发酵动力学-生物工程

1,生命科学技术系发酵工程教研室李端,XinxiangMedicalUniversity,发酵工艺学原理PrinciplesofFermentationTechnology,2,第九章发酵过程动力学,概论质量与能量平衡微生物生长与产物合成动力学发酵过程动力学模拟与优化,学习目标1.掌握发酵动力学中的基本概念、基本公式及重要公式的推导。2.掌握微生物生长动力学方程式、产物合成动力学基本模型。3.掌握简单分批发酵、补料分批发酵的动力学模拟。4.熟悉发酵动力学研究中的质量守恒与能量守恒；熟悉补料分批发酵过程的优化。5.了解动力学参数的确定。,4,第一节概论,发酵动力学研究的内容研究发酵动力学的方法发酵动力学与过程优化控制发酵动力学研究的意义,5,发酵动力学是研究各种发酵过程变量在活细胞作用下的变化规律，以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响。以化学热力学（研究反应的方向）和化学动力学（研究反应的速度）为基础，对发酵过程中各种物质的变化进行描述。,一、发酵动力学研究的内容,6,研究内容,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,代谢热生成动力学,7,二、研究发酵动力学的方法,发酵动力学研究的前提,反应器内的搅拌系统能保证理想的混合；温度、pH等环境条件能够控制以保持稳定；细胞有固有的化学组成，不随发酵时间和某些发酵条件的变化而发生明显变化；各种描述发酵动态的变量对发酵条件变化的反应无明显滞后。,8,1.宏观处理法：结构模型和非结构模型2.质量平衡法：根据质量守恒定律，对某一物质在过程发生前后的质量变化进行恒算。,9,质量平衡式,物质在系统中积累的速度=物质进入系统的速度+物质在系统中生成的速度-物质排出系统的速度-物质在系统中消耗的速度,某物质在系统中的含量能够在线测量或估计，通过建立上述平衡方程式，就可以确定该物质在系统中变化的动力学。,人为加入或排出和通过相界面传质进入或排出,三、发酵动力学和过程优化控制,传统的发酵过程的控制，是凭借经验对一些参数进行按点的孤立控制（pH、溶氧、残余基质等），未能反映发酵的动态过程，没能够考虑到全局性，具有局限性和盲目性。,10,要对发酵过程进行优化控制，必须了解达到高产所必须具备的产生菌生长状态，相应的基质和氧的需要率，以及各种发酵条件对这种生长状态和需要率的影响。,11,目前在常规的检测和控制手段基础上，采用在线检测技术和过程计算机控制，对大量的即时发酵参数进行采集，处理以及综合运算，达到优化控制，进而了解特定发酵过程的动力学。,发酵动力学是关于微生物生长率、基质和氧消耗率、产物合成率等动态变量之间关系以及它们与发酵条件之间关系的学问，只有掌握这些关系才能够更加系统、有效地驾驭发酵条件和动态变量。,12,带计算机数据采集与控制的生物反应系统,四、发酵动力学研究的意义,通过对发酵反应动力学的研究，进行最佳发酵生产工艺条件的控制。发酵过程中，菌体的浓度、基质浓度、温度、pH值、溶解氧等工艺参数的控制方案，可以在这研究的基础上进行优化。,设计合理的发酵过程，也必须以发酵动力学模型作为依据，利用计算机进行程序设计、模拟最合适的工艺流程和发酵工艺参数，从而使生产控制达到最优化。,发酵动力学的研究还在为试验工厂比拟放大、为分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。,返回,14,几个基本概念有机化合物中的化学能发酵过程的化学计算式质量平衡能量平衡质量平衡与能量平衡的统一,第二节质量与能量平衡,15,发酵过程中，基质主要消耗在：满足菌体生长消耗维持微生物生存的消耗合成代谢产物的消耗,S，基质（底物）；G，菌体生长；M，维持代谢；P，产物合成,一、几个基本概念,16,1.维持因数(m)：单位重量的（菌体）细胞在单位时间内用于维持代谢消耗的基质的量。一般来讲指维持细胞最低活性所需消耗的能量。（碳，氮，氧等的维持因数mc,mn,mo）,ms:以基质消耗为基准的维持因数，X:菌体干重；S:基质量t:发酵时间；M:表示维持。,17,基质的消耗速度,基质的消耗比速率,2.比速（率）:单位时间内，单位干菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量(消耗的基质用于维持代谢，菌体生长和产物合成)。比速率是生物反应中用于描述反应速度的常用概念,18,菌体的比生长速率,产物的比生产速率,19,3.生长得率：菌体的生长量相对于基质消耗量的收得率。,YX/s:相对与基质消耗的实际生长得率系数,Yg/s:相对于基质消耗的（纯生长）理论得率系数,特定的基质及在特定环境条件下培养的特定微生物，它是一个常数，又称最大生长得率或生长得率常数。,20,4.产物得率：产物的合成相对于基质消耗量的收得率。,YP/s:相对于基质消耗的实际产物得率系数,Yps:相对于基质消耗的产物理论得率系数,理论产物得率取决于产物的生物合成途径，对于由特定基质经特定途径产生的特定产物来说，它是一个常数，不因菌株和发酵条件的不同而异。,：实际得率与菌体生长得率、产率的关系,21,1/X,1/P,当比生产率qp保持稳定时，实际生长得率Yx/s随比生长率的上升而增加，实际产物得率Yp/s而随的上升而减少。,作为营养基质的各种复杂有机化合物，在发酵过程中通过生物氧化作用，分解为NH3，CO2，H2O等简单小分子，释放出化学能；另一方面，细胞利用中间代谢物合成生物大分子和抗生素等代谢产物，吸收化学能。,22,二、有机化合物中的化学能,23,2.燃烧热,标准燃烧热公式,1.完全燃烧需氧量(含C,H,N,S,P等元素化合物完全燃烧需氧量的通式，自学),24,理论发酵热计算公式,25,三、发酵过程的化学计量式,对发酵过程进行化学计量分析，是质量与能量平衡研究的重要内容。目前，人们在微观水平上还不能完全描述发酵过程的各个反应步骤，但可以根据对最终基质和氧的消耗、菌体生长、代谢产物和CO2的生成等物质转化的测量，从宏观上确定发酵过程的化学计量关系。,将菌体等复杂成分以主要元素组成式进行简化，并对同类基质和同类产物按基本组成成分和基本产物实施当量归一化处理，分别列出描述维持代谢、菌体生长和产物合成的化学计量式。,26,1.维持代谢的化学计量式：维持代谢是放能的分解代谢过程，是碳能源的酵解或氧化过程。主要碳源有碳氢化合物，醇类，油脂类，有机酸类和碳水化合物。（化学计量见P161,自学）,27,2.微生物生长的化学计量式：各种微生物菌体的化学组成不相同，但是如果已知菌体元素组成和纯生长得率，就可以列出其生长的化学计量。例：产黄青霉以葡萄糖和NH3为基质进行发酵，菌体的元素组成是CH1.92O0.61N0.16,可得：C6H12O6+0.55NH3+2.29O23.42CH1.92O0.61N0.16+2.58CO2+3.54H2O纯生长得率Ygs88.6%，,28,2.14C6H12O6+2NH4+SO42-+C3H3O2+3.34O2C16H18O4N2S+4.84CO2+11.84H2O那么：相对于葡萄糖消耗的青霉素的理论产物得率Yps=1/2.14=0.467mol(青霉素)/mol(G),3.产物合成的化学计量式：首先要知道产物的生物合成途径，才能够知道其化学计量；如果生物合成途径不太清楚，只有根据试验所得产物得率进行推断。,四、质量平衡,29,1.碳平衡基质总碳量菌体中总碳量产物中总碳量CO2中碳量,30,31,碳源平衡的意义,通过碳平衡可以了解碳源在微生物生长和代谢过程中的动向，通过实验和理论计算得到碳源对产物的最大得率，为生产水平的不断提高提供可靠的依据。对于一般发酵过程，可以用菌体的生产速率、产物的积累速率和基质的消耗速率三个模型进行描述。基质消耗的数学模型就是以碳平衡得到的方程式为依据的。,32,对于生产细胞物质为目的的微生物培养过程，由于代谢产物可以忽略不计，而CO2的生成速率可以通过发酵废气分析得到，再根据基质（碳源）的消耗速率，通过碳平衡，就可以计算出微生物的生长速率。,33,2.氮平衡基质总氮量菌体中总氮量产物中总氮量,34,3.基质平衡,消耗的含碳基质总量维持代谢消耗量菌体生长消耗量产物生成消耗量,35,基质消耗微分方程：,36,在分批发酵中，菌体含氮量一般随发酵时间推移而下降。这是由于培养基中的氮源被消耗，使细胞摄入的氮减少；或者由于生长速率的下降，使细胞老化，造成蛋白质丢失。加强补料，维持一定比生成速率和稳定的摄氧率，可使含氮量稳定。,37,比速率形式：,基质比消耗速率,菌体比生长率,产物比生产率,38,氧平衡微分方程：,4.氧平衡：理想模型中氧用于维持代谢，菌体的生长和产物的合成,39,氧比消耗速率：,40,5.CO2平衡：理想模型中CO2来自于维持代谢，菌体的生长和产物的合成三个过程中。,CO2平衡微分方程：,41,CO2比生成速率：,五、能量平衡,1.化学能平衡,42,总化学能消耗率菌体化学能转移率产物化学能转移率分解代谢能（发酵热）释放率,43,2.氧平衡：发酵过程净消耗的基质完全燃烧需氧量等于该过程净生成的菌体和产物的完全燃烧需氧量与呼吸需氧量之和。,3.呼吸和发酵热,44,在充分供氧的情况下，发酵热（分解代谢热）的释放率与菌体呼吸耗氧率成正比。,六、质量平衡和能量平衡的统一,45,含碳基质的总比消耗率维持代谢的基质比消耗率菌体转移能的基质比消耗率+供给菌体生长能的基质比消耗率向产物转移能的基质比消耗率供给产物合成的基质比消耗率,1.物质代谢流向的定量表达,46,总化学能的比消耗率维持代谢能的比消耗率菌体生长能的比消耗率产物合成能的比消耗率菌体储能的比消耗率产物储能的比消耗率,2.能量代谢流向的定量表达,3.得率与维持因数之间变换关系（了解）,47,返回,48,第三节微生物生长与产物合成动力学,微生物生长动力学产物合成动力学,49,：菌体的生长比速s：单一限制性基质浓度Ks：半饱和常数max:最大比生长速率,s,1.Monod方程式,一、微生物生长动力学,ks,莫诺方程成立的假设条件：菌体生长为均衡型非结构式生长，细胞成分只需要用一个参数即菌体浓度表示；只有一种底物是生长限制性底物，并且没有反馈抑制性产物出现；微生物生长没有动态滞后性。,50,51,Monod方程中单一限制性基质可以是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该基质相对缺乏，就成为限制性生长因子。实际过程中，可能出现多种限制性基质和抑制性物质，影响了Monod方程的适用性。,52,Ks，微生物对基质的饱和常数,当=1/2max，s=Ks当sKs，基质浓度较高时，与s无关，零级反应。当s趋近于无穷大时，=max.max是理论上最大的生长潜力。,m,m/2,ks,s,53,米氏方程,m,m/2,ks,s,莫诺方程,54,莫诺方程与米氏方程二者形式相同，但微生物生长是细胞群体生命活动的综合表现，机理非常复杂。Monod方程与米氏方程的区别与联系是：Monod方程是对实验现象的总结，是经验方程（empiricalmodel）；米氏方程是根据酶反应机理推导得出，是机理方（mechanisticmodel）。,55,2.其他生长动力学方程式,（1）双基质限制生长动力学两种基质浓度较低时，共同限制微生物生长，一般采用以下方程：,56,（2）多种基质限制生长动力学,57,（3）产物抑制生长动力学：当微生物被其自身代谢产物抑制（Aibe）,Ks：饱和常数，L/mol；Ki:产物抑制常数，L/molp:产物浓度，mol/L,58,(4)Contois公式：对于粘稠发酵液，由于菌体对基质的扩散阻力，Monod方程有偏差，一般采用Contois公式（高密度培养的丝状真菌比较合适）。,59,3.细胞死亡动力学,60,如果考虑细胞的死亡，则微生物的比生长速率有如下表述方法：,由于微生物的代谢产物，特别是次级代谢产物的合成途径特别复杂，其动力学过程不仅受菌体自身基因型的限制，还与其生活的外部条件有密切关系。目前整个动态变化过程的规律仍不是十分清楚，大多数研究只是限于宏观变量的非结构模型。,61,二、微生物的产物合成动力学,62,1.Luedeking和Piret模型：普遍适用于微生物的代谢，把产物生产率看作是菌体生长率和菌体量的函数。,k1与菌体生长率关联的产物合成常数，mol/gk2与菌体生长量关联的产物合成常数,mol/g,63,a，k10，k2=0，生长偶联型b，k10，k20，部分生长偶联型，混合型c，k1=0，k20，非生长偶联型,以产物生产率作为菌体生长率和菌体量的函数,2.菌龄模型:次级代谢产物合成滞后于细胞生长阶段，并且在发酵后期出现菌丝自溶现象，由此可以推断产物合成和一定菌龄范围内的细胞相联系。,64,3.生化模型：引入生化反应机制的模型,65,66,返回,67,第四节发酵过程动力学模拟与优化,分批发酵连续发酵动力学参数的确定补料分批发酵过程的优化,68,通过质量能量平衡以及微生物生长和产物合成动力学的知识，能够初步建立起预测菌体生长，产物合成，基质消耗等变量随主要控制变量而变化的数学模拟式，用于指导过程操作，并为实施计算机在线优化控制打下基础。,1.简单分批发酵：将培养基一次性加入，进行发酵，到放罐时间后，全部放出发酵液的发酵操作类型。,69,例：以氮源为限制性基质进行的胞外多糖的发酵生产：只有氮源为限制性基质；无延滞期；发酵过程无细胞死亡；产物符合非生长偶联动力学遵循Monod方程（理想环境条件下）；得出了一组动力学方程：,一、分批发酵动力学模型和优化,70,简单分批发酵动力学方程式,71,运用积分求解:由给定的初始值x0，n0，p0，s0,分别求得(dx/dt)0,(dn/dt)0,(dp/dt)0,(ds/dt)0，然后在01范围内积分得x1，n1，p1，s1,然后依次类推求出数个x，n，p，s值，得下图,考虑发酵过程中有细胞死亡，则活菌体生长动力学方程式为：,72,2.补料分批发酵：在发酵过程中的适当时期，连续补加一些必要的培养基成分，直到达到发酵罐的最大容积，发酵结束时一次性放罐。实质上分为简单分批发酵的生长阶段和补料分批发酵的生产阶段。,生长阶段,73,求解方法同简单分批发酵,生产阶段：此阶段以一定的稀释率D连续补料，维持菌体浓度和基质浓度不变，即准稳定态。Sr补料液中生长限制基质浓度；D补料稀释率；V发酵液体积。,74,75,因此，在准稳定态下，比生长速率与稀释率相等，是补料分批发酵的重要特征。,推导公式（1）,76,ds/dt=0,推导公式（2）,77,推导公式（3）,78,S,x,V,p,Rp,t,x,Rp,s,v,p,P0=0,79,3.反复补料分批发酵（了解)：在补料分批发酵过程中每隔一定时间按一定的比例放出一部分发酵液，使罐内发酵液体积始终处于稳定状态而不至于超出发酵罐的最大体积。从而在理论上无限期的延长发酵周期，直到发酵产率明显下降，才将发酵液全部放出。发酵液初始体积V0,最终发酵液体积Vf放料间隔时间tc准稳定态菌体浓度x,80,补料分批发酵生产阶段,81,每个tc周期末产物量,每个tc周期末产物浓度,82,放出的发酵液中产物的总浓度,每次中间放料在内的反复补料阶段总产物量和发酵液总体积,83,连续培养(continouscultureofmicroorganisms)是在微生物的整个培养期间，通过一定的方式，使微生物能以恒定的比生长速率生长，并能持续生长下去的一种培养方法。,连续培养的基本原则：微生物培养过程中不断的补充营养物质和以同样的速率移出培养物。,连续培养类型,恒浊连续培养,恒化连续培养,二、连续发酵动力学模型和优化,84,1.恒化连续培养：在整个培养过程中，通过控制培养基中某种营养物质的浓度基本恒定的方式，保持细菌的比生长速率恒定，使生长“不断”进行。,生长速率的控制因子：一般是氨基酸、氨和铵盐等氮源，或是葡萄糖、麦芽糖等碳源或者是无机盐，生长因子等物质,恒化器连续培养通常用于微生物学的研究，筛选不同的变种。,85,86,2.恒浊连续培养通过连续培养装置中的光电系统控制培养液中菌体浓度恒定、使微生物生长连续进行的一种培养方式。,优点：缩短发酵周期，提高设备利用率；便于自动控制；降低动力消耗及体力劳动强度；产品质量较稳定；缺点：杂菌污染，菌种退化，增加投资成本用于菌体以及与菌体生长平行的代谢产物生产的发酵工业。,87,恒化器和恒浊器的对比,88,89,3.连续发酵的基本动力学方程,(1)生长限制基质和菌体浓度Sr：流加培养基中生长限制基质的浓度S：流出发酵液中生长限限制基质浓度D：稀释率Qs：基质比消耗率X：流出发酵液中菌体浓度,在准稳定态下，且菌体生长服从Monod方程因此有：,90,和,代入,可得,在恒化器中可以简单地通过改变稀释率来控制菌体生长率、生长限制基质浓度和菌体浓度。,(2)菌体产率Rx（Rx也是稀释率D的函数）,(3)代谢产物浓度与产率（了解）,91,(4)相对于基质消耗的过程得率,(5)临界稀释率,92,连续发酵过程的菌体得率和产物得率分别与流出发酵液中的菌体浓度和产物浓度成正比,(6)连续发酵操作点的选择,当以生产菌体为目的产物时，应当适当的降低稀释率，这样操作稳定，菌体浓度和得率较高。应为在靠近临界稀释率时，容易发生洗出，同时菌体浓度下降,降低菌体得率。对于生长偶联型,由于产物浓度高峰和产率高峰相差不远，宜采用连续型发酵；而对于生长部分偶联或非偶联型不适宜采用连续型发酵。,93,三.动力学参数的确定,94,(1)Monod方程的参数求解(双倒数法)：,实验所得的s数据在图上作出一条直线就可说明该过程的微生物生长服从Monod方程，可以直接由图得出其Ks和m值。,1/Ks,1/m,1/s,1/,Ks/m,95,a，k10，k2=0，生长偶联型b，k10，k20，部分生长偶联型，混合型c，k1=0，k20，非生长偶联型,(2)Luedeking和Piret方程中参数的确定,(3)维持因数ms和得率常数YgsYps的确定(了解),四、补料分批发酵过程的优化,发酵代谢产物的生产是在微生物生长的基础上获得的，因此发酵的优化主要