發(fā)酵工程發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

1、會(huì)計(jì)學(xué)1發(fā)酵工程發(fā)酵動(dòng)力學(xué)發(fā)酵工程發(fā)酵動(dòng)力學(xué)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)：發(fā)酵動(dòng)力學(xué)：是對(duì)微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成過(guò)程的定量描述，是對(duì)微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成過(guò)程的定量描述，研究微生物生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成、底物消耗之間研究微生物生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成、底物消耗之間動(dòng)態(tài)定量關(guān)系動(dòng)態(tài)定量關(guān)系，定量描述定量描述微生物微生物 生長(zhǎng)生長(zhǎng) 和和 產(chǎn)物形成產(chǎn)物形成 過(guò)程過(guò)程。主要研究主要研究：1、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)特征參數(shù)特征：微生物生長(zhǎng)：微生物生長(zhǎng)速率速率、發(fā)酵產(chǎn)物合成、發(fā)酵產(chǎn)物合成速率速率、底物消耗、底物消耗速率速率及其及其轉(zhuǎn)化率、效率轉(zhuǎn)化率、效率等；等；2、影響發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)的、影響發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)的各種理化因子各種理化因子；3、發(fā)酵

2、動(dòng)力學(xué)的、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型。 研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的目的研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的目的典型的分批發(fā)酵工藝流程圖分批發(fā)酵過(guò)程關(guān)于關(guān)于菌齡菌齡的描述的描述三三、微生物生長(zhǎng)速率與底物濃度的關(guān)系微生物生長(zhǎng)速率與底物濃度的關(guān)系 t1 t2 t3 t4 t5 分批發(fā)酵時(shí)典型的微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線 菌體濃度X時(shí)間 t分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)About Lag Phase （延遲期）（延遲期）dtdxXdtdx 1.maxdxdtxmax0lntxtxmaxln2dt指數(shù)生長(zhǎng)期指數(shù)生長(zhǎng)期dtdXX1dtdNNn1或tteXX0ttneNN0或X細(xì)胞濃度（g/L）；N細(xì)胞個(gè)數(shù)； t生長(zhǎng)時(shí)間；X0、Xt初始微生

3、物濃度和t時(shí)細(xì)胞濃度；N0、Nt初始細(xì)胞個(gè)數(shù)和t時(shí)細(xì)胞個(gè)數(shù)； 以細(xì)胞濃度表示的比生長(zhǎng)速率以細(xì)胞濃度表示的比生長(zhǎng)速率； 以細(xì)胞數(shù)量表示的比生長(zhǎng)速率以細(xì)胞數(shù)量表示的比生長(zhǎng)速率。 n分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)在對(duì)數(shù)期是常數(shù)，取得最大值，在其它生長(zhǎng)期不是在對(duì)數(shù)期是常數(shù)，取得最大值，在其它生長(zhǎng)期不是常數(shù)。分析各生長(zhǎng)不同時(shí)期的常數(shù)。分析各生長(zhǎng)不同時(shí)期的數(shù)值。數(shù)值。Lag Phase ：x無(wú)凈生長(zhǎng)，無(wú)凈生長(zhǎng)， 0 ；加速生長(zhǎng)期：加速生長(zhǎng)期：x增加，增加，21 ；Exponential Phase ：x對(duì)數(shù)增加，對(duì)數(shù)增加，常數(shù)；常數(shù)；減速生長(zhǎng)期：減速生長(zhǎng)期：x增加緩慢，增加緩慢，43 ；Stationar

4、y Phase：x無(wú)凈生長(zhǎng)，無(wú)凈生長(zhǎng)，0 ；Death Phase：x減少，減少，0。CBAXS0初 始 底 物 濃 度菌 體 濃 度分批發(fā)酵中初始底物濃度對(duì)穩(wěn)定期分批發(fā)酵中初始底物濃度對(duì)穩(wěn)定期菌體濃度的影響菌體濃度的影響 A AB B區(qū)：區(qū)：菌體濃度與初始底物濃度成正比，有： )(0/tSXSSYXX X為菌體濃度，為菌體濃度， 為針對(duì)底物為針對(duì)底物的細(xì)胞得率，初始的細(xì)胞得率，初始X X0 0為零；為零；S S0 0為底物初始濃度；為底物初始濃度；S St t為底物殘留濃度。為底物殘留濃度。 SXY/ B BC C區(qū)：區(qū)：隨S0增加，菌體濃度達(dá)最高水平，再增加S0 ，菌體不再增加。C C區(qū)：

5、區(qū)：菌體活性受初始高濃度底物及高滲作用抑制，菌體濃度與初始底物濃度成反比。 X/SY高濃度底物高濃度底物抑制的情形抑制的情形lDeclineDecline（開(kāi)始出現(xiàn)一種底物不足的限制）（開(kāi)始出現(xiàn)一種底物不足的限制）: : (1) (1)若不存在抑制物時(shí)若不存在抑制物時(shí) Monod Monod 模型模型: : sKssmtsKsxxsm0lnlntexx0分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)sKssmmaxsSKS比生長(zhǎng)素率限制性底物殘留濃度St 殘留的限制性底物濃度對(duì)微生物 比生長(zhǎng)率的影響 表征與培養(yǎng)基中殘留的生長(zhǎng)限制性底物St的關(guān)系 tSKtSmsMonod方程： K

6、s底物親和常數(shù)，等于處于1/2m時(shí)的底物濃度，表征微生物對(duì)底物的親和力，兩者成反比。maxsSKS：菌體的生長(zhǎng)比速：菌體的生長(zhǎng)比速S：限制性基質(zhì)濃度：限制性基質(zhì)濃度Ks：底物親和常數(shù)：底物親和常數(shù)max: 最大比生長(zhǎng)速度最大比生長(zhǎng)速度單一限制性基質(zhì)：就是單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)指在培養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)物中，對(duì)微生物的生長(zhǎng)物中，對(duì)微生物的生長(zhǎng)起到限制作用的營(yíng)養(yǎng)物。起到限制作用的營(yíng)養(yǎng)物。00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmKsMonodMonod研究了基質(zhì)濃度與生長(zhǎng)速度的關(guān)系研究了基質(zhì)濃度與生長(zhǎng)速度的關(guān)系MonodMonod方程方程(

7、1949)(1949)00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmmaxsSKSmaxsSvvKS米氏方程:00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmKsMonod方程的參數(shù)求解方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法雙倒數(shù)法)：將Monod方程取倒數(shù)可得：111smmSKsmmSKS或： 這樣通過(guò)測(cè)定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長(zhǎng)速度，就可以通過(guò)回歸分析計(jì)算出Monod方程的兩個(gè)參數(shù)。但在低但在低S值時(shí)，值時(shí)， 的偏差較大，影響的偏差較大，影響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

8、值時(shí)精度高，也可用回歸方法值時(shí)精度高，也可用回歸方法 。maxsKSSMonod方程的意義方程的意義 KS越大，表示微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸引親和力越小，反之越大。對(duì)于許多微生物來(lái)說(shuō)，KS值是很小的，一般為0.1120mg/l或0.013.0mmol/l，這表示微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有較高的吸收親和力?；|(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)基質(zhì)包括細(xì)胞生長(zhǎng)與代謝所需的各種營(yíng)養(yǎng)成分，其消耗分為三個(gè)方面：細(xì)胞生長(zhǎng)，合成新細(xì)胞；細(xì)胞維持生命所消耗能量的需求；合成代謝產(chǎn)物。符號(hào)參數(shù)測(cè)量方法X生物量細(xì)胞干重，濁度，細(xì)胞數(shù)S底物酶法分析，化學(xué)法，色譜法P產(chǎn)物酶法分析、HPLC 或特殊方法O氧PO專(zhuān)用電極分析C二氧化碳CO專(zhuān)用電極分析Hv發(fā)

9、酵熱溫度、熱平衡菌體生長(zhǎng)速率為菌體生長(zhǎng)速率為dtdxrxdtdsrsdtdprp3 3、有關(guān)速率的概念、有關(guān)速率的概念基質(zhì)比消耗速率基質(zhì)比消耗速率qs,g(或或mo1)g菌體菌體h：系：系指每克菌體在一小時(shí)內(nèi)消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量。它指每克菌體在一小時(shí)內(nèi)消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量。它表示細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用的速率或效率。表示細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用的速率或效率。 產(chǎn)物比生產(chǎn)速率產(chǎn)物比生產(chǎn)速率qp，g(或或mo1)g菌體菌體h：系指每克菌體在一小時(shí)內(nèi)合成產(chǎn)物的量，它表系指每克菌體在一小時(shí)內(nèi)合成產(chǎn)物的量，它表示細(xì)胞合成產(chǎn)物的速率或能力，可以作為判斷示細(xì)胞合成產(chǎn)物的速率或能力，可以作為判斷微生物合成代謝產(chǎn)物的效率。微生物合

10、成代謝產(chǎn)物的效率。 細(xì)胞生長(zhǎng)的比速率為細(xì)胞生長(zhǎng)的比速率為 ：dtdxx1dtdsxqs1dtdpxqp1分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)相關(guān)型部分相關(guān)型非相關(guān)型產(chǎn)物合成相關(guān)、部分相關(guān)、非相關(guān)模型動(dòng)力學(xué)示意圖 XPPxXPYqdtdxYdtdP/1/ 產(chǎn)物的生成是微生物細(xì)胞主要能量代謝的直產(chǎn)物的生成是微生物細(xì)胞主要能量代謝的直接結(jié)果，菌體生長(zhǎng)速率的變化與產(chǎn)物生成速率的接結(jié)果，菌體生長(zhǎng)速率的變化與產(chǎn)物生成速率的變化相平行。變化相平行。分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)PqxdtdxdtdP 產(chǎn)物間接由能量代謝生成，不是底物的產(chǎn)物間接由能量代謝生成，不是底物的直接氧化產(chǎn)物，而是菌體內(nèi)生物氧化過(guò)程的直接氧化

11、產(chǎn)物，而是菌體內(nèi)生物氧化過(guò)程的主流產(chǎn)物（與初生代謝緊密關(guān)聯(lián)）。主流產(chǎn)物（與初生代謝緊密關(guān)聯(lián)）。 分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)pqxdtdP若考慮到產(chǎn)物可能存在分解時(shí)，則若考慮到產(chǎn)物可能存在分解時(shí)，則PkxqPkxdtdPdpd 產(chǎn)物生成與能量代謝不直接相關(guān)，通過(guò)細(xì)胞產(chǎn)物生成與能量代謝不直接相關(guān)，通過(guò)細(xì)胞進(jìn)行的獨(dú)特的生物合成反應(yīng)而生成。進(jìn)行的獨(dú)特的生物合成反應(yīng)而生成。 分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)殺假絲菌素分批發(fā)酵中的葡萄糖消耗、DNA含量和殺假絲菌素合成的變化 。l 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例v優(yōu)點(diǎn)： 操作簡(jiǎn)單、投資少 運(yùn)行周期短 染菌機(jī)會(huì)減少 生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品質(zhì)量較易控制v缺點(diǎn)： 不利于測(cè)定過(guò)程動(dòng)力

12、學(xué)，存在底物限制或抑制問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)底物分解阻遏效應(yīng)?及二次生長(zhǎng)?現(xiàn)象。 對(duì)底物類(lèi)型及初始高濃度敏感的次級(jí)代謝物如一些抗生素等就不適合用分批發(fā)酵（生長(zhǎng)與合成條件差別大） 養(yǎng)分會(huì)耗竭快，無(wú)法維持微生物繼續(xù)生長(zhǎng)和生產(chǎn) 非生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)率較低 主要內(nèi)容連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置單級(jí)連續(xù)發(fā)酵示意圖單級(jí)連續(xù)發(fā)酵示意圖連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置-單級(jí)連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置-多級(jí)串聯(lián)兩級(jí)連續(xù)發(fā)酵示意圖兩級(jí)連續(xù)發(fā)酵示意圖培養(yǎng)基輸入培養(yǎng)基進(jìn)入下一級(jí)發(fā)酵罐培養(yǎng)基進(jìn)入后處理或到下一級(jí)發(fā)酵罐 多級(jí)罐式連續(xù)發(fā)酵裝置示意圖多級(jí)罐式連續(xù)發(fā)酵裝置示意圖 連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置-多級(jí)串聯(lián) a: 再循環(huán)比率（回流比）再循環(huán)比率（

13、回流比） c: 濃縮因子濃縮因子 細(xì)胞回流的單級(jí)連續(xù)發(fā)酵示意圖細(xì)胞回流的單級(jí)連續(xù)發(fā)酵示意圖連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置-細(xì)胞回流式eSFXF)1 (eXFcXF,發(fā)酵罐培養(yǎng)物流出無(wú)菌培養(yǎng)基流入供給連續(xù)接種再循環(huán)d連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置-塞流式DTL1連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵xxDxDxxdtdxxVFxVFdtdxG00 xDdtdx連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵積累的細(xì)胞（凈增量）積累的細(xì)胞（凈增量）= = 流入的細(xì)胞流入的細(xì)胞- -流出的細(xì)胞流出的細(xì)胞+ +生長(zhǎng)的細(xì)生長(zhǎng)的細(xì) 胞胞- -死亡的細(xì)胞死亡的細(xì)胞0dtdxxdtdx, 0 xdtdx, 0連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理

14、論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵xDdtdxA A. .穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)(恒濁培養(yǎng)） 此時(shí)此時(shí) =D（單級(jí)連續(xù)發(fā)酵重要特征單級(jí)連續(xù)發(fā)酵重要特征）B.B.不穩(wěn)定時(shí)，不穩(wěn)定時(shí)，當(dāng)當(dāng)D，SPPSXYxqmxYxSVFSVFdtds/0SXYx/0/SPPYxqSXYxSSD/0l 限制性基質(zhì)的物料衡算限制性基質(zhì)的物料衡算連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵dtdsdtdsdtdsSXYxSSD/0SSYxDSX0/SSYxDSX0/l 限制性基質(zhì)的物料衡算限制性基質(zhì)的物料衡算連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵mY1Y1GS/X連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵裝置裝置控制控制對(duì)象對(duì)象培養(yǎng)基

15、培養(yǎng)基培養(yǎng)基流速培養(yǎng)基流速恒濁器恒濁器菌體密度（內(nèi)控制）菌體密度（內(nèi)控制）無(wú)限制生長(zhǎng)無(wú)限制生長(zhǎng)因子因子不恒定不恒定恒化器恒化器培養(yǎng)基流速（外控制）培養(yǎng)基流速（外控制） 有限制生長(zhǎng)有限制生長(zhǎng)因子因子恒定恒定00SKSDSmCCSmsmDSKSSKSD00稀釋率稀釋率D的大小的大小不能不能超過(guò)連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的臨界稀釋率超過(guò)連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的臨界稀釋率xDdtdx0dtdx00SKSDSmC連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵SKSDSm連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵DDKSSKSDmSSmSSYxSX0/DDKSYxmSSX0/連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵DDKSDYDxmSS

16、X0/, 0dDdDx01SKKDSSm可獲得最大的細(xì)胞生產(chǎn)率，為可獲得最大的細(xì)胞生產(chǎn)率，為20000/SKSSKSYDxSSmSXm連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵0/maxSYDxmSXmSmcSKSD00m0dtdx連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵DSSYxSX0/DDKSmSDDKSDYDxmSSX0/連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵PkPPDxqPkDPDPdtdPdtdPDPD)(00細(xì)胞合成0)(總變化dtdP00PxqDPP連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵XDXDXdtdXoutinYDYYdtdYYzDZZdtdZzDXXdtdXX2連續(xù)發(fā)酵動(dòng)

17、力學(xué)-理論l 應(yīng)用應(yīng)用 連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論hLgdtdP/018. 02hLgdtdP/012. 03hL/g415. 0dtdxl 應(yīng)用應(yīng)用-青霉素連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵對(duì)比青霉素連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵對(duì)比 111110593. 0415. 0711hdtdxxD2212VdtdPFPFPdtdPPPD2122)(120545. 007. 04 . 0018. 0hD2211,DFVDFVhDDtn3 .351121hLgtPDPn/011. 03 .354 . 022132330545. 0)(1hdtdPPPD補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 流加方式流加方式補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)以補(bǔ)加的培養(yǎng)

18、基成分來(lái)區(qū)分以補(bǔ)加的培養(yǎng)基成分來(lái)區(qū)分 xVdtxVdSXYFSdtSVd/01xVqdtPVdP補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)dtxVddtdVxdtdxVdtxVdFdtdVxFdtdxVxVxDxVFdtdx)()(補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)SFdtdSVdtdVSdtdSVdtSVdSXYFS/01dtxVdSFdtdSV補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)xVdtxVdSXYxSSDdtdS/0補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)xVqdtdPVFPdtdPVdtdVPdtPVdPPDxqPVFxqdtdPpP0dtdS, 0dtdxD補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)20222FtVFVFVFdtddtd21tdtd補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)分批發(fā)酵1 一般投資小2 易轉(zhuǎn)產(chǎn)、生產(chǎn)靈活3 分批操作中某一階段可獲得高的轉(zhuǎn)化率4 發(fā)酵周期短，菌種退化率小1 因放罐、滅菌等原因，非生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)2 經(jīng)常滅菌會(huì)降低儀器壽命3 前培養(yǎng)和種