第六章 發(fā)酵動力學

1、 第六章第六章 發(fā)酵動力學發(fā)酵動力學一、分批培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)的基本概一、分批培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)的基本概念、特點和應用念、特點和應用二、分批培養(yǎng)微生物生長過程以及細胞、產(chǎn)物得率二、分批培養(yǎng)微生物生長過程以及細胞、產(chǎn)物得率三、連續(xù)培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng)動力學三、連續(xù)培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng)動力學本章學習要點本章學習要點1、掌握分批培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)的基本概念、特掌握分批培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)的基本概念、特點和應用。理解分批培養(yǎng)微生物生長和產(chǎn)物形成動力學；掌握點和應用。理解分批培養(yǎng)微生物生長和產(chǎn)物形成動力學；掌握補料分批培養(yǎng)技術的應用。補料分批培養(yǎng)技術的應用。2、了解其微

2、生物生長和產(chǎn)物形成動力學；比生長速率、產(chǎn)物了解其微生物生長和產(chǎn)物形成動力學；比生長速率、產(chǎn)物比生產(chǎn)速率、得率系數(shù)基本概念；理解分批培養(yǎng)微生物生長過比生產(chǎn)速率、得率系數(shù)基本概念；理解分批培養(yǎng)微生物生長過程與特點以及細胞、產(chǎn)物得率得計算。程與特點以及細胞、產(chǎn)物得率得計算。3、了解、了解連續(xù)培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng)微生物生長動力學。連續(xù)培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng)微生物生長動力學。VXFXdtdX0 X菌體濃度 比生長速率 F0 培養(yǎng)液移走速率 V培養(yǎng)液體積 細胞量的積累速率 = 細胞生長速率細胞的消失速率VSFmXYXqYXVSFdtdSsppsxi0/0基質(zhì)的消耗速率 = 補料中基質(zhì)的添加速率生長消耗基質(zhì)的速率

3、產(chǎn)物合成用去基質(zhì)的速率維持所消耗基質(zhì)的速率基質(zhì)的移去速率 S基質(zhì)濃度基質(zhì)濃度 Fi 補料速率補料速率 以消耗的基質(zhì)為基準的細胞得率系數(shù)（以消耗的基質(zhì)為基準的細胞得率系數(shù)（g細胞細胞/g消耗的消耗的 基質(zhì)）基質(zhì)） 以消耗的基質(zhì)為基準的產(chǎn)物生成系數(shù)，即轉(zhuǎn)化率（以消耗的基質(zhì)為基準的產(chǎn)物生成系數(shù)，即轉(zhuǎn)化率（g產(chǎn)產(chǎn) 物物/g消耗的基質(zhì)）消耗的基質(zhì)） 產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率。它的意義是單位濃度的生產(chǎn)菌細胞產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率。它的意義是單位濃度的生產(chǎn)菌細胞 在單位時間形成的產(chǎn)物量。其數(shù)學表達式為在單位時間形成的產(chǎn)物量。其數(shù)學表達式為 其中：其中：P 產(chǎn)物的濃度產(chǎn)物的濃度； 單位質(zhì)量細胞生成的產(chǎn)物單位質(zhì)量細胞生成的產(chǎn)

4、物 量（量（g產(chǎn)物產(chǎn)物/g細胞）。細胞）。sxY/pqspY/dtdPXqp1xppYq/xPY/KPVPFXqdtdPp0產(chǎn)物形成的速率 = 產(chǎn)物合成速率產(chǎn)物移去速率產(chǎn)物被破壞速 K產(chǎn)物破壞常數(shù)sppsxYXqmXYXdtdS/sppsxsYqmYqdtdSX/1sq時間菌體濃度延遲期指數(shù)生長期減速期靜止期衰亡期倍增時間倍增時間：td延遲期：dxdt 0 0指數(shù)生長期:maxmax減速期:ddt 0 0靜止期：dxdt0 0maxmaxXXXX衰亡期:dxdt0 0第二節(jié)第二節(jié) 微生物生長和分批發(fā)酵動力學微生物生長和分批發(fā)酵動力學 微生物生長曲線dtdxXdtdx 1.maxdxdtxmax

5、0lntxtxmaxln2dt指數(shù)生長期指數(shù)生長期在對數(shù)期是常數(shù)，取得最大值，在其它生長在對數(shù)期是常數(shù)，取得最大值，在其它生長期不是常數(shù)。分析各生長不同時期的期不是常數(shù)。分析各生長不同時期的數(shù)值。數(shù)值。Lag Phase ：x無凈生長，無凈生長， 0 ；加速生長期：加速生長期：x增加，增加，21 ；Exponential Phase ：x對數(shù)增加，對數(shù)增加，常數(shù)；常數(shù)；減速生長期：減速生長期：x增加緩慢，增加緩慢，43 ；Stationary Phase：x無凈生長，無凈生長，0 ；Death Phase：x減少，減少，0。三三、微生物生長速率與底物濃度的關系微生物生長速率與底物濃度的關系 m

6、axsSKSMonodMonod研究了基質(zhì)濃度與生長速度的關系研究了基質(zhì)濃度與生長速度的關系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 ：菌體的生長比速：菌體的生長比速 S：限制性基質(zhì)濃度：限制性基質(zhì)濃度 Ks：半飽和常數(shù)：半飽和常數(shù)max: 最大比生長速度最大比生長速度單一限制性基質(zhì)單一限制性基質(zhì)：就是：就是指在培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)指在培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物

7、中，對微生物的生長物中，對微生物的生長起到限制作用的營養(yǎng)物。起到限制作用的營養(yǎng)物。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： 這樣通過測定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長速度，就可以通過回歸分析計算出Monod方程的兩個參數(shù)。但在低但在低S值時，值時， 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值時精度高，也可用回歸方法值時精度高，也可用回歸方法 。maxsKSS

8、例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l) 6 33 64 153 221(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的max，Ks和td?解：將數(shù)據(jù)整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221smmSKS01002000100200300400 /ssm10.9m108.4sksmmSKSmaxln2dtGadenGaden對發(fā)酵的三分類與對發(fā)酵的三分類與PirtPirt方程：方程：生長偶聯(lián)型生長偶聯(lián)型 產(chǎn)物的形成和菌體的生長相偶聯(lián)產(chǎn)物的形成和菌體的生長相偶聯(lián)3 3、產(chǎn)物形成動

9、力學模式、產(chǎn)物形成動力學模式如：葡萄糖厭氧發(fā)酵生成乙醇如：葡萄糖厭氧發(fā)酵生成乙醇xp部分生長偶聯(lián)型部分生長偶聯(lián)型產(chǎn)物的形成和菌體的生長部分偶聯(lián)部分偶聯(lián)xp如：氨基酸發(fā)酵，檸檬酸等有機酸的發(fā)酵非生長偶聯(lián)型產(chǎn)物的形成和菌體的生長非偶聯(lián)非偶聯(lián)xp如抗生素，微生物毒素等次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)最大生產(chǎn)率最大生產(chǎn)率()：發(fā)酵時間從對數(shù)生長期：發(fā)酵時間從對數(shù)生長期開始至發(fā)酵結(jié)束計算得出的生產(chǎn)率。開始至發(fā)酵結(jié)束計算得出的生產(chǎn)率。平均生產(chǎn)率（平均生產(chǎn)率（P）：包括洗罐、滅菌、發(fā)酵、）：包括洗罐、滅菌、發(fā)酵、放罐等整個生產(chǎn)時間計算得出的生產(chǎn)率。放罐等整個生產(chǎn)時間計算得出的生產(chǎn)率。1 1、稀釋率、稀釋率稀釋率（D）：單

10、位時間內(nèi)新鮮培養(yǎng)基流入的體積（F）與總體積之比(V)，即VFD 2 2、微生物比生長速率與稀釋率的關系、微生物比生長速率與稀釋率的關系 細胞增加的速率細胞增加的速率=細胞生長速率細胞生長速率細胞流出速細胞流出速率率細胞死亡速率細胞死亡速率 dx/dt=ux-Dx 當連續(xù)發(fā)酵達到平衡時，當連續(xù)發(fā)酵達到平衡時， dx/dt=0，即，即u=D3 3、細胞濃度與限制性基質(zhì)濃度的關系、細胞濃度與限制性基質(zhì)濃度的關系 基質(zhì)的消耗速率基質(zhì)的消耗速率=流入的基質(zhì)速率流入的基質(zhì)速率流出的基質(zhì)流出的基質(zhì)速率速率細胞生長基質(zhì)消耗速率細胞生長基質(zhì)消耗速率細胞維持基質(zhì)消耗細胞維持基質(zhì)消耗速率速率產(chǎn)物生成基質(zhì)消耗速率：產(chǎn)

11、物生成基質(zhì)消耗速率： dS/dt=DS0DSux/yX/Smxupx/yX/S 當發(fā)酵的目的是培養(yǎng)細胞時，細胞維持基質(zhì)、產(chǎn)物生當發(fā)酵的目的是培養(yǎng)細胞時，細胞維持基質(zhì)、產(chǎn)物生成基質(zhì)消耗速率忽略：成基質(zhì)消耗速率忽略： dS/dt=DS0DSux/yX/S 當連續(xù)發(fā)酵達到平衡時，當連續(xù)發(fā)酵達到平衡時， dx/dt=0，D=u x=yX/S(S0S)4 4、限制性基質(zhì)濃度、細胞濃度與稀釋率的關系、限制性基質(zhì)濃度、細胞濃度與稀釋率的關系及稀釋率對限制性基質(zhì)濃度、細胞濃度、細及稀釋率對限制性基質(zhì)濃度、細胞濃度、細胞生長速率、倍增時間的影響胞生長速率、倍增時間的影響n限制性基質(zhì)濃度隨稀釋率的增加而增加，但在

12、很大范圍內(nèi)增限制性基質(zhì)濃度隨稀釋率的增加而增加，但在很大范圍內(nèi)增加不明顯。（當稀釋率等于最大生長比速率時，基質(zhì)濃度等加不明顯。（當稀釋率等于最大生長比速率時，基質(zhì)濃度等于起始濃度，此稀釋率為臨界稀釋率于起始濃度，此稀釋率為臨界稀釋率 ）n細胞濃度隨稀釋率的增加而細胞濃度隨稀釋率的增加而 減小，但在很大范圍內(nèi)減小不減小，但在很大范圍內(nèi)減小不明顯明顯n一定范圍內(nèi)，隨稀釋率的增加，細胞倍增時間顯著縮短一定范圍內(nèi)，隨稀釋率的增加，細胞倍增時間顯著縮短n一定范圍內(nèi)細胞生長速率與稀釋率成正比一定范圍內(nèi)細胞生長速率與稀釋率成正比5 5、細胞生產(chǎn)率及其與分批發(fā)酵中細胞生產(chǎn)率、細胞生產(chǎn)率及其與分批發(fā)酵中細胞生產(chǎn)

13、率的比較的比較n最大生長比速率越大，連續(xù)培養(yǎng)的細胞生產(chǎn)率與最大生長比速率越大，連續(xù)培養(yǎng)的細胞生產(chǎn)率與分批培養(yǎng)的細胞生產(chǎn)率之比越大分批培養(yǎng)的細胞生產(chǎn)率之比越大n當最大生長比速率過小時，不宜連續(xù)發(fā)酵。當最大生長比速率過小時，不宜連續(xù)發(fā)酵。1 1、細胞生物量的生產(chǎn)、細胞生物量的生產(chǎn)2 2、代謝產(chǎn)物生產(chǎn)、代謝產(chǎn)物生產(chǎn)3 3、動物細胞代謝產(chǎn)物生產(chǎn)、動物細胞代謝產(chǎn)物生產(chǎn)4 4、用于研究工具、用于研究工具分批、連續(xù)、補料操作方式的比較分批、連續(xù)、補料操作方式的比較方式方式優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點分批發(fā)酵分批發(fā)酵1 一般投資小一般投資小2 易轉(zhuǎn)產(chǎn)、生產(chǎn)靈活易轉(zhuǎn)產(chǎn)、生產(chǎn)靈活3 分批操作中某一階段可獲分批操作中某一階段可

14、獲得高的轉(zhuǎn)化率得高的轉(zhuǎn)化率4 發(fā)酵周期短，菌種退化率發(fā)酵周期短，菌種退化率小小1 因放罐、滅菌等原因，非因放罐、滅菌等原因，非生產(chǎn)時間長生產(chǎn)時間長2 經(jīng)常滅菌會降低儀器壽命經(jīng)常滅菌會降低儀器壽命3 前培養(yǎng)和種子的花費大前培養(yǎng)和種子的花費大4 需較多的操作人員或自動需較多的操作人員或自動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵1 可實現(xiàn)有規(guī)律的機械、自動可實現(xiàn)有規(guī)律的機械、自動化化2 操作人員少操作人員少3 反應器體積小、非生產(chǎn)時反應器體積小、非生產(chǎn)時間少間少4 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定5 操作人員接觸毒害物質(zhì)的操作人員接觸毒害物質(zhì)的可能性小可能性小6 測量儀器使用壽命長測量儀器使用壽命長1 操作不靈活

15、操作不靈活2 因操作條件不易改變，原因操作條件不易改變，原料質(zhì)量必須穩(wěn)定料質(zhì)量必須穩(wěn)定3 若連續(xù)滅菌，加上控制系若連續(xù)滅菌，加上控制系統(tǒng)和自動化設備，投資較大統(tǒng)和自動化設備，投資較大4必須不斷地排除一些非溶性必須不斷地排除一些非溶性的固型物的固型物5 易染菌，菌種易退化易染菌，菌種易退化補料發(fā)酵補料發(fā)酵1 操作靈活操作靈活2 染菌、退化幾率小染菌、退化幾率小3 可獲得高的轉(zhuǎn)化率可獲得高的轉(zhuǎn)化率4 對發(fā)酵過程可實現(xiàn)優(yōu)化控對發(fā)酵過程可實現(xiàn)優(yōu)化控制制5 因經(jīng)常滅菌會降低儀器使因經(jīng)常滅菌會降低儀器使用壽命用壽命1 非生產(chǎn)時間長非生產(chǎn)時間長2 需較多的操作人員或計算需較多的操作人員或計算機控制系統(tǒng)機控制系統(tǒng)3 操作人員接觸一些病原和操作人員接觸一些病原和有毒產(chǎn)品的可能性大有毒產(chǎn)品的可能性大優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點1.培養(yǎng)基含水量少，廢水、廢渣少，環(huán)培養(yǎng)基含水量少，廢水、廢渣少，環(huán) 境境 污染少，容易處理；污染少，容易處理；1. 菌種限于耐低水活性（菌種限于耐低水活性（aw）的微生）的微生 物，菌種選擇性少物，菌種選擇性少2.消耗低，供能設備簡易；消耗低，供