发酵工艺学 第六章 发.ppt

1、第六章 发酵动力学 一、动力学基本概念 二、分批发酵动力学 三、连续发酵动力学 四、分批补料发酵动力学,发酵过程：包括细胞内的生化反应，胞内 与胞外的物质交换，胞外物质传递及反应。 微生物是该反应过程的主体：是生物催化剂，又是一微小的反应容器。 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系。酶能够进行再生产。,微生物反应是非常复杂的反应过程 （1）反应体系中有细胞的生长，基质消耗和产物的生成，有各自的最佳反应条件。 细胞生长动力学 反应基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 （2）微生物反应有多种代谢途径。 （3）微生物反应过程中，细胞形态、组成要经历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同菌龄，有不同的

2、活性。,动力学定义：是对细胞群体的动力学行为的描述。 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值，在此基础上建立的模型称为确定论模型，如果考虑每个细胞之间的差别，则建立的模型为概率论模型。 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做为过程变量。菌体视为单组分的模型为非结构模型，通过物料平衡建立超经验或半经验的关联模型。,一、动力学基本概念 发酵研究的内容 菌种的来源找到一个好的菌种 发酵过程的工艺控制最大限度发挥菌种的潜力,X S（底物） X（菌体） P（产物）,发酵动力学中常用的几个术语,1得率(或产率，转化率，Y)：包括生长得率(Yx/

3、s)和产物得率(Yp/s)。 得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。 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)，即Yx/s=X/S。,产物得率：是指每消耗1g(或mol)基质所合成的产物g数(或mol)。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(S、-S)。 转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。,2基质比消耗速率(qs ，g(或mo1)g菌体h)：系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。 在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。,3产物比生产速率(qp，g(或m

4、o1)g菌体h)：系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速度或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。 4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。 但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌、冷却等辅助时间也计算在内。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，这样才能正确反映发酵设备的利用效率。,研究发酵动力学的目的,（1）确定最佳发酵工艺条件 （2）建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 （3）可在此研究基础上进行优选。,发酵动力学的作用,要进行合理的发酵过程设计，必须以发酵动力学模

5、型作为依据。 目前国内外正利用电子计算机，根据发酵动力学模型来设计程序，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺参数，从而使生产控制达到最优化。 发酵动力学的研究正在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。,基质的消耗速度：,发酵过程反应速度的描述,基质的消耗比速：,(g.L-1.s-1),(h-1、s-1),单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念,X S（底物） X（菌体） P（产物）,发酵过程的反应描述及速度概念,基质的消耗比速：,(h-1),菌体的生长比速：,产物的形成比速：,(h-1),(h-1),发酵过程反应速度的描

6、述,X S（底物） X（菌体） P（产物）,发酵过程的反应描述及速度概念,发酵反应动力学的研究内容,研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联,反应动力学模型,反应器特性,+,反应器的操作模型,操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程,微 生 物 的 发 酵 方 式,根据发酵培养基的状态分：,固态发酵、液态（液体深层）发酵、半固态发酵,分批式发酵 连续式发酵 补料分批式发酵,二、分批发酵动力学 分批发酵，又叫间歇发酵，最简单也是最常见的工业发酵方式。 它是在一个密闭系统内一次性加入营养物质和菌种进行培养，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排出，与外部没有物料交换。但中间须对p

7、H和温度进行控制。 优点：操作简单、不容易染菌、投资低 缺点：生产能力和效率低，劳动强度大，而且每批发酵的结果都不完全一样，对分离提纯造成了困难。,1、微生物在一个密闭系统中的生长情况：,时间,菌体浓度,延迟期,指数生长期,减速期,静止期,衰亡期,延迟期：,指数生长期:,倍增时间：td,减速期:,静止期： ;,衰亡期:,延迟期（迟滞期）,少量细菌接种到新鲜培养基后，一般不立刻进行繁殖，生长速度接近于零，因此开始的一段时间，细菌数量几乎保持不变。,出现的原因？,解决的方法？,问题：发酵工业中选择迟滞期长还是短的菌株作为菌种？为什么？,对数期,细菌数以几何级数增加，代时稳定，细菌数的增加与原生质量

8、的增加及菌液浊度成正相关。,单个细胞完成一次分裂所需要的时间,问题：发酵工业选择那个时期的微生物细胞作为种子？,不同菌种对数期的代时不同,同一种菌培养条件不同代时不同,稳定期,新增殖的细胞数与老细胞的死亡数几乎相等，二者处于动态平衡。,菌体和代谢产物均大量积累的阶段。,活菌数以几何级数下降，细胞开始自溶。,菌体开始自溶，发酵液变粘稠。,衰亡期,max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L,tdln2/ max0.64 h,2、微生物生长动力学,：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数 max: 最大比生长速度,单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长

9、起到限制作用的营养物。,Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 Monod方程(1949),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，Ks和td?,解：将数据整理：,S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221,G

10、aden对发酵的产物形成动力学三种分类,一类发酵 产物的形成和菌体的生长相偶联,x,p,二类发酵 产物的形成和菌体的生长部分偶联,x,p,三类发酵 产物的形成和菌体的生长非偶联,x,p,Pirt方程,a + b,a=0、b0： 可表示一类发酵,a0、b 0： 可表示二类发酵,a=0、b0：可表示三类发酵,三、连续发酵动力学 理论基础：在分批发酵中，随着微生物的活跃生长，营养物质不断损耗，有害的代谢产物不断积累，对数生长期不可能长期维持。因此，若将营养物浓度和培养条件维持在对数生长期不变，则对数生长可以无限延长。这样连续发酵可以保证细胞高速增长或产物高速形成。 定义：在向发酵罐连续供给新鲜培养基

11、的同时，将含有微生物和产物的培养液以相同的速度连续放出。 特点：连续发酵可使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。稳定状态可以有效的延长分批培养中的对数期。在恒定的状态下，微生物所处的环境条件如营养浓度、产物浓度、pH、微生物细胞的浓度以及生长速率等可以始终维持不变，甚至可以根据需要来调节生长速度。,恒化器 是一种设法使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。 这是一种通过控制某一种营养物的浓度，使其始终成为生长限制因子的条件下达到的，因而可称为外控制式的连续培养装置。 在恒化器中，一方面菌体密度会随时间的增长而增高，另一方面，限制

12、生长因子的浓度又会随时间的增长而降低，两者互相作用的结果，出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡。,这样，既可获得一定生长速率的均一菌体，又可获得虽低于最高菌体产量，却能保持稳定菌体密度的菌体。,恒浊器 是根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。在这一系统中，当培养基的流速低于微生物生长速度时，菌体密度增高，这时通过光电控制系统的调节，可促使培养液流速加快，反之亦然，并以此来达到恒密度的目的。因此，这类培养器的工作精度是由光电控制系统的灵敏度来决定的。,在恒浊器中的微生物，始终能以最高生长速率进行

13、生长，并可在允许范围内控制不同的菌体密度。 在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，都可以利用恒浊器。 在恒浊器中，微生物可维持该培养在分批培养时达到的最大生长速率。 一般来说，恒浊器较难控制，目前大多数研究工作者都利用恒化器进行连续培养的研究。,连续反应器：,流入速度=流出速度=F,反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等,V: 反应器内发酵液体积(L) X: 反应器内菌体浓度(g/L) So: 流加发酵液中基质的浓度(g/L) S: 反应器内基质的浓度(g/L) F: 补料速度(L/h),对菌体:,稳态,稀释率(D): 补料速度 与反应器 体积的比 值(h-1),o,对基质:,稳态,稀释率(D):补料速度与反应器体积的比值(h-1),D,S,x,连续培养操作的模型分析,最大,Dmax时