微生物工程-第六章-发酵动力学2

第六章,发酵动力学,发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系，定量描述微生物生长和产物形成过程。,什么是发酵动力学？,主要研究内容：1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及其转化率等；2、影响发酵动力学参数的各种理化因子；3、发酵动力学的数学模型。,认识发酵过程的规律；优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧等；提高发酵产量、效率和转化率等。,研究发酵动力学的目的：,一条主线：发酵工艺过程两个重点：发酵过程的优化与放大三个层次：分子、细胞、反应器四个目标：高产、高效、高转化率、低成本,发酵工程：,主要方法：基于发酵动力学研究来实现,发酵过程放大的两个基本问题：1.发酵放大条件的优化核心：发酵动力学研究，获得细胞生长及其产物合成放大过程特征及其对环境的响应特征；重点：研究微生物与物理、化学环境的相互作用，揭示放大规律。,发酵过程放大的两个基本问题：2.反应器性能优化研究：混合与传质问题，满足发酵最适条件需要；侧重：反应器的设计与放大,生化反应：aA+bBcC+dD,反应动态平衡改变条件破坏平衡,如何能最快最多的获得目的产物？,温度,酸碱度,浓度,催化剂,采用反应动力学方法进行定量研究,动力学主要探讨反应速率问题：,主要针对：微生物发酵的表观动力学，通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率。重点：定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。达到认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。,首先研究微生物生长和产物合成限制因子；建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；确定模型参数；实验验证模型的可行性与适用范围；根据模型实施最优控制。,发酵动力学研究的基本过程：,本章主要内容：,分批发酵动力学连续发酵动力学补料分批发酵动力学,分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。分批发酵过程中，微生物生长通常要经历五个时期。延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止期）和衰亡期。,什么是分批发酵？,典型的分批发酵工艺流程图,分批发酵过程：,t1t2t3t4t5,分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线,菌体浓度X,时间t,分批发酵动力学：细胞生长动力学,微生物生长动力学底物消耗动力学产物形成动力学,分批发酵动力学：,微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细胞数量在单位时间内的增加量来表示（、n）：,或,X细胞浓度（g/L）；N细胞个数；t生长时间；X0、Xt初始微生物浓度和t时细胞浓度；N0、Nt初始细胞个数和t时细胞个数；以细胞浓度表示的比生长速率；以细胞数量表示的比生长速率。,分批发酵动力学-微生物生长动力学,延滞期:x不变,即对数生长期:(假定无抑制作用存在),分批发酵动力学-细胞生长动力学,几种不同微生物的max值,微生物细胞倍增时间与群体生长动力学细菌：典型倍增时间1hr酵母：典型倍增时间2hr放线菌和丝状真菌：典型倍增时间48hr,关于菌龄的描述：,微生物细胞群体生长动力学是反映整个群体的生长特征，而不是单个微生物生长倍增的特征。因此，菌龄是指一个群体的表观状态。,倍增时间：细胞浓度增长一倍所需的时间。,衰减期（开始出现一种底物不足的限制）:若不存在抑制物时Monod模型:,比生长素率,限制性底物残留浓度St,残留的限制性底物浓度对微生物比生长率的影响,表征与培养基中残留的生长限制性底物St的关系,Monod方程：,Ks底物亲和常数，等于处于1/2m时的底物浓度，表征微生物对底物的亲和力，两者成反比。,式中:S限制性基质浓度，mol/m3Ks底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生物对底物的亲和力,mol/m3；Ks越大，亲和力越小，越小。,当S较高时，(对数期满足S10Ks)，此时，=m当S较低时，(减速期，S10Ks)，此时S，减速期，,Monod方程中的某些KS值,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。,酶促反应动力学米氏方程：,受单一底物酶促反应限制的微生物生长动力学方程Monod方程：,求m和Ks。解：将Monod方程变形：以1/S为横坐标，1/为纵坐标，得一条直线，由直线与x轴和y轴相交，分别求得：Ks=0.02(kg/m3)m=0.18(h-1),稳定期：（生长率与死亡率相等）:衰亡期:（不生长，微生物死亡）,（浓度最大）,(比死亡速率，s-1),t1t2t3t4t5,分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线,菌体浓度X,时间t,分批发酵动力学-细胞生长动力学,假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则微生物生长动力学可用阶段函数表示如下：0 x0（0tt1)mx0emt(t1tt2)=x=x0em(t2-t1)et(t2tt3)0 xm(t3tt4)-axme-at(t4tDC，则会出现：DDC由可知负增长，x，进入非稳态，菌体最终被洗出，即x=0时，达到“清洗点”，此时，,图6-9，图6-10，图6-11,多级连续发酵动力学,多级连续发酵的第一级动力学模型,假设两级发酵罐内培养体积相同，即V1=V2；且第二级不加入新鲜培养基，则对于第一级动力学模型（方程）与单级相同。,多级连续发酵动力学,稳态时,多级恒化器的第二级动力学模型,S1S0，S2S1从第二级开始，比生长速率不再等于稀释率D.,第二级细胞物料衡算,第二级稳态时，同理,由稳态方程可得，,第二级基质物料衡算,稳态时，,第二级基质物料衡算,进行细胞回流的单级连续发酵,概念：进行单级连续发酵时，把发酵罐流出的发酵液进行分离，经浓缩的细胞悬浮液送回发酵罐中。,优点：提高了发酵罐中的细胞浓度，也有利于提高系统的操作稳定性。,有助于了解和研究细胞生长、基质消耗和产物生成的动力学规律，从而优化发酵工艺。便于研究细胞在不同比生长速率下的特征。,连续培养在工业生产中的应用,应用,分批发酵：培养物产率,应用-提高生产率,连续发酵：培养物产率,图6-13,利用细胞再循环连续发酵技术进行废水的生化处理、发酵与产物分离耦合。利用连续培养的选择性进行富集培养菌种选择及防污染处理。,应用,在底物浓度为S情况下杂菌Y的生长速率y比系统的稀释速率D要小Y的积累速率：,结果是负值，表明杂菌不能在系统中存留,连续发酵中存在的问题,（1）污染杂菌问题,在底物浓度为S情况下杂菌Y的生长速率y比系统的稀释速率D要小。Y的积累速率：,结果是负值，表明杂菌不能在系统中存留,底物浓度为S的情况下杂菌Z能以比D大的比生长速率下生长。,比D大的多，故dZ/dt是正的，杂菌Z积累，系统中底物浓度下降到S，此时D，建立新的稳态。此时生产菌X的比生长速率比原有的小。D，故将生产菌从系统中淘汰,杂菌W入侵的成败取决于系统的稀释速率。由图可见，在稀释速率为0.25Dc（为临界稀释速率）下，W竞争不过X而被冲走.,连续培养中杂菌能否积累取决于它在培养系统中的竞争能力,生产菌种发生回复突变的可能性大；突变菌株可能有较高的生长能力；建立一种不利于低产突变菌株生长的选择生产条件。,（2）生产菌种突变问题,优点,添加新鲜培养基，克服养分不足所导致的发酵过程过早结束，延长对数生长期，增加生物量等；,连续发酵优缺点,在长时间发酵中，菌种易于发生变异，并容易染上杂菌；如果操作不当，新加入的培养基与原有培养基不易完全混合。,缺点,分批补料发酵,分批补料培养（Fed-batchculture）：分批发酵过程中补充培养基，不从发酵体系中排出发酵液，使发酵液的体积随着发酵时间逐渐增加。,分批补料发酵：在发酵过程中，不连续地向发酵罐内加入培养基，但不取出发酵液的发酵方式。特点：由于培养基的加入，发酵液体积不断增加。,半连续发酵概念：在发酵过程中，每隔一定时间，取出一定体积的发酵液，同时在同一时间间隔内加入相等体积的培养基，如此反复进行的发酵方式。特点：稀释率、比生长速率以及其它与代谢有关的参数都将发生周期性的变化。,菌体浓度当St0时：,补料分批发酵动力学,SR:底物浓度总和；St：残留底物浓度,如果在Xt=Xmax时开始补加培养基，这是稀释率小于max，实际底物消耗速率接近补加培养基速率。细胞总量（N）增加，但细胞浓度（X）基本不变，所以：随着发酵时间的延长，稀释率下降：,F：培养基补入速率,半稳态,图6-15,可以解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应。避免在分批发酵中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。,分批补料发酵动力学优点,避免某些培养基组分在高浓度下对微生物生长及代谢的抑制甚至毒副作用，延长发酵生产时间，提高