第六章发酵动力学

第六章发酵动力学 发酵动力学发酵动力学：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。研究内容：研究内容：1）微生物生长过程中的质量和能量平衡； 2）发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产物生成速率的相互关系； 3）环境因素对三者的影响； 4）工艺条件的控制。研究目的：研究目的：通过发酵动力学的研究来进行最佳发酵工艺条件的控制。发酵过程中菌体浓度、基质浓度、温度、pH值、溶解氧等工艺参数的控制方案，也需要在这些研究基础上进行优选。

第一节发酵过程动力学描述 符号：基质（S），菌体（X），产物（P） ▲一、得率系数（Y）和维持常数 1. 生长得率系数定义：菌体的生长量相对于基质消耗量的收得率。体现的是一时间段内的总体变化情况。定义式为：（1） ——干菌体的生长量（以下同）

2. 产物得率系数 定义：代谢产物合成量相对于基质消耗量的收得率。分为实际产物得率和理论产物得率两种。定义式分别为： YP/S<YPS （2） (-△S)P —用于合成产物所消耗的基质量（3）例如：10 g 葡萄糖中有 5 g 转化为产物（3 g），另5 g 生成了2 g 干菌体，则实际产物得率为，理论产物得率为。 30 % ( 3/10) 60 % ( 3/5)

以上的得率系数是基于底物完全用于细胞生长和产物生成的假设，但实际过程中人们发现底物进入细胞体后，还要用于细胞的维持代谢。

3. 维持常数 ▲维持：指活细胞群体在没有实质性的生长（生长和死亡处于动态平衡）和没有胞外代谢产物合成情况下的生命活动（如细胞的运动、细胞内外各种物质的交换、细胞物质的转运和更新等）。维持常数：单位质量干菌体在单位时间内因维持代谢消耗的能量。（4）高 m越小，菌株的能量代谢效率越。

▲二、比速率 1. 菌体比生长速率（μ）菌体生长速率： g/h或g/(L·h) 菌体比生长速率： h-1

一般情况下，μ值并非常数，它受菌种特性、T、pH值、M组成及浓度等条件的影响。但是，在分批发酵的对数生长期，μ一般为常数。 μ越大，说明这种M.B生长越快。

2. 基质比消耗速率（qs） 基质消耗速率: g/h或g/(L·h) 基质比消耗速率: h-1

3. 产物比生成速率（qp） 产物生成速率: 产物比生成速率 : 一般qP 是μ的函数，（后详）

三、质量与能量平衡 1. 碳元素平衡基质中的碳菌体中的碳＋产物中的碳＋CO2中的碳（5） — 第i 项基质的含碳量 — 每1 g干菌体内的碳含量 — 第 j 项产物的含碳量 — CO2的含碳量

2. 氮元素平衡 基质中的氮菌体中的氮 + 产物中的氮（6） —第i 项基质含氮量 —干菌体含氮量 —第j 项产物含氮量

3. 基质平衡 ▲发酵中的基质消耗通常用于菌体生长、活细胞维持、产物合成三方面：若产物生成可以忽略（即以生产细胞为目的）则－ΔS＝(－ΔS) G＋(－ΔS) M －ΔS＝(－ΔS) G＋(－ΔS) M＋ (－ΔS) P（7）取对发酵时间的微分形式，有：（8）设YG 为细胞(菌体)的生长得率系数： YP 为产物得率系数：

YX/S和YP/S是针对总消耗的碳源而言的，而YG和YP分别是对用于细胞生长和产物形成所消耗的基质而言的。因此，后两者比前两者稍大。YX/S和YP/S是针对总消耗的碳源而言的，而YG和YP分别是对用于细胞生长和产物形成所消耗的基质而言的。因此，后两者比前两者稍大。将YG 和YP带入（8）式得到：（9）取比速率形式（除以 X）得：（10）

4. 能量平衡 物质代谢的同时也伴随着能量代谢。

第二节生物反应模式与发酵方法 ▲一、生物反应动力学分类 1. 根据产物形成与细胞生长是否耦联进行分类发酵产物的生成速率与菌体生长速率之间大致存在三种不同类型的关联。（1）生长耦联型有紧密联系

— 以菌体细胞量为基准的产物生成得率 — 产物比生成速率 — 菌体（细胞）比生长速率 ∝ 代谢产物的生成速率与细胞生长速率直接有关。通常是初级代谢产物。主要供给细胞生长的一类物质，如乙醇、氨基酸、核苷酸等。

（2）非生长耦联型 qP∝X β — 非生长耦联的比生产速率（常数）此类型中产物的生成速率只与已有的菌体量有关，产物产率和浓度高低取决于细胞生长期结束时的生物量。该模式中，细胞生长时无产物；细胞停止生长后，产物大量积累。但不是所有次级代谢产物一定是与生长无关联的大分子类次级代谢产物，对细胞的代谢功能没有明显的影响，一般是在稳定期形成。如抗生素等。

（3）混合型 / 部分生长耦联型 α—与生长耦联的产物形成系数 β—非生长耦联的比生产速率产物生成速率不但与菌体生长速率部分耦联，还与菌体积累量有关。如乳酸、柠檬酸、Glu等的发酵。

分批培养中产物形成与细胞生长的关系 生长耦联型非生长耦联型混合型 /部分生长耦联型

2. 根据产物形成与基质消耗的关系分类 即碳源利用与产物形成速率的关系 3种表6-1 发酵过程的动力学分类

（1）第Ⅰ型 第Ⅰ型又称生长相关型。特点：是菌体生长、碳源利用和产物形成几乎都在相同的时间出现高峰，即表现出产物形成直接与碳源利用有关。与碳源消耗有化学计量关系又分为两种情况：菌体生长类型和代谢产物类型。平行进行比生长速率；糖消耗速率；产物比生长速率

（2）第Ⅱ型 第Ⅱ型也称生长部分相关型。特点：是M.B的生长和产物的形成是分开的，碳源的利用在这两个时期都很高。这类产物一般产量较高。比生长速率；糖消耗速率；产物比生长速率

（3）第Ⅲ型 第Ⅲ型又称与生长不相关型。特点：是产物形成是在菌体生长停止后。产物形成与碳源利用无准量关系。次级代谢产物如抗生素、维生素多属于此类，最高产量一般不超过碳源消耗量的10%。比生长速率；糖消耗速率；产物比生长速率

t/h 第Ⅰ型第Ⅱ型第Ⅲ型 a b c 图6-1 按Gaden观点而进行发酵类型的分类比生长速率；糖消耗速率；产物比生长速率

二、发酵方法 ▲ 发酵方法有分批发酵、连续发酵和补料分批发酵（流加发酵）等多种形式。 1. 分批发酵法（batch fermentation）最为广泛使用 ▲定义：在一个密闭系统内一次投料，一次接种，经过若干时间的发酵后再将发酵液一次放出的发酵操作类型. 单罐深层分批发酵法

M.B经历着由生到死的一系列变化。 分批发酵过程中细菌的生长，可分为迟滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期。非恒态/非稳态发酵液中的细胞浓度、基质浓度和产物浓度均随时间而不断发生变化。如下图所示：

非恒态/非稳态 比生长速率活菌数培养时间（h）

、F 2. 连续发酵法（continuous fermentation ）定义：当微生物培养到对数生长期的后期时，以一定的速度向发酵罐内添加新鲜的无菌培养基，同时以相同速度从发酵罐中排出含有产物的培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。开放系统

同时，pH值、温度、M浓度、溶解氧等都保持恒定，因此菌体的生长速率是恒定的。同时，pH值、温度、M浓度、溶解氧等都保持恒定，因此菌体的生长速率是恒定的。从定义知：当微生物培养到对数生长期时··· ··· 恒态因此，M.B的生长和代谢终保持旺盛的稳定状态，能达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的。连续发酵的优缺点：p150 表6-3 连续发酵所使用的设备

和分批培养相比，连续培养的优点有： ① 可以维持稳定的操作条件，所以产品质量相对稳定； ② 能实现机械化和自动化，降低了劳动强度，减少了染菌机会； ③ 减少设备清洗、准备和灭菌等非生产时间，提高了设备利用效率； ④ 容易对过程进行优化。

连续培养法的缺点： ① 需要专门仪器，投资高； ② 由于是开放系统，加上反应周期长，容易染菌； ③ 在长周期连续培养中，菌种易于退化； ④ 营养物的利用率一般低于单批培养； ⑤ 新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合，影响培养和营养物质的利用。

连续培养器的类型同样很多，如下表： 连续培养重要特征是使微生物增殖速度和代谢活性处于稳定状态。连续培养方法按控制方法可分为恒浊器法和恒化器法。

（1）恒浊培养 操作：通过光电管检测恒浊器中培养物的吸光值，M流速可自动调节，使培养物浊度或细胞密度保持在一个预先设定值（内控制）。原理：维持细胞（或菌）浓度不变（反映细胞浓度的浊度）。特点：基质过量，菌以最高速率生长；但工艺复杂，烦琐。主要应用于工业生产。

（2）恒化培养

营养物质更新的速度叫稀释率（D） 概念：利用恒化器进行连续培养时，向其中加入无菌新鲜M的速度（外控制）与排出含菌培养液的速度相同，将M中的某种生长限制因子（如碳源、氮源、生长因子、无机盐等）的浓度控制在恒定范围。原理：恒化器内M.B生长速度由向容器中加入新鲜M的速度决定，最终细胞浓度依赖于限制性营养物的浓度。特点：维持营养成分的低浓度，控制微生物生长速率（低于最高速率）。主要应用在实验室。

3.补料分批发酵法（fed-batch fermentation ） 又称半连续发酵法或流加发酵法 ▲定义：在微生物的分批培养过程中，向发酵罐中间歇或连续地补加一种或多种无菌的限制性底物，直到培养结束后才排出培养液的一种发酵操作方式。 • 流加发酵操作能使发酵系统中保持低的营养物浓度。 • 一方面可解除底物的抑制、产物的反馈抑制和Glc分解阻遏效应； • 另一方面又避免了培养基积累某些有毒代谢物，而且还可以起到稀释发酵液以降低粘度的作用。

由于流加发酵可以延长细胞对数生长期和平衡期的持续时间，增加生物量和细胞代谢产物的积累，因此发酵工业中广泛采用这种培养方式进行生产。高浓度葡萄糖恒速流加下GSH发酵过程 GSH的分批发酵过程

补料分批发酵的类型 • 按补料方式分：连续补料、不连续补料和多周期补料等； • 按补料速率分：快速补料、恒速补料、指数速度补料和变速补料； • 按反应器中发酵液体积分：变体积补料和恒体积补料； • 按反应器数目分：单级补料和多级补料； • 按补加的培养基分：单一组分补料和多组分补料等。

第三节微生物发酵动力学 一、分批发酵动力学 1. 分批发酵的不同阶段（1）迟滞期适应新环境 X几乎没有增加细胞个体增大合成有关水解酶来利用营养物质迟滞期长短与……有关。（2）对数生长期活力旺盛快速分裂繁殖显示对数生长

在此阶段，培养基成分虽然发生改变，但细胞的生长速率维持恒定且达到最大。当培养基中营养物过量时，生长速度与营养物浓度无关：积分得：如果细胞数量倍增，X2＝2X1，则所需要的倍增时间td为：

一般说来，细菌的倍增时间为15 ~ 60 min，酵母为45 ~120 min，霉菌为2~8 h。p155表6-6 （3）稳定期营养物消耗或有毒物质形成，生长速度下降直至停止。这时细胞增加速度和死亡速度达到平衡，进入稳定期。DCW基本恒定，细胞性能相对稳定。由于细胞的自溶作用，胞内的一些物质可以作为尚存活细胞的营养物质而继续缓慢地生长二次生长

二次生长的生长曲线 （4）衰亡期能量耗完和有毒物质积累，细胞开始自溶而死亡。时间长短取决于M.B的种类和M的类型。

延迟期： 稳定期衰亡期对数生长期: 菌体浓度对数生长期稳定期： ; 延迟期衰亡期: 时间

2. 微生物分批培养的生长动力学 ★（1）Monod方程式 1942年，Monod最先发现，μ与 [S]符合以下方程： —— 菌体最大比生长速率 h-1 —— 饱和常数 g/L或mol/L [S] —— 生长限制性基质的浓度 g/L或mol/L

Monod方程式与酶学中的米氏方程十分相似，但属于经验式。 Monod方程式是目前应用最为普遍的微生物生长动力学方程式，表达了微生物比生长速率与生长限制性基质（一般为C源）浓度之间的定量关系。

当时， [S] KS = 是当比生长速率μ达到最大比生长速率μm一半时的生长限制性基质浓度。可见，饱和常数KS 的物理意义的大小表示了微生物对基质吸收亲和力的强弱。

大多数M.B的KS是很小的（一般为0.1~120mg/L或0.01~3.0 mmol/L），表明M.B对营养物有较高的吸收亲和力。 μm随M.B的种类和培养条件而异。种类：比如细菌的μm大于真菌的μm。培养条件：对同一M.B而言，T升高，μm增大；营养物质容易被利用时μm较大。

! Monod方程成立是基于以下假设：只适用于单一基质限制及不存在抑制性物质的情况。也就是说，除了一种生长限制性基质外，其它必需营养都是过量的，但是这种过量又不致引起对生长的抑制，在生长过程中也没有抑制性产物生成。 i）当限制性基质浓度[S] 很低时，[S] << KS KS + [S]≈KS，Monod方程可以简化为： μ∝[S]

ii）当限制性基质浓度[S]很大时，[S] >> KS KS + [S]≈[S] ，Monod方程可以简化为：但实际中通常并非如此，因为[S]很大时，容易产生基质抑制或产物抑制。实际中的μ~[S]曲线如课本p156图6-9所示。

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