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1、发酵培养方法及发酵动力学,第八章 发酵培养方法及发酵动力学,发酵培养方法及发酵动力学,根据操作方式不同分为：分批培养：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。连续培养：反应开始后，一方面把底物连续地供给到反应器中，另一方面又把反应液连续不断地取出，使反应条件不随时间变化。分批补料培养：介于分批与连续培养之间，又分为。半分批培养（流加培养）反复分批培养反复半分批式培养,第一节 发酵培养的方法,发酵培养方法及发酵动力学,一、分批发酵,培养基中接入菌种以后，除了空气的进出，没有物料的加入和取出。过程中发酵参数（菌浓、底物浓度、产物浓度等）都随时间变化。 F(X,
2、P, S, T, . , t),发酵培养方法及发酵动力学,分批发酵的特点,优点可进行少量多品种的发酵生产原料要求较粗放操作简单周期短染菌机会少缺点产率低不适于测定动力学数据,发酵培养方法及发酵动力学,分批培养中微生物的生长,迟滞期,对数生长期,稳 定 期,衰亡期,发酵培养方法及发酵动力学,二、分批补料培养技术,较低浓度底物,补加底物,底物消耗,底物浓度保持在一定范围,维持微生物生长,促进产物形成,避免不利因素产生,体积产量、产物浓度和产物得率提高,发酵培养方法及发酵动力学,优点：在于使发酵系统维持低的基质浓度。低基质浓度的优点为：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加
3、剧供氧的矛盾。避免培养基积累有毒代谢物。缺点：增加了染菌机会；比生产速率下降。适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶、核苷酸、有机酸等的生产。,分批补料培养特点,发酵培养方法及发酵动力学,三、连续培养技术,连续进出料液，保持发酵液体积恒定，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。达到稳态后，整个过程中所有发酵参数（X、P、S等）恒定不变。优点：高效、可自控、产品质量稳定、降低劳动强度等,发酵培养方法及发酵动力学,连续培养过程中的主要问题,易遭杂菌污染生产菌株突变问题（菌种易退化）回复突变的菌株有可能会取代生产菌株而成为优势菌株，使连续发酵过程失败。培养基质量工业培养基的组成成分，如
4、玉米浆、蛋白胨和淀粉等，批与批之间有时会出现较大变化。,发酵培养方法及发酵动力学,连续培养装置,均匀混合的生物反应器恒化器恒浊器非均匀混合的生物反应器活塞流反应器,发酵培养方法及发酵动力学,恒化器(A)、恒浊器(B)和活塞流反应器(C)中的连续发酵,发酵培养方法及发酵动力学,第二节 发酵动力学基本概念,发酵动力学是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。,发酵培养方法及发酵动力学,1. 常用参数符号及意义,X：细胞干重（g/L）S：底物浓度（g/L）P：产物浓度（g/L)T：温度（C）t：发酵时间（h）F：补料速率或体积流率（L/h）V：发酵体积（L）D：稀释率（F/
5、V，h-1）,发酵培养方法及发酵动力学,2. 发酵动力学中常用术语,得率(Y) ，是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系，包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。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。,（1）得率,发酵培养方法及发酵动力学,产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或mol数) ，即YP/S=P/(S。-S)。 转化率：（已经反应的基质量）/（总共加入的基质量）*100%,发酵培养方法及发酵动力学,基质消耗速率：,菌体生长速率：,(gL-1h-1),(gL-1h-1),XS（底物） X（菌体）
6、 P（产物）,（2）发酵过程反应速度的描述,产物生成速率：,(gL-1h-1),发酵培养方法及发酵动力学,基质的消耗比速：（比消耗速率）,(qs, h-1),菌体的生长比速：（比生长速率）,产物的形成比速：（比生成速率）,(qx, h-1),(qp, h-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,发酵培养方法及发酵动力学,第三节 发酵动力学与发酵过程控制,发酵培养方法及发酵动力学,1、微生物细胞的生长动力学,一、发酵动力学,细胞量的积累速率 = 细胞生长速率 细胞的死亡速率 + 细胞的添加速率 - 细胞的移去速率,死细胞积累速率,发
7、酵培养方法及发酵动力学,菌体生长速率与培养基中菌体浓度之比，它与微生物的生命活动有联系 在对数生长期， 是一个常数，这时,（1）比生长速率（),如何推导？,发酵培养方法及发酵动力学,例题：某微生物的 0.125 h-1，求td。,此式可在t=td （td为倍增时间）时求得， td即在时所需时间，于是td=ln2/。 为比生长速率，单位是 h-1。,发酵培养方法及发酵动力学,（2）微生物的生长动力学、Monod方程,微生物的生长速度： f(S, P, T, pH, ,),在一定条件下(基质限制)： f(S),发酵培养方法及发酵动力学,现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年指出，在培养基
8、中无抑制剂存在的情况下，细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示：,发酵培养方法及发酵动力学,：菌体的比生长速率 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数max: 最大比生长速率,单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。,（Monod方程）,max/2,Ks,发酵培养方法及发酵动力学,Monod方程中 ：比生长速率(h-1)； ：最大比生长速率(h-1)S：限制性基质浓度(g/L)；Ks：饱和常数(g/L)，当等于1/2 时的限制性基质浓度。,发酵培养方法及发酵动力学,Monod方程的参数求解(双倒数法)：,将Monod方程取倒数可得：,或：,这
9、样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速率，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。,发酵培养方法及发酵动力学,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,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 6 33 64 153 221,发酵培养方法及发酵动力学,max1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L,tdln2/ max0.64 h,发酵培养方法及发酵动力学,2、基质的利用,基质的消耗速率 = 补料中基质的添加速率 - 基质的移去速率 - 生长消耗的基质速率 - 产物合成用去的基质
10、速率 - 维持细胞活性所消耗的基质速率,发酵培养方法及发酵动力学,XS（底物） X（菌体） P（产物）+维持,m: 维持消耗系数,YP/s: 产物对基质的理论得率系数,YX/s: 细胞对基质的理论得率系数,发酵培养方法及发酵动力学,3、产物的形成,产物形成的速率 = 产物合成速率 产物移去速率 产物被破坏速率（一般P0=0）,发酵培养方法及发酵动力学,类型（相关模型）：产物的形成和菌体的生长相偶联，乙醇、葡萄糖酸、乳酸；类型（部分相关模型）：产物的形成和菌体的生长部分偶联，柠檬酸、氨基酸；类型（非相关模型）：产物的形成和菌体的生长不偶联，抗生素、微生物毒素。,产物生成与细胞生长之间的关系,发酵
11、培养方法及发酵动力学,类型I, 0、 =0、 （类型I）,发酵培养方法及发酵动力学,类型II, 0、 0、 （类型II）,发酵培养方法及发酵动力学,类型III,x,p, =0、 0、 （类型III）,发酵培养方法及发酵动力学,二、发酵过程的代谢变化规律,(一) 分 批 发 酵1. 菌体生长及基质利用动力学,分批发酵情况下如何简化？,发酵培养方法及发酵动力学,时间,菌体浓度,延迟期,指数生长期,减速期,稳定期,衰亡期,延迟期：,指数生长期:,倍增时间：td,减速期:,稳定期：,衰亡期:,=0,0,=0,0,2. 分批发酵过程微生物的生长情况,发酵培养方法及发酵动力学,Monod方程的适用范围。,
12、时间,菌体浓度,延迟期,指数生长期,减速期,稳定期,衰亡期,发酵培养方法及发酵动力学,3. 分批发酵过程的生产率,每升发酵液每小时产生的产物（或菌体）克数（g/L/h），是对发酵过程总成果的一种衡量。,总生产率:,发酵总周期为：,发酵培养方法及发酵动力学,发酵培养方法及发酵动力学,(二) 连 续 发 酵,F0=F,反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等,发酵培养方法及发酵动力学,1. 基于细胞量（X）的物料平衡,细胞的进入速率细胞的流出速率细胞的生长速率细胞的死亡速率细胞的积累速率,发酵培养方法及发酵动力学,简化后：,在连续培养系统达到稳定状态时 ，上式可变为：,发酵培养方法及发酵动力学,在连续
13、培养技术中被称为稀释速率，用符号“D”表示 （等于培养液在罐中平均停留时间的倒数）在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。,发酵培养方法及发酵动力学,2. 基于限制性营养成分（S）的物料平衡,养分进入系统的速率养分流出系统的速率用于生长的养分消耗的速率用于维持的养分消耗的速率用于产物形成的养分消耗的速率 养分在系统中积累的速率,发酵培养方法及发酵动力学,在稳定状态下 ，则以代入上式， 得,发酵培养方法及发酵动力学,生产率,每升发酵液每小时产生的产物克数（g/L/h）b = DX（或DP）请大家自己推导,发酵培养方法及发酵动力学,连续培养的操作特性,发酵培养方法及发酵动力学,第四节 发酵动力
14、学计算实例,1. Monod方程有关参数计算,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,求在该培养条件下，求大肠杆菌的max，Ks和td?,发酵培养方法及发酵动力学,max1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L,tdln2/ max0.64 h,解：将数据整理：,S 6 33 64 153 221,发酵培养方法及发酵动力学,2. 假设通过实验测定，反应基质十六烷烃或葡萄糖中有2/3的碳转化为细胞中的碳。 计算下述反应的得率系数YX/S（g 干细胞/g 基质）和YX/O：十六烷烃： C16H34232.42(CHNO22葡萄糖：
15、C6H12O6230.909(CHNO2O+2CO2解： (a) 正十六烷烃 YX/S = 2.42 = 0.98 g 干细胞/g 基质 226 YX/O = = 0.557 g 干细胞/g 氧,发酵培养方法及发酵动力学,(b) 葡萄糖 YX/S = 0.909 = 0. 461 g 干细胞/g 基质 180 YX/O = = 1.76 g 干细胞/g 氧,发酵培养方法及发酵动力学,3. 酵母在需氧条件下，以乙醇为基质进行生长可表示下列总反应式：C2H5OH+aO2+bNH3cCHNO+dCO2 + eH2O,试求：（1）当RQ=0.66时，a、b、c、d和e的值。（2）确定YX/S和YX/O
16、2的值。,注：RQ 呼吸熵，为二氧化碳释放速率与氧消耗速率的比值。,发酵培养方法及发酵动力学,4. 在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间歇培养时得到结果如表所示：,试求：（1）max值；（2）YX/S值；（3）细胞倍增时间td值；（4）饱和常数Ks值；（5）在t=10h时比生长速率值。,发酵培养方法及发酵动力学,5. 某一发酵过程是在一连续搅拌的釜式反应器中进行，反应基质连续稳定地加入，反应产物连续稳定流出。假设其发酵反应可表示为S+XX+P。 若已知X0=0，P0=0，反应器有效体积为1L。现改变加入反应器内基质的流量和浓度，同时测定反应器出口未反应基质和细菌的浓度，得到的数据列于下表。
17、,m：物料在反应器内平均停留时间，有m=1/D。试根据上述数据，确定其速率方程式。,发酵培养方法及发酵动力学,6. 间歇培养和连续培养过程生产率和最大生产率的计算。,（1）间歇培养 对一定反应 S P 总生产率为 X（或）P P = tf+tT+tL+tD 生产率达到最大时，dP/dtf = 0，即 dP (tf+tT+tL+tD)dX/dt - X = = 0 dt (tf+tT+tL+tD)2则得到 dX X = dt tf+tT+tL+tD,发酵培养方法及发酵动力学,(2) 连续培养在单级CSTR中进行符合Monod模型的简单细胞反应，其优化的目标函数一般以单位体积的细胞产量X为最大，b一般称为细胞的生产率。 b = DX所以， Ks D b = DYX/S(S0 ) max D当b最大时，有 db/dD = 0，相应稀释率D称为最佳稀释率Dopt，并有 Ks Dopt = max（1- ） Ks+S0,Dopt,