发酵与酿造工程学基础及主要设备.ppt

第二节 微生物发酵动力学,一、发酵动力学概论,1. 发酵动力学研究的内容 发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。 研究内容：包括了解发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产物生成速率的相互关系，环境因素对三者的影响，以及影响其反应速度的条件。,具体包括 细胞生长和死亡动力学 基质消耗动力学 氧消耗动力学 CO2生成动力学 产物合成和降解动力学 代谢热生成场动力学 以上各方面不是孤立的，而是既相互依赖又相互制约，构成错综复杂、丰富多彩的发酵动力学体系,2. 研究发酵动力学的目的,（1）以发酵动力学模型作为依据，合理设计的发酵过程，确定最佳发酵工艺条件 （2）利用电子计算机，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺参数，确立发酵过程中菌体浓度、基质浓度、温度、pH、溶氧等工艺参数的控制方案，从而使生产控制达到最优化， （3）在此研究基础上进行优选，为试验工厂数据的放大、为分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。,3. 相关术语,（1）得率(或产率，转化率，Y)： 是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。 生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重(g) 。 产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或mol数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质量。 转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。,(2) 比速率 基质比消耗率（mol/gh）系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的比率。表示细胞对营养物质利用的速率或效率。 菌体比生长率（mol/gh）系指每克菌体在一小时内增加菌体的比率。表示细胞的繁殖速率。 产物比消耗率（mol/gh）系指每克菌体在一小时内合成产物的比率，它表示细胞的生产能力或合成产物的速度，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。,(3) 发酵周期 实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。 工业生产周期，计算劳动生产率时则应把发酵罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间计算在内，以反映发酵设备的利用效率。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。,二、微生物发酵动力学,1. 微生物生长曲线 微生物生长包括细胞体积增大和细胞数量增加 典型单细胞微生物的生长曲线如下图,(1) 延滞期,把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的最初一段时间里，尽管微生物细胞的重量有所增加，但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞期。,(2) 对数生长期,对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间内其细胞数目将成倍增加。 而对于丝状微生物而言，单位时间内其生物量将加倍。 此时，如以细胞数目或生物量的对数对时间作一半对数图，将得一直线，因而这一时期称作指数生长期。,(3) 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。,(4) 衰亡期,在衰亡期，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。 这时，以生存细胞的数目的对数对时间作半对数图，可得一直线，这说明微生物细胞的死亡呈指数比率增加。 在发酵工业生产中在进入衰亡期之前应及时将发酵液放罐处理。,2. 微生物生长动力学,（1）Monod方程式 Monod方程式是应用最普遍的微生物生长方程式，其曲线、方程如下 比生产率，1/h m 最大比生产率，1/h Ks饱和常数，g/ L m S生长限制基质浓度，g/L m/2 Ks s,由图可知， 饱和常数Ks是比生长率达最大比生长率 m值一半时的生长限制基质浓度。 s ，理论上 m Monod方程式适用于条件 适用于单一基质限制及不存在抑制性物质的情况，其他营养是过量的，且没有抑制物的生成。,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，和Ks?,解：将数据整理：,S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221,max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L,（2） 细胞死亡动力学,微生物在培养过程中，由于基质的限制，部分细胞会发生死亡和自溶，其死亡曲线、方程如下 d d 细胞比死亡率，1/h dm d m 最大细胞比死亡率，1/h K d 细胞死亡常数，g/ L dm /2 K d s,三、发酵过程动力学模拟,1. 分批发酵 发酵工业中常见的分批方法是采用单罐深层培养法，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。 分批式操作将全部物料一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部发酵醪液一次放出操作类型。,特点： 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，易改变对策； 对原料组成要求较粗放,分批发酵整个发酵过程的x，n，p，s随发酵时间t的变化，其动力学模拟如下图,s - 基质曲线 x - 菌体曲线 p - 产物曲线 n - 氮源浓度曲线,2.分批补料发酵（也称流加式操作） 是先投入一定量底物装入罐内，到发酵过程的适当时期，开始连续补加碳-能源/氮源/其他基质，使发酵过程中，限制性底物浓度在罐内保持一定；发酵液体积达到最大工作体积时，终止发酵，醪液一次全部取出的发酵方法，介于分批发酵与相连续发酵之间的一种发酵技术，在发酵工业中普遍应用。 适用范围 分批补料发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。,优点： 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，以便除去快速利用碳源的阻遏效应； 避免培养基积累有毒代谢物； 能较长时间维持活菌体的浓度，延长生产时间； 改善发酵醪液的流体性质，降低粘度； 减缓供氧的矛盾，增加溶氧； 减轻设备负荷；,分批补料发酵过程生产阶段菌体浓度、生长限制基质浓度s、产物浓度、产率Rp （dp/dt）和发酵液的体积V随时间t的变化曲线,产物曲线,体积曲线,菌体曲线,基质曲线,产率曲线,t,S、x、V p、Rp,3.反复分批补料发酵 是在分批补料发酵的基础上，每个一定时间按比例放出一部分发酵液，是发酵液的体积始终不超过发酵罐的最大工作体积的发酵方法。 反复分批补料发酵理论上可以无限延长发酵周期，直到发酵产率明显下降，才最后将发酵液一次全部放出。这种操作既保留了补料分批发酵的优点，又避免了它的缺点，发酵工业很普遍。,反复分批补料发酵分为三个阶段： 简单分批操作的生长阶段； 补料分批的生长阶段； 反复补料分批的生长阶段。 前两个阶段的模拟与补料分批发酵完全一样，第三阶段是补料分批操作的不断重复。,反复分批补料发酵过程生产阶段菌体浓度、生长限制基质浓度s、产物浓度、产率Rp （dp/dt）和发酵液的体积V随时间t的变化曲线,产物曲线p,体积曲线v,菌体曲线x,基质曲线s,产率曲线Rp,t,S、x、V p、Rp,4. 连续发酵 连续发酵是一个开放系统，通过连续流加新鲜培养基的同时，以相同的速率排出发酵液；从而维持罐内的恒定的生长环境，保持微生物细胞稳定的生长状态，发酵参数变量（如营养物质浓度、产物浓度、pH值，以及微生物细胞的浓度、比生长速率）达到恒定值的发酵方法。 包括恒化器发酵和恒浊器发酵,优点 连续发酵生产过程比较稳定、均衡，各项参数也较恒定，品质量稳定。 连续发酵采用管道化和自动化生产，明显降低劳动强度。 连续发酵减少发酵设备的清洗、投料、消毒等辅助时间，提高了设备利用率和劳动生产率。 灭菌次