第六章 发酵动力学

1、 第六章第六章 发酵动力学发酵动力学一、分批培养、补料分批培养、连续培养的基本概一、分批培养、补料分批培养、连续培养的基本概念、特点和应用念、特点和应用二、分批培养微生物生长过程以及细胞、产物得率二、分批培养微生物生长过程以及细胞、产物得率三、连续培养、补料分批培养动力学三、连续培养、补料分批培养动力学本章学习要点本章学习要点1、掌握分批培养、补料分批培养、连续培养的基本概念、特掌握分批培养、补料分批培养、连续培养的基本概念、特点和应用。理解分批培养微生物生长和产物形成动力学；掌握点和应用。理解分批培养微生物生长和产物形成动力学；掌握补料分批培养技术的应用。补料分批培养技术的应用。2、了解其微

2、生物生长和产物形成动力学；比生长速率、产物了解其微生物生长和产物形成动力学；比生长速率、产物比生产速率、得率系数基本概念；理解分批培养微生物生长过比生产速率、得率系数基本概念；理解分批培养微生物生长过程与特点以及细胞、产物得率得计算。程与特点以及细胞、产物得率得计算。3、了解、了解连续培养、补料分批培养微生物生长动力学。连续培养、补料分批培养微生物生长动力学。VXFXdtdX0 X菌体浓度 比生长速率 F0 培养液移走速率 V培养液体积 细胞量的积累速率 = 细胞生长速率细胞的消失速率VSFmXYXqYXVSFdtdSsppsxi0/0基质的消耗速率 = 补料中基质的添加速率生长消耗基质的速率

3、产物合成用去基质的速率维持所消耗基质的速率基质的移去速率 S基质浓度基质浓度 Fi 补料速率补料速率 以消耗的基质为基准的细胞得率系数（以消耗的基质为基准的细胞得率系数（g细胞细胞/g消耗的消耗的 基质）基质） 以消耗的基质为基准的产物生成系数，即转化率（以消耗的基质为基准的产物生成系数，即转化率（g产产 物物/g消耗的基质）消耗的基质） 产物的比生产速率。它的意义是单位浓度的生产菌细胞产物的比生产速率。它的意义是单位浓度的生产菌细胞 在单位时间形成的产物量。其数学表达式为在单位时间形成的产物量。其数学表达式为 其中：其中：P 产物的浓度产物的浓度； 单位质量细胞生成的产物单位质量细胞生成的产

4、物 量（量（g产物产物/g细胞）。细胞）。sxY/pqspY/dtdPXqp1xppYq/xPY/KPVPFXqdtdPp0产物形成的速率 = 产物合成速率产物移去速率产物被破坏速 K产物破坏常数sppsxYXqmXYXdtdS/sppsxsYqmYqdtdSX/1sq时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期倍增时间倍增时间：td延迟期：dxdt 0 0指数生长期:maxmax减速期:ddt 0 0静止期：dxdt0 0maxmaxXXXX衰亡期:dxdt0 0第二节第二节 微生物生长和分批发酵动力学微生物生长和分批发酵动力学 微生物生长曲线dtdxXdtdx 1.maxdxdtxmax

5、0lntxtxmaxln2dt指数生长期指数生长期在对数期是常数，取得最大值，在其它生长在对数期是常数，取得最大值，在其它生长期不是常数。分析各生长不同时期的期不是常数。分析各生长不同时期的数值。数值。Lag Phase ：x无净生长，无净生长， 0 ；加速生长期：加速生长期：x增加，增加，21 ；Exponential Phase ：x对数增加，对数增加，常数；常数；减速生长期：减速生长期：x增加缓慢，增加缓慢，43 ；Stationary Phase：x无净生长，无净生长，0 ；Death Phase：x减少，减少，0。三三、微生物生长速率与底物浓度的关系微生物生长速率与底物浓度的关系 m

6、axsSKSMonodMonod研究了基质浓度与生长速度的关系研究了基质浓度与生长速度的关系MonodMonod方程方程(1949)(1949)00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmmaxsSKSmaxsSvvKS米氏方程:00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmKsmaxsSKS ：菌体的生长比速：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数：半饱和常数max: 最大比生长速度最大比生长速度单一限制性基质单一限制性基质：就是：就是指在培养微生物的营养指在培养微生物的营养物

7、中，对微生物的生长物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。起到限制作用的营养物。00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmKsMonod方程的参数求解方程的参数求解(双倒数法双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：111smmSKsmmSKS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。但在低但在低S值时，值时， 的偏差较大，影响的偏差较大，影响Ks值的精度。第二方程值的精度。第二方程好用一些，在低好用一些，在低S值时精度高，也可用回归方法值时精度高，也可用回归方法 。maxsKSS

8、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?解：将数据整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221smmSKS01002000100200300400 /ssm10.9m108.4sksmmSKSmaxln2dtGadenGaden对发酵的三分类与对发酵的三分类与PirtPirt方程：方程：生长偶联型生长偶联型 产物的形成和菌体的生长相偶联产物的形成和菌体的生长相偶联3 3、产物形成动

9、力学模式、产物形成动力学模式如：葡萄糖厌氧发酵生成乙醇如：葡萄糖厌氧发酵生成乙醇xp部分生长偶联型部分生长偶联型产物的形成和菌体的生长部分偶联部分偶联xp如：氨基酸发酵，柠檬酸等有机酸的发酵非生长偶联型产物的形成和菌体的生长非偶联非偶联xp如抗生素，微生物毒素等次级代谢产物的生产最大生产率最大生产率()：发酵时间从对数生长期：发酵时间从对数生长期开始至发酵结束计算得出的生产率。开始至发酵结束计算得出的生产率。平均生产率（平均生产率（P）：包括洗罐、灭菌、发酵、）：包括洗罐、灭菌、发酵、放罐等整个生产时间计算得出的生产率。放罐等整个生产时间计算得出的生产率。1 1、稀释率、稀释率稀释率（D）：单

10、位时间内新鲜培养基流入的体积（F）与总体积之比(V)，即VFD 2 2、微生物比生长速率与稀释率的关系、微生物比生长速率与稀释率的关系 细胞增加的速率细胞增加的速率=细胞生长速率细胞生长速率细胞流出速细胞流出速率率细胞死亡速率细胞死亡速率 dx/dt=ux-Dx 当连续发酵达到平衡时，当连续发酵达到平衡时， dx/dt=0，即，即u=D3 3、细胞浓度与限制性基质浓度的关系、细胞浓度与限制性基质浓度的关系 基质的消耗速率基质的消耗速率=流入的基质速率流入的基质速率流出的基质流出的基质速率速率细胞生长基质消耗速率细胞生长基质消耗速率细胞维持基质消耗细胞维持基质消耗速率速率产物生成基质消耗速率：产

11、物生成基质消耗速率： dS/dt=DS0DSux/yX/Smxupx/yX/S 当发酵的目的是培养细胞时，细胞维持基质、产物生当发酵的目的是培养细胞时，细胞维持基质、产物生成基质消耗速率忽略：成基质消耗速率忽略： dS/dt=DS0DSux/yX/S 当连续发酵达到平衡时，当连续发酵达到平衡时， dx/dt=0，D=u x=yX/S(S0S)4 4、限制性基质浓度、细胞浓度与稀释率的关系、限制性基质浓度、细胞浓度与稀释率的关系及稀释率对限制性基质浓度、细胞浓度、细及稀释率对限制性基质浓度、细胞浓度、细胞生长速率、倍增时间的影响胞生长速率、倍增时间的影响n限制性基质浓度随稀释率的增加而增加，但在

12、很大范围内增限制性基质浓度随稀释率的增加而增加，但在很大范围内增加不明显。（当稀释率等于最大生长比速率时，基质浓度等加不明显。（当稀释率等于最大生长比速率时，基质浓度等于起始浓度，此稀释率为临界稀释率于起始浓度，此稀释率为临界稀释率 ）n细胞浓度随稀释率的增加而细胞浓度随稀释率的增加而 减小，但在很大范围内减小不减小，但在很大范围内减小不明显明显n一定范围内，随稀释率的增加，细胞倍增时间显著缩短一定范围内，随稀释率的增加，细胞倍增时间显著缩短n一定范围内细胞生长速率与稀释率成正比一定范围内细胞生长速率与稀释率成正比5 5、细胞生产率及其与分批发酵中细胞生产率、细胞生产率及其与分批发酵中细胞生产

13、率的比较的比较n最大生长比速率越大，连续培养的细胞生产率与最大生长比速率越大，连续培养的细胞生产率与分批培养的细胞生产率之比越大分批培养的细胞生产率之比越大n当最大生长比速率过小时，不宜连续发酵。当最大生长比速率过小时，不宜连续发酵。1 1、细胞生物量的生产、细胞生物量的生产2 2、代谢产物生产、代谢产物生产3 3、动物细胞代谢产物生产、动物细胞代谢产物生产4 4、用于研究工具、用于研究工具分批、连续、补料操作方式的比较分批、连续、补料操作方式的比较方式方式优点优点缺点缺点分批发酵分批发酵1 一般投资小一般投资小2 易转产、生产灵活易转产、生产灵活3 分批操作中某一阶段可获分批操作中某一阶段可

14、获得高的转化率得高的转化率4 发酵周期短，菌种退化率发酵周期短，菌种退化率小小1 因放罐、灭菌等原因，非因放罐、灭菌等原因，非生产时间长生产时间长2 经常灭菌会降低仪器寿命经常灭菌会降低仪器寿命3 前培养和种子的花费大前培养和种子的花费大4 需较多的操作人员或自动需较多的操作人员或自动控制系统控制系统连续发酵连续发酵1 可实现有规律的机械、自动可实现有规律的机械、自动化化2 操作人员少操作人员少3 反应器体积小、非生产时反应器体积小、非生产时间少间少4 产品质量稳定产品质量稳定5 操作人员接触毒害物质的操作人员接触毒害物质的可能性小可能性小6 测量仪器使用寿命长测量仪器使用寿命长1 操作不灵活

15、操作不灵活2 因操作条件不易改变，原因操作条件不易改变，原料质量必须稳定料质量必须稳定3 若连续灭菌，加上控制系若连续灭菌，加上控制系统和自动化设备，投资较大统和自动化设备，投资较大4必须不断地排除一些非溶性必须不断地排除一些非溶性的固型物的固型物5 易染菌，菌种易退化易染菌，菌种易退化补料发酵补料发酵1 操作灵活操作灵活2 染菌、退化几率小染菌、退化几率小3 可获得高的转化率可获得高的转化率4 对发酵过程可实现优化控对发酵过程可实现优化控制制5 因经常灭菌会降低仪器使因经常灭菌会降低仪器使用寿命用寿命1 非生产时间长非生产时间长2 需较多的操作人员或计算需较多的操作人员或计算机控制系统机控制系统3 操作人员接触一些病原和操作人员接触一些病原和有毒产品的可能性大有毒产品的可能性大优点优点缺点缺点1.培养基含水量少，废水、废渣少，环培养基含水量少，废水、废渣少，环 境境 污染少，容易处理；污染少，容易处理；1. 菌种限于耐低水活性（菌种限于耐低水活性（aw）的微生）的微生 物，菌种选择性少物，菌种选择性少2.消耗低，供能设备简易；消耗低，供