项目八

1. 项目八 发酵动力学

2. 什么是发酵动力学？ 发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系，定量描述微生物 生长 和 产物形成 过程。 主要研究： 1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及其转化率、效率等； 2、影响发酵动力学参数的各种理化因子； 3、发酵动力学的数学模型。

3. 研究发酵动力学的目的 • 认识发酵过程的规律 • 优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧，等等 • 提高发酵产量、效率和转化率等

4. 本章的重要性 • 一条主线： 发酵工艺过程 • 两个重点： 发酵过程的优化与放大 • 三个层次： 分子、细胞、反应器 • 四个目标： 高产、高效、高转化率、低成本 主要方法：基于发酵动力学研究来实现

5. 发酵过程放大的两个基本问题： • 发酵放大条件的优化 • 核心：发酵动力学研究，获得细胞生长及其产物合成放大过程特征及其对环境的响应特征； • 重点研究微生物与物理、化学环境的相互作用，揭示放大规律。 • 反应器性能优化 • 重点研究混合与传质问题，满足发酵最适条件需要 • 侧重反应器的设计与放大

6. ？ 如何确定高产高效 的最佳条件？ 动力学主要探讨反应速率问题： 生化反应：aA + bB  cC + dD 如何能最快最多的获得目的产物 反应动态平衡 改变条件 破坏平衡 催化剂 温度 酸碱度 浓度 采用反应动力学方法 进行定量研究

7. 发酵动力学研究的几个层次（尺度） • 分子层次（酶催化与生物转化） • 基于关键生化反应（限速步）及其关键酶的动力学特征及其影响因素 • 采用一系列分子水平的方法 • 细胞层次（代谢网络与细胞工厂） • 基于细胞信号传导、代谢网络、细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现 • 采用一系列细胞水平的方法，包括细胞群体行为分析 • 反应器层次（过程工程） • 基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应 • 采用一系列优化反应器发酵条件的方法

8. 课程重点：主要针对微生物发酵的表观动力学，通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率，主要包括：课程重点：主要针对微生物发酵的表观动力学，通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率，主要包括： • 细胞生长动力学 • 底物消耗动力学 • 产物合成动力学 重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。 但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达到认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。

9. 发酵动力学研究的基本过程 • 首先研究微生物生长和产物合成限制因子； • 建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型； • 确定模型参数； • 实验验证模型的可行性与适用范围； • 根据模型实施最优控制。

10. 本项目主要内容 • 分批发酵动力学 • 连续发酵动力学 • 补料分批发酵动力学

11. 什么是分批发酵？ • 分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。 • 分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止期）和衰亡期五个时期。

12. 分批发酵过程 典型的分批发酵工艺流程图

13. 分批发酵动力学-细胞生长动力学 菌体浓度X t1 t2 t3 t4 t5 时间 t 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线

14. 关于菌龄的描述 • 微生物细胞倍增时间与群体生长动力学 • 细菌：典型倍增时间1hr • 酵母：典型倍增时间2hr • 放线菌和丝状真菌：典型倍增时间4－8hr 微生物细胞群体生长动力学是反映整个群体的生长特征，而不是单个微生物生长倍增的特征。 因此，菌龄是指一个群体的表观状态。

15. 分批发酵动力学 • 细胞生长动力学 • 基质消耗动力学 • 产物形成动力学

16. 或 分批发酵动力学-细胞生长动力学 微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细 胞数量在单位时间内的增加量来表示（μ、μn）： 或 X—细胞浓度（g/L）；N—细胞个数； t—生长时间； X0、Xt—初始微生物浓度和t时细胞浓度； N0、Nt—初始细胞个数和t时细胞个数； —以细胞浓度表示的比生长速率； —以细胞数量表示的比生长速率。

17. 分批发酵动力学-细胞生长动力学 • lag: x不变,即 • exp:(假定无抑制作用存在)

18. 分批发酵动力学-细胞生长动力学 • Decline（开始出现一种底物不足的限制）: (1)若不存在抑制物时 Monod 模型:

19. 分批发酵动力学-细胞生长动力学 式中: S—限制性基质浓度，mol/m3 Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生物对底物的亲和力, mol/m3； Ks越大，亲和力越小，µ越小。 ① 当S较高时，(对数期满足S>>10Ks)，此时，µ= µm ② 当S较低时，(减速期， S<<10Ks)，此时S↓，µ ↓ ∴ 减速期，µ ↓

20. Monod方程： 比生长素率μ 表征μ与培养基中残留的生长限制性底物St的关系 限制性底物残留浓度St Ks—底物亲和常数，等于处于1/2μm时的底物浓度，表征微生物对底物的亲和力，两者成反比。 残留的限制性底物浓度对微生物 比生长率的影响

21. 酶促反应动力学－米氏方程： 受单一底物酶促反应限制的微生物生长动力学方程－Monod方程：

22. Monod方程应用： • 测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值） • 实验确定适于微生物生长的最佳底物（ ？） • 比较不同底物发酵最终残留的大小（ ？） • 比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培养的稀释率

23. （浓度最大） (比死亡速率 ，s-1) 分批发酵动力学-细胞生长动力学 • Stationary（不生长或生长率与死亡率相等）: • dying:

24. 分批发酵动力学 • 假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则微生物生长动力学可用阶段函数表示如下： 0 x0（0<t<t1) µmx0e µmt (t1<t<t2) µ = x= x0e µm(t2-t1) e µt (t2<t<t3) 0xm (t3<t<t4) -a xme -a t (t4<t<t5)

25. 其它模型1 分批发酵动力学-细胞生长动力学 • 在无抑制作用情况下（但有底物限制存在） 式中n为常数 x为细胞浓度

26. 分批发酵动力学-细胞生长动力学 其它模型2 • 培养液中有抑制物的情形 ① 高浓度基质抑制存在的情况下 式中，Kis为抑制常数，抑制作用越强，Kis越小

27. 分批发酵动力学-细胞生长动力学 其它模型2 ② 高浓度产物抑制的情况下 线性 指数 产物积累一定量才有抑制作用 其中：k，k1，k2为常数

28. 高浓度底物抑制的情形 B～C区：随S0增加，菌体浓度达最高水平，再增加S0，菌体不再增加。 C区：菌体活性受初始高浓度底物及高渗作用抑制，菌体浓度与初始底物浓度成反比。 分批发酵中初始底物浓度对稳定期 菌体浓度的影响 A～B区：菌体浓度与初始底物浓度成正比，有： X为菌体浓度， 为针对底物的细胞得率，初始X0为零； S0为底物初始浓度； St为底物残留浓度。

29. 分批发酵动力学 • 当培养基中存在多种限制性营养物时， Monod方程应改为？

30. 得率系数 分批发酵动力学-基质消耗动力学 • 指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量。其大小取决于生物学参数（µ,x ）和化学参数（DO,C/N,磷含量等） （1）生长得率系数 ① Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克营养物、每克分子氧以及每千卡能量所生成的细胞克数； ② Yx/c、 Yx/N、 Yx/p、Yx/Ave-：消耗每克C、每克N、每克P和每个有效电子所生成的细胞克数； ③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。

31. 分批发酵动力学-基质消耗动力学 • 产物得率系数： 消耗每克营养物（s）或每克分子氧(O2)生成的产物(P)、ATP或CO2的克数。 ：

32. 分批发酵动力学-基质消耗动力学 • 定义：表观得率 专一性得率 *专一性用于生长的底物量△S’不含用于维持能耗及产物形成部分的用量。

33. 分批发酵动力学-基质消耗动力学 基质消耗速率与生长、合成关系如下： 表观： 专一性：

34. 分批发酵动力学-基质消耗动力学 • 为了扣除细胞量的影响， • 定义：基质比消耗速率 • 产物比生成速率

35. = 分批发酵动力学-基质消耗动力学 若生长阶段产物生成可以忽略，即

36. 分批发酵动力学-基质消耗动力学 • 图解法求微生物的本征参数YG和m 1/Yx/s m 1/YG 1/ µ

37. = 分批发酵动力学-基质消耗动力学 若生产阶段微生物生长可以忽略，

38. 图解法求微生物的本征参数Yp和m 1/Yp/s m 1/YP 1/qp

39. 分批发酵动力学-产物形成动力学 根据发酵时间过程分析，微生物生长与产物合成存在以下三种关系： • 与生长相关→生长偶联型 • 与生长部分相关→生长部分偶联型 • 与生长不相关→无关联

40. 非相关型 产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图 相关型 部分相关型

41. 与生长相关→生长偶联型：乙醇发酵 分批发酵动力学-产物形成动力学 产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直 接结果，菌体生长速率的变化与产物生成速率的 变化相平行。

42. 与生长部分相关→生长部分偶联型：柠檬酸、氨基酸发酵与生长部分相关→生长部分偶联型：柠檬酸、氨基酸发酵 分批发酵动力学-产物形成动力学 产物间接由能量代谢生成，不是底物的 直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的 主流产物（与初生代谢紧密关联）。

43. 与生长不相关→无关联：抗生素发酵 分批发酵动力学-产物形成动力学 若考虑到产物可能存在分解时，则 产物生成与能量代谢不直接相关，通过细胞 进行的独特的生物合成反应而生成。

44. 分批发酵动力学 • 应用举例 杀假丝菌素分批发酵动力学分析 杀假丝菌素分批发酵中的葡萄糖消耗、DNA含量和杀假丝菌素合成的变化 。

45. 分批发酵的优缺点 • 优点： • 操作简单、投资少 • 运行周期短 • 染菌机会减少 • 生产过程、产品质量较易控制 • 缺点： • 不利于测定过程动力学，存在底物限制或抑制问题，会出现底物分解阻遏效应?及二次生长?现象。 • 对底物类型及初始高浓度敏感的次级代谢物如一些抗生素等就不适合用分批发酵（生长与合成条件差别大） • 养分会耗竭快，无法维持微生物继续生长和生产 • 非生产时间长，生产率较低

46. 连续发酵动力学

47. 什么是连续发酵？ • 连续发酵概念： 在发酵过程中，连续向发酵罐流加培养基，同时以相同流量从发酵罐中取出培养液。 • 连续发酵特点： 添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生产过程，获得相对稳定的连续发酵状态。 • 连续发酵类型： 单级 多级连续发酵

48. 主要内容 （一）连续发酵类型及装置 （二）连续发酵动力学模型 1.单级恒化器连续发酵 2.多级恒化器连续发酵 3.进行细胞回流的单级恒化器连续发酵 （三）连续发酵动力学理论的应用

49. 连续发酵动力学-发酵装置 • 连续发酵类型及装置 • 罐式连续发酵 • 单级 • 多级串联 • 细胞回流式 • 塞流式连续发酵

50. 连续发酵动力学-发酵装置-单级 单级连续发酵示意图