化器在达到平衡时的基本特征，式中均涉及到稀释率。稀释率与细胞浓度、营养物质浓度之间存在相互关系的关系。如果D增加，开始x呈线性慢慢下降，然后，当Dmax时，x下降到0；开始时，s随D的增加而缓慢增加，当Dmax时，ss0；x0表示反应器中的菌体通过稀释被“清洗出罐”，此时的稀释率定义为临界稀释率Dc：当流速低，即 D 较小时，营养物质全部被细胞利用，s 0，细胞浓度 x=s0Yx/s；XSDXD(1/h)X，DX（
41、g/L）S（g/L）DX1234500246810maxD0；x达最大值,s最小。D增大，s增大，x减少，直至最后x=0XSDXD(1/h)X，DX（g/L）S（g/L）DX1234500246810max清洗点：D max 时，s迅速增大到S0，x迅速下降到0。max000max,csscDsKsKsD故，有：故，有：通常：通常：可见，单级恒化器连续培养菌体的稳态操作必须有DDc；如果DDcrit，反应器中的菌体终将被冲出；如果D只稍微低于Dc，那么整个系统对外界环境的变化是非常敏感的，随D的微小变化，x将发生巨大的变化。DDksYDxDPmssxt 0/0 tP令令000/DDksDDDk
42、sYPmsmssxt 如果连续培养是以菌体为目的产物，那么菌体生长速率希望取得最大值，dx/dt称为连续生产菌体的生产强度Pt 0maxmax1skkDss ks乳酸乳酸丙酸丙酸乙酸乙酸重重干干胞胞细细A+t t/h/h度度浓浓酸酸Bt t/h/h发酵过程中细胞干重()、PHA()和 NH4+浓度()的变化发酵过程中乙酸()、丙酸()、乳酸()和丁酸()浓度的变化3.有机废水生产PHAs的机理研究 (1)废水中大分子物质转化为小分子有机酸 厌氧微生物己糖降解最重要的代谢途径是EMP和HMP途径，先生成丙酮酸，然后形成挥发性有机酸、乳酸等。控制不同酸化条件，可以使不同的有机酸成为主要酸化产物。代
43、谢方程分别为C6H12O6+4H2O2CH3COO-+2HCO3-+4H+4H2C6H12O6+2H2 2CH3CH2COO-+2H2O+2H+C6H12O6+2H2O CH3CH2CH2COO-+2HCO3-+3H+2H2C6H12O6 2CH3CHOHCOO-+2H+(2)有机酸合成PHAs的代谢途径 R.eutropha 利用小分子有机酸合成的PHAs主要为聚羟基丁酸(PHB)、羟基丁酸和羟基戊酸的共聚物(PHBV)以乙酸、丙酸、乳酸和丁酸为碳源时PHAs的合成途径:2.3-酮硫解酶4.PHB合成酶3.乙酰乙酰CoA还原酶1.硫激酶乙酰CoA乙酰乙酰CoA3-羟基丁酰CoACoASHNA
44、DPHNADPCoASHPHBCoASH乙酸1234丙酸丙酰CoA3-酮戊酰CoA3-羟基戊酰CoA乙酰CoA乙酰乙酰CoA3-羟基丁酰CoAPHBVCO2CoASH1.硫激酶2.-酮硫解酶3.乙酰乙酰CoA还原酶4.脱羧酶系5.PHBV合成酶1245NADNADH3NADNADH3CoASHCoASH2NADNADH乳酸丙酮酸乙酰乙酰CoACoASHNADH乙酰CoACO21.脱氢酶5.PHB合成酶2.丙酮酸脱氢酶复合体4.乙酰乙酰CoA还原酶3.-酮硫解酶3-羟基丁酰CoAPHBCoASHNADPHNADP12345NAD丁酸丁酰CoA2-烯丁酰CoAATPAMP+2PiCoASHFAD2
45、FADHH O21.硫激酶2.脱氢酶3.水化酶4.聚合酶H O23-羟基-丁酰CoA(D-型)PHBCoASH3-羟基丁酰CoA(L-型)3-酮-丁酰CoANADNADH1234(3)不同有机酸对PHAs的产率与理论产率的比较不同有机酸对PHAs的产率与理论产率的比较一步法碳源NADPH 再生PHAsYp ctheor/()/gg-1Yp c/Ycell c/两步法Yp c/乙酸异柠檬酸PHB0.480.120.240.27丙酸异柠檬酸PHBV0.580.680.180.190.32乳酸不需要PHB0.480.190.160.33丁酸异柠檬酸PHB0.650.320.140.41 在一步发酵法
46、中，由于所消耗的有机酸有一部分用于合成细胞的合成，因而四种有机酸对PHAs的实际产率均小于两步法，但它们对PHAs和细胞的产率之和却大于两步法的产率(4)产酸相产物分布及其影响因子的研究(a)HRT对酸化产物分布的影响度浓酸机有丙酸乳酸丁酸乙酸HRT对酸化产物分布的影响(b)不同pH条件下UASB反应器出水产物分布pH度度浓浓量量质质酸酸水水出出UASB 反应器中 pH 值对出水酸分布的影响 丁酸 乙酸 丙酸 乳酸4.不同初始酸浓度对PHAs发酵过程的影响t不同初始酸浓度对细胞干重的影响初始酸浓度 5 g/L；10 g/L；15 g/L；20 g/L；25g/L当硫酸铵浓度为1.5g/L时，初
47、始酸浓度在20g/L左右较佳tacetic acidtbutyric acidpropionic acid乙酸、丁酸和丙酸浓度与发酵时间的关系初始酸浓度 5 g/L；10 g/L；15 g/L；20 g/L；25g/L丁酸消耗速率大大超过乙酸和丙酸的消耗速率,当初始酸浓度为5、10、15、20和25 g/L时，最终发酵液中残留的丁酸浓度为 0、0.01、0.16、0.58和3.81g/L PHAs浓度的变化 残留细胞量随时间的变化初始酸浓度:5 g/L;10 g/L;15 g/L;20 g/L;25g/Lt5.PHAs分批发酵动力学(1)细胞生长动力学)6.34/(1(15.1/21.087.
48、0NCNCNCssssssC/N 对细胞生长速率的影响为实验值，曲线代表模型计算值(2)PHAs形成模型RRxdtdxdtdp057.096.0t/hPHAs 积累与模型计算值的比较为实验值，曲线代表模型计算值6.以有机废水酸化产物为底物进行PHAs流加发酵（1）流加发酵过程曲线 将UASB出水中的总有机酸浓度浓缩至150 g/L左右，进行PHAs生产的流加发酵，发酵结果见图t/h度度浓浓量量质质的的质质物物各各流加发酵过程中 DCW、PHAs、NH4+、有机酸的浓度变化 DCW；PHA；丁酸；乙酸；丙酸；NH4+(2)酸化废水发酵过程中丁酸对PHAs的产率的变化酸丁发酵时间酸丁发酵时间分批发酵过程中丁酸对 PHAs 的产率变化流加发酵过程中丁酸对 PHAs 的产率变化
