微生物工程發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)的基本概念

關(guān)于微生物工程發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)的基本概念主要內(nèi)容：一、生物反應(yīng)動(dòng)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(dòng)力學(xué)四、微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中的質(zhì)量平衡第2頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天一種是使底物在酶（游離酶或固定化酶）的作用下進(jìn)行反應(yīng)，如淀粉的液化、異構(gòu)糖的生產(chǎn)、無(wú)側(cè)鏈青霉素（6-APA）的制造等。另一種是通過(guò)細(xì)胞的培養(yǎng)，利用細(xì)胞中的酶系，把培養(yǎng)基中的物質(zhì)通過(guò)復(fù)雜的生物反應(yīng)轉(zhuǎn)化成新的細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物。

重點(diǎn)生物反應(yīng)：第3頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?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(dòng)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(guò)程。第4頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(jié)、生物反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)描述發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)的描述

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）生物過(guò)程反應(yīng)速度的描述菌體生長(zhǎng)速率/菌體比生長(zhǎng)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(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天菌體生長(zhǎng)速率比生長(zhǎng)速率一、菌體生長(zhǎng)速率

比生長(zhǎng)速率除受細(xì)胞自身遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素的影響。

第6頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

微生物細(xì)胞比生長(zhǎng)速率和倍增時(shí)間因受遺傳特性和生長(zhǎng)條件的控制，有很大的差異。第7頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第8頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第9頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、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(zhǎng)速率之間的關(guān)系。第10頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)基質(zhì)既是能源又是碳源時(shí)：

碳源總消耗速率＝用于生長(zhǎng)的消耗速率＋用于維持代謝的消耗速率第11頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天定義：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(xì)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(shuō)明：菌體得率第12頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第13頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、代謝產(chǎn)物的生成速率第14頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天基質(zhì)的消耗比速：(h-1)菌體的生長(zhǎng)比速：產(chǎn)物的形成比速：(h-1)(h-1)發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)速度的描述

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）第15頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(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(zhǎng)偶聯(lián)型非偶聯(lián)型混合型根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生成速率的關(guān)系分類PPXP第16頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天(1)類型Ⅰ（偶聯(lián)型模型）

產(chǎn)物的形成與細(xì)胞生長(zhǎng)呈相關(guān)的過(guò)程。產(chǎn)物是細(xì)胞能量代謝的結(jié)果，此時(shí)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(dòng)力學(xué)方程可表示為:根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生成速率的關(guān)系分類第17頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

(2)類型Ⅲ（非偶聯(lián)型）

產(chǎn)物的形成與細(xì)胞生長(zhǎng)不相關(guān)或無(wú)直接關(guān)系，其特點(diǎn)是細(xì)胞生長(zhǎng)期基本無(wú)產(chǎn)物合成，細(xì)胞停止生長(zhǎng)產(chǎn)物則大量合成。屬于這類的產(chǎn)物是次級(jí)代謝產(chǎn)物。例如青霉素、鏈霉素等抗生素發(fā)酵。其動(dòng)力學(xué)方程可表示為：第18頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

(3)類型Ⅱ（混合型）

產(chǎn)物的形成與細(xì)胞生長(zhǎng)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(dòng)力學(xué)方程可表示為：第19頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天定義：生成的代謝產(chǎn)物量ΔP對(duì)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(méi)有菌體生成，則理論代謝產(chǎn)物收率可達(dá)到最大值。說(shuō)明：代謝產(chǎn)物收率第20頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第21頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、發(fā)酵操作方法

定義：每一個(gè)分批發(fā)酵過(guò)程都經(jīng)歷接種，生長(zhǎng)繁殖，菌體衰老進(jìn)而結(jié)束發(fā)酵，最終提取出產(chǎn)物。特點(diǎn)：微生物所處的環(huán)境是不斷變化的，可進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化或需要生產(chǎn)新產(chǎn)品時(shí)，易改變處理對(duì)策，對(duì)原料組成要求較粗放等。（一）、分批發(fā)酵法第22頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天（二）、補(bǔ)料分批發(fā)酵法定義：所謂分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)，是指在分批培養(yǎng)過(guò)程中，間歇或連續(xù)的添加新鮮培養(yǎng)基的方法。特點(diǎn)：與傳統(tǒng)分批發(fā)酵相比，其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天補(bǔ)料分批培養(yǎng)適合于以下條件①生長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株合成產(chǎn)物⑤補(bǔ)料分批培養(yǎng)還適用于底物對(duì)微生物具有抑制作用等情況。⑥此外，如果產(chǎn)物黏度過(guò)高或水分蒸發(fā)過(guò)大使傳質(zhì)受到影響時(shí)，可以補(bǔ)加水分降低發(fā)酵液黏度或濃度。第24頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天補(bǔ)料分批培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)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(guò)程中的底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)2、對(duì)于好氧過(guò)程，可以避免在分批培養(yǎng)過(guò)程中因一次性投糖過(guò)多造成的細(xì)胞大量生長(zhǎng)、耗氧過(guò)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(xì)胞的生成量、提高目的產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。3、微生物細(xì)胞可以被控制在一系列連續(xù)的過(guò)濾態(tài)階段，可用來(lái)控制細(xì)胞的質(zhì)量；并且可重復(fù)某個(gè)時(shí)期細(xì)胞培養(yǎng)的過(guò)渡態(tài)，可用于理論研究1、不需要嚴(yán)格的無(wú)菌條件2、不會(huì)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(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天（三）、連續(xù)發(fā)酵法所謂連續(xù)培養(yǎng)，就是在發(fā)酵過(guò)程中一邊補(bǔ)入新鮮料液，一邊以相近的流速放料，維持發(fā)酵液原來(lái)的體積。第26頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)：①高效，它簡(jiǎn)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(shí)間和提高了設(shè)備的利用率；②自控，便于利用各種儀表進(jìn)行自動(dòng)控制；③產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定；④生長(zhǎng)與代謝產(chǎn)物形成的兩種類型節(jié)約了大量動(dòng)力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、電的負(fù)荷均勻合理。連續(xù)發(fā)酵缺點(diǎn)：菌種易于退化。其次是易遭雜菌污染。在連續(xù)培養(yǎng)中，營(yíng)養(yǎng)物的利用率一般亦低于單批培養(yǎng)。第27頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第28頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天連續(xù)發(fā)酵類型

類型開(kāi)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(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天單罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵第30頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天管道非均勻混合連續(xù)發(fā)酵第31頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天塔式非均勻混合連續(xù)發(fā)酵第32頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三節(jié)、微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究生物反應(yīng)過(guò)程中菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動(dòng)態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。研究?jī)?nèi)容包括發(fā)酵過(guò)程菌體生長(zhǎng)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(duì)三者的影響，以及影響其反應(yīng)速率的條件。第33頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、微生物分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)1、分批發(fā)酵的不同階段：時(shí)間菌體濃度延遲期指數(shù)生長(zhǎng)期減速期靜止期衰亡期延遲期：指數(shù)生長(zhǎng)期:減速期:靜止期：衰亡期:第34頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

(1)

停滯期停滯期是微生物細(xì)胞適應(yīng)新環(huán)境的過(guò)程。接種物的生理狀態(tài)和濃度影響停滯期的長(zhǎng)短。解決途徑：一是盡量選擇處于指數(shù)生長(zhǎng)期的種子。二是擴(kuò)大接種量。但是，如果要擴(kuò)大接種量，又往往需要多級(jí)擴(kuò)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(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

(2)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率大大加快，單位時(shí)間內(nèi)細(xì)胞的數(shù)目或質(zhì)量的增加維持穩(wěn)定，并達(dá)到最大值。此時(shí)，如以細(xì)胞數(shù)目或生物質(zhì)量的對(duì)數(shù)值對(duì)培養(yǎng)時(shí)圖，將得一直線，該直線的斜率就等于μ。第36頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天微生物的最大比生長(zhǎng)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(zhǎng)速率接近其最大值。最大比生長(zhǎng)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(zhǎng)代謝的并不是發(fā)酵液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度，而是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的速度。第37頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

(3)穩(wěn)定期在細(xì)胞生長(zhǎng)代謝過(guò)程中，培養(yǎng)基中的底物不斷被消耗，一些對(duì)微生物生長(zhǎng)代謝有害的物質(zhì)在不斷積累。受此影響，微生物的生長(zhǎng)速率和比生長(zhǎng)速率就會(huì)逐漸下降，直至完全停止，這時(shí)就進(jìn)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(xì)胞的代謝還在旺盛地進(jìn)行著，細(xì)胞的組成物質(zhì)還在不斷變化。由于細(xì)胞的自溶作用，一些新的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，諸如細(xì)胞內(nèi)的一些糖類、蛋白質(zhì)等被釋放出來(lái)，又作為細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而使存活的細(xì)胞繼續(xù)緩慢生長(zhǎng)。（二次或隱性生長(zhǎng)）微生物的很多代謝產(chǎn)物，尤其是次級(jí)代謝產(chǎn)物，是在進(jìn)入穩(wěn)定期后才大量合成和分泌的。第38頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

(4)死亡期在死亡期，細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能源儲(chǔ)備已消耗殆盡，不能再維持細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝，因而細(xì)胞開(kāi)始死亡。在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中．在進(jìn)入死亡期之前應(yīng)及時(shí)將發(fā)酵液放罐處理。第39頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

微生物的生長(zhǎng)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(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程

1942年，Monod提出了在特定溫度、pH值、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)類型、營(yíng)養(yǎng)物濃度等條件下，微生物細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率與限制性營(yíng)養(yǎng)物的濃度之間存在著一個(gè)關(guān)系式。第40頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天Monod方程的物理意義當(dāng)比生長(zhǎng)速率為最大比生長(zhǎng)速率一半時(shí)的限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，它的大小表示了微生物對(duì)營(yíng)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(yíng)養(yǎng)物中，對(duì)微生物的生長(zhǎng)起到限制作用的營(yíng)養(yǎng)物。第41頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天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0.1~120mg/l或0.01~3.0mmol/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。第42頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天微生物比生長(zhǎng)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(shí)。線段b為符合Monod方程段。線段c表示營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度很高時(shí)。第43頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(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)。第44頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天例：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(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天μmax，＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h第46頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、分批培養(yǎng)時(shí)基質(zhì)的消耗速率得率系數(shù)：生成的細(xì)胞或產(chǎn)物與消耗的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的關(guān)系。細(xì)胞得率系數(shù)、產(chǎn)物得率系數(shù)：分別定義為消耗1g營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生成的細(xì)胞的質(zhì)量和生成產(chǎn)物的質(zhì)量，單位均為克。第47頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天4、分批培養(yǎng)時(shí)產(chǎn)物的形成速率第48頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長(zhǎng)的關(guān)系第49頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天5、分批發(fā)酵過(guò)程的生產(chǎn)率

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

在計(jì)算時(shí)間時(shí)，不僅包括發(fā)酵時(shí)間，還包括放罐、清洗、裝料和消毒時(shí)間以及遲滯所消耗時(shí)間。第50頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天發(fā)酵總時(shí)間為：式中：tc——放罐清洗時(shí)間；

tf——裝料消毒時(shí)間；

t1——遲滯時(shí)間；

X0和Xt分別為細(xì)胞最初和最終濃度；

第51頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

通過(guò)方程可以估算發(fā)酵過(guò)程中各種因素的變化對(duì)平均生產(chǎn)率的影響。接種量大，X0大，發(fā)酵時(shí)間短，減少tc和tf，也能縮短發(fā)酵周期。對(duì)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(duì)長(zhǎng)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(guò)程。第52頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)1、補(bǔ)料分批發(fā)酵的類型第53頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、補(bǔ)料分批培養(yǎng)的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：補(bǔ)料一直到培養(yǎng)液達(dá)到額定值為止，培養(yǎng)過(guò)程不取出培養(yǎng)液。在某一瞬間培養(yǎng)液中微生物細(xì)胞濃度（1）、單一補(bǔ)料分批培養(yǎng)第54頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）、重復(fù)補(bǔ)料分批培養(yǎng)定義：是在培養(yǎng)過(guò)程中，每隔一段時(shí)間，取出一定體積的培養(yǎng)液，同時(shí)又在同一時(shí)間間隔內(nèi)加入相等體積的培養(yǎng)基，如此反復(fù)進(jìn)行的培養(yǎng)方式。項(xiàng)目