微生物工程發(fā)酵過程動力學(xué)的基本概念

關(guān)于微生物工程發(fā)酵過程動力學(xué)的基本概念第1頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三主要內(nèi)容：一、生物反應(yīng)動力學(xué)描述二、生物反應(yīng)模式與發(fā)酵方法三、微生物發(fā)酵動力學(xué)四、微生物生長代謝過程中的質(zhì)量平衡第2頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三一種是使底物在酶（游離酶或固定化酶）的作用下進行反應(yīng)，如淀粉的液化、異構(gòu)糖的生產(chǎn)、無側(cè)鏈青霉素（6-APA）的制造等。另一種是通過細胞的培養(yǎng)，利用細胞中的酶系，把培養(yǎng)基中的物質(zhì)通過復(fù)雜的生物反應(yīng)轉(zhuǎn)化成新的細胞及其代謝產(chǎn)物。

重點生物反應(yīng)：第3頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三生物反應(yīng)動力學(xué)的研究內(nèi)容研究反應(yīng)速度及其影響因素并建立反應(yīng)速度與影響因素的關(guān)聯(lián)反應(yīng)動力學(xué)模型反應(yīng)器特性反應(yīng)器的操作模型操作條件與反應(yīng)結(jié)果的關(guān)系，定量地控制反應(yīng)過程。第4頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)、生物反應(yīng)過程動力學(xué)描述發(fā)酵過程反應(yīng)的描述

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）生物過程反應(yīng)速度的描述菌體生長速率/菌體比生長速率基質(zhì)消耗速率/基質(zhì)比消耗速率產(chǎn)物形成速率/產(chǎn)物比形成速率第5頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三菌體生長速率比生長速率一、菌體生長速率

比生長速率除受細胞自身遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素的影響。

第6頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

微生物細胞比生長速率和倍增時間因受遺傳特性和生長條件的控制，有很大的差異。第7頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第8頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第9頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三二、基質(zhì)消耗速率

以菌體得率系數(shù)為媒介，可確定基質(zhì)的消耗速率與生長速率之間的關(guān)系。第10頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三當(dāng)基質(zhì)既是能源又是碳源時：

碳源總消耗速率＝用于生長的消耗速率＋用于維持代謝的消耗速率第11頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三定義：消耗單位基質(zhì)量ΔS（每克或每摩爾）與生成的干菌體ΔX（g）之間的比值定義為菌體得率（YX/S）。[消耗1g基質(zhì)生成細胞的克數(shù)]

通常，菌體X以干重表示；基質(zhì)S是培養(yǎng)液中某一限制性底物。說明：菌體得率第12頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第13頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三三、代謝產(chǎn)物的生成速率第14頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三基質(zhì)的消耗比速：(h-1)菌體的生長比速：產(chǎn)物的形成比速：(h-1)(h-1)發(fā)酵過程反應(yīng)速度的描述

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）第15頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)、生物反應(yīng)模式與發(fā)酵方法一、生物反應(yīng)模式PXXPXP生長偶聯(lián)型非偶聯(lián)型混合型根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細胞生成速率的關(guān)系分類PPXP第16頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三(1)類型Ⅰ（偶聯(lián)型模型）

產(chǎn)物的形成與細胞生長呈相關(guān)的過程。產(chǎn)物是細胞能量代謝的結(jié)果，此時產(chǎn)物通常是基質(zhì)的分解代謝產(chǎn)物。例如乙醇、乳酸發(fā)酵。其動力學(xué)方程可表示為:根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細胞生成速率的關(guān)系分類第17頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

(2)類型Ⅲ（非偶聯(lián)型）

產(chǎn)物的形成與細胞生長不相關(guān)或無直接關(guān)系，其特點是細胞生長期基本無產(chǎn)物合成，細胞停止生長產(chǎn)物則大量合成。屬于這類的產(chǎn)物是次級代謝產(chǎn)物。例如青霉素、鏈霉素等抗生素發(fā)酵。其動力學(xué)方程可表示為：第18頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

(3)類型Ⅱ（混合型）

產(chǎn)物的形成與細胞生長部分相關(guān)或具有間接關(guān)系，例如檸檬酸、谷氨酸發(fā)酵等。

其動力學(xué)方程可表示為：第19頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三定義：生成的代謝產(chǎn)物量ΔP對底物的消耗量ΔS（g）之比定義為代謝產(chǎn)物收率（YP/S）。

假如完全沒有菌體生成，則理論代謝產(chǎn)物收率可達到最大值。說明：代謝產(chǎn)物收率第20頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第21頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三二、發(fā)酵操作方法

定義：每一個分批發(fā)酵過程都經(jīng)歷接種，生長繁殖，菌體衰老進而結(jié)束發(fā)酵，最終提取出產(chǎn)物。特點：微生物所處的環(huán)境是不斷變化的，可進行少量多品種的發(fā)酵生產(chǎn)，發(fā)生雜菌污染能夠很容易終止操作，當(dāng)運轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化或需要生產(chǎn)新產(chǎn)品時，易改變處理對策，對原料組成要求較粗放等。（一）、分批發(fā)酵法第22頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三（二）、補料分批發(fā)酵法定義：所謂分批補料培養(yǎng)技術(shù)，是指在分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)的添加新鮮培養(yǎng)基的方法。特點：與傳統(tǒng)分批發(fā)酵相比，其優(yōu)點在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點為：①可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不致于加劇供氧的矛盾。②避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物。第23頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三補料分批培養(yǎng)適合于以下條件①生長非偶聯(lián)型產(chǎn)物的生產(chǎn)②高密度培養(yǎng)③產(chǎn)物合成受代謝物阻遏控制④利用營養(yǎng)缺陷型菌株合成產(chǎn)物⑤補料分批培養(yǎng)還適用于底物對微生物具有抑制作用等情況。⑥此外，如果產(chǎn)物黏度過高或水分蒸發(fā)過大使傳質(zhì)受到影響時，可以補加水分降低發(fā)酵液黏度或濃度。第24頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三補料分批培養(yǎng)的優(yōu)點與分批培養(yǎng)方式比較與連續(xù)培養(yǎng)方式的比較1、可以解除培養(yǎng)過程中的底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)2、對于好氧過程，可以避免在分批培養(yǎng)過程中因一次性投糖過多造成的細胞大量生長、耗氧過多以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況；在某種程度上可減少微生物細胞的生成量、提高目的產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。3、微生物細胞可以被控制在一系列連續(xù)的過濾態(tài)階段，可用來控制細胞的質(zhì)量；并且可重復(fù)某個時期細胞培養(yǎng)的過渡態(tài)，可用于理論研究1、不需要嚴格的無菌條件2、不會產(chǎn)生微生物菌種的老化和變異3、最終產(chǎn)物濃度較高，有利于產(chǎn)物的分離4、使用范圍較廣第25頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三（三）、連續(xù)發(fā)酵法所謂連續(xù)培養(yǎng)，就是在發(fā)酵過程中一邊補入新鮮料液，一邊以相近的流速放料，維持發(fā)酵液原來的體積。第26頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點：①高效，它簡化了裝料、滅菌、出料、清洗發(fā)酵罐等許多單元操作，從而減少了非生產(chǎn)時間和提高了設(shè)備的利用率；②自控，便于利用各種儀表進行自動控制；③產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定；④生長與代謝產(chǎn)物形成的兩種類型節(jié)約了大量動力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、電的負荷均勻合理。連續(xù)發(fā)酵缺點：菌種易于退化。其次是易遭雜菌污染。在連續(xù)培養(yǎng)中，營養(yǎng)物的利用率一般亦低于單批培養(yǎng)。第27頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第28頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三連續(xù)發(fā)酵類型

類型開放式(菌體取出)封閉式(菌體不取出)

單罐多罐單罐多罐均勻混合非循環(huán)攪拌發(fā)酵罐攪拌罐(串聯(lián))透析膜培養(yǎng)

循環(huán)攪拌發(fā)酵罐(菌體部分重復(fù)使用)攪拌罐串聯(lián)(菌體部分重復(fù)使用)攪拌發(fā)酵罐(菌體100％重復(fù)使用)攪拌發(fā)酵罐串聯(lián)(菌體100％重復(fù)使用)非均勻混合非循環(huán)管道發(fā)酵器塔式發(fā)酵罐塔式發(fā)酵罐裝有隔板的管道發(fā)酵器(臥式、立式)塔式發(fā)酵罐(菌體100％重復(fù)使用)塔式發(fā)酵罐(菌體100％重復(fù)使用)循環(huán)管道發(fā)酵器塔式發(fā)酵罐(菌體部分重復(fù)使用)塔式發(fā)酵罐裝有隔板的管道發(fā)酵器(菌體部分重復(fù)使用)管道發(fā)酵器(菌體100％重復(fù)使用)塔式發(fā)酵罐裝有隔板的管道(菌體100％重復(fù)使用)第29頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三單罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵第30頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三管道非均勻混合連續(xù)發(fā)酵第31頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三塔式非均勻混合連續(xù)發(fā)酵第32頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)、微生物發(fā)酵動力學(xué)生物反應(yīng)動力學(xué)是研究生物反應(yīng)過程中菌體生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。研究內(nèi)容包括發(fā)酵過程菌體生長速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生成速率的相互聯(lián)系，環(huán)境因素對三者的影響，以及影響其反應(yīng)速率的條件。第33頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三一、微生物分批發(fā)酵動力學(xué)1、分批發(fā)酵的不同階段：時間菌體濃度延遲期指數(shù)生長期減速期靜止期衰亡期延遲期：指數(shù)生長期:減速期:靜止期：衰亡期:第34頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

(1)

停滯期停滯期是微生物細胞適應(yīng)新環(huán)境的過程。接種物的生理狀態(tài)和濃度影響停滯期的長短。解決途徑：一是盡量選擇處于指數(shù)生長期的種子。二是擴大接種量。但是，如果要擴大接種量，又往往需要多級擴大制種，這不僅增加了發(fā)酵的復(fù)雜程度，又容易造成雜菌污染，故而應(yīng)從多方面考慮。第35頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

(2)對數(shù)生長期處于對數(shù)生長期的微生物細胞的生長速率大大加快，單位時間內(nèi)細胞的數(shù)目或質(zhì)量的增加維持穩(wěn)定，并達到最大值。此時，如以細胞數(shù)目或生物質(zhì)量的對數(shù)值對培養(yǎng)時圖，將得一直線，該直線的斜率就等于μ。第36頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三微生物的最大比生長速率在工業(yè)上的意義為保證工業(yè)發(fā)酵的正常周期，要盡可能地使微生物的比生長速率接近其最大值。最大比生長速率不僅與微生物本身的性質(zhì)有關(guān)，也與所消耗的底物以及培養(yǎng)的方式有關(guān)。限制微生物生長代謝的并不是發(fā)酵液中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，而是營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞的速度。第37頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

(3)穩(wěn)定期在細胞生長代謝過程中，培養(yǎng)基中的底物不斷被消耗，一些對微生物生長代謝有害的物質(zhì)在不斷積累。受此影響，微生物的生長速率和比生長速率就會逐漸下降，直至完全停止，這時就進入穩(wěn)定期。處于穩(wěn)定期的生物量增加十分緩慢或基本不變；但微生物細胞的代謝還在旺盛地進行著，細胞的組成物質(zhì)還在不斷變化。由于細胞的自溶作用，一些新的營養(yǎng)物質(zhì)，諸如細胞內(nèi)的一些糖類、蛋白質(zhì)等被釋放出來，又作為細胞的營養(yǎng)物質(zhì)，從而使存活的細胞繼續(xù)緩慢生長。（二次或隱性生長）微生物的很多代謝產(chǎn)物，尤其是次級代謝產(chǎn)物，是在進入穩(wěn)定期后才大量合成和分泌的。第38頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

(4)死亡期在死亡期，細胞的營養(yǎng)物質(zhì)和能源儲備已消耗殆盡，不能再維持細胞的生長和代謝，因而細胞開始死亡。在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中．在進入死亡期之前應(yīng)及時將發(fā)酵液放罐處理。第39頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

微生物的生長速度：

μ＝f(s,p,T,pH,……,)

在一定條件下(基質(zhì)限制)：

μ＝f(S)2、微生物分批培養(yǎng)的生長動力學(xué)方程

1942年，Monod提出了在特定溫度、pH值、營養(yǎng)物質(zhì)類型、營養(yǎng)物濃度等條件下，微生物細胞的比生長速率與限制性營養(yǎng)物的濃度之間存在著一個關(guān)系式。第40頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三Monod方程的物理意義當(dāng)比生長速率為最大比生長速率一半時的限制性營養(yǎng)物質(zhì)濃度，它的大小表示了微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸引親和力大小。單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物中，對微生物的生長起到限制作用的營養(yǎng)物。第41頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三KS越大，表示微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸引親和力越小，反之越大。對于許多微生物來說，KS值是很小的，一般為0.1~120mg/l或0.01~3.0mmol/l，這表示微生物對營養(yǎng)物質(zhì)有較高的吸收親和力。第42頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三微生物比生長速率與底物之間有一定的關(guān)系線段a表示一樣物質(zhì)濃度很低時。線段b為符合Monod方程段。線段c表示營養(yǎng)物質(zhì)濃度很高時。第43頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三Monod方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法)：將Monod方程取倒數(shù)可得：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)。第44頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的μmax，Ks和td?解：將數(shù)據(jù)整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221第45頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三μmax，＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h第46頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三3、分批培養(yǎng)時基質(zhì)的消耗速率得率系數(shù)：生成的細胞或產(chǎn)物與消耗的營養(yǎng)物質(zhì)之間的關(guān)系。細胞得率系數(shù)、產(chǎn)物得率系數(shù)：分別定義為消耗1g營養(yǎng)物質(zhì)生成的細胞的質(zhì)量和生成產(chǎn)物的質(zhì)量，單位均為克。第47頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三4、分批培養(yǎng)時產(chǎn)物的形成速率第48頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三產(chǎn)物形成與細胞生長的關(guān)系第49頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三5、分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率

生產(chǎn)率是個綜合指標，在討論分批培養(yǎng)時，必須考慮所有的因素。

在計算時間時，不僅包括發(fā)酵時間，還包括放罐、清洗、裝料和消毒時間以及遲滯所消耗時間。第50頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三發(fā)酵總時間為：式中：tc——放罐清洗時間；

tf——裝料消毒時間；

t1——遲滯時間；

X0和Xt分別為細胞最初和最終濃度；

第51頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

通過方程可以估算發(fā)酵過程中各種因素的變化對平均生產(chǎn)率的影響。接種量大，X0大，發(fā)酵時間短，減少tc和tf，也能縮短發(fā)酵周期。對于短發(fā)酵周期（18~70h）而言，如谷氨酸發(fā)酵，tc和tf非常重要，而對長發(fā)酵周期（3d以上），如抗生素生產(chǎn)，tc和tf就不太重要了。迄今為止，分批培養(yǎng)是常用的培養(yǎng)方法，廣泛用于各種發(fā)酵過程。第52頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三二、補料分批發(fā)酵動力學(xué)1、補料分批發(fā)酵的類型第53頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三2、補料分批培養(yǎng)的動力學(xué)特點：補料一直到培養(yǎng)液達到額定值為止，培養(yǎng)過程不取出培養(yǎng)液。在某一瞬間培養(yǎng)液中微生物細胞濃度（1）、單一補料分批培養(yǎng)第54頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三（2）、重復(fù)補料分批培養(yǎng)定義：是在培養(yǎng)過程中，每隔一