10 第8章_发酵动力学.pptx

第1页：第七章发酵动力学

第七章发酵动力学

第2页：发酵动力学发酵过程中

各种变量在菌体活动中的变化规律，以及各种发酵条件对这些变量变化的影响。菌体生长、基质消耗、产物生成三者间的动态平衡及内在规律。意义：更加深入地认识和掌握发酵过程，为工业发酵的模拟、优化和控制打下基础。为最佳发酵条件控制提供依据研究方法：数学模型定量描述发酵过程中细胞生长速率、基质利用速率和产物生成速率等因素的变化。

第3页：发酵动力学的研究内容反应器的操作模型

研究代谢规律及其影响因素并建立其与影响因素的关联动力学模型反应器特性

第4页：第一节微生物生长代谢过程中的质量平衡

• 一、微生物反应(生长代谢)过程中的碳平衡
• 微生物反应通式：
• 碳源＋氮源＋O2→菌体＋产物＋CO2+H2O

第5页：最低培养基与完全培养基

• 1、最低培养基与完全培养基
• 最低培养基：由单一碳源葡萄糖和无机盐组成。葡萄糖作为能源、构成菌体的材料。
• 完全培养基：含有碳源、无机盐，还含有供构成菌体所需要的材料，e.g.酵母膏、牛肉膏。

第6页：

第7页：

第8页：

第9页：相同微生物在不同的培养条件下培养

菌体细胞的元素组成有些区别，但差别不大，因此可看作是相对稳定的。这样，就可以根据基质中的营养物质(S)、菌体(x)、产物(P)和二氧化碳中碳元素的数量写出微生物反应过程碳元素的衡算式：2.微生物生长代谢过程中基质和产物之间的碳元素平衡

第10页：M代谢过程中基质和产物之间的C素平衡

• 根据基质的变化情况可建立如下平衡关系：
• CS= CX+ CP+ CCO2如果用α1、α2、α3、α4表示基质、菌体、CO2、产物中碳的含量(g碳/mol)则，上述平衡也可表示为

第11页：（微生物的基质消耗比速）（微

生物的生长比速）（微生物的CO2生成比速）（微生物的产物生成比速）若定义：则，上式可简化为

第12页：由式可以判断代谢途径

此值接近1，说明估计途径基本正确；小于0.6，则途径有误差。

第13页：微生物生长过程中

• 3、微生物生长过程中的主要基质——碳平衡
• 在以糖为碳源的M生长过程中，消耗的碳(△S)主要用来：
• (1)满足菌体生长(个体增加)的需要，(△S)G；
• (2)维持菌体生存(能量)的消耗，(△S)m；
• (3)转变为代谢产物所消耗，(△S)P；
• 则可表示为：

第14页：若用YG—

表示用于微生物生长的碳源对菌体的得率常数；m—表示微生物的碳源维持常数；YP—表示碳源对代谢产物的得率常数；则有

第15页：所以： 在以细胞为目的产物的

• 所以：
• 在以细胞为目的产物的发酵生产中，如果忽略代谢产物的量，则有：-------------式（7-7）

第16页：用μ对ν作图

得直线，可求得维持常数m，用于微生物生长的碳源对菌体的得率常数YG的倒数。如下图所示

第17页：mμ(h-1)YG－1μ对ν

作图结果

第18页：若定义YX/S为基质对菌体的得率，即

则：而：⇒

第19页：即有：用μ-1对作图

也得直线，如下图。

第20页：YG－1斜率＝mμ-1μ-1对YX/

S-1作图结果

第21页：细胞物质生产过程中碳源的化学平衡

• 4、细胞物质生产过程中碳源的化学平衡
• YX/S越接近YG，说明碳源转化为菌体的效率越高。
• 注意理解YX/S与YG的区别，（YX/S<YG）

第22页：细胞物质生产过程中碳源的化学平衡

4.细胞物质生产过程中碳源的化学平衡发酵是复杂的生化反应过程。目前只能从宏观上，依据质能守恒定律，确定整个反应过程的基质消耗、菌体生长、呼吸、放热、代谢产物生成等质量和能量转化的规律及其定量关系，列出总的化学计量方程式、作为发酵过程质量和能量衡算及过程优化的基础。

第23页：在研究发酵过程的化学计量式时，作如下的处

理：①对复杂分子组成的原料用简化的化学式表示。如碳源用C6H12O6或CH2O表示；氮源用NH3示；磷、硫源分别用H3PO4和H2SO4表示；②忽略反应中的一些次要的元素和成分。如一般在菌体组成式中略去P、S及其它无机元素；反应物中相应略去P、S等；生成物中略去不重要的副产物；

第24页：如（p132），对于以葡萄糖

为碳源通风培养面包酵母过程，其化学平衡式为：200 67.2 84.6 121 61.6从实验结果来看，200gC6H12O6可生成84.6g酵母菌菌体，即如果考虑菌体的N、P等元素，则可得到约100g干酵母菌，即Yx/s约为0.5。

第25页：微生物生长过程中进行碳衡算的意义

• 5、微生物生长过程中进行碳衡算的意义
• (1)为提高生产水平提供依据。
• (2)为建立发酵动力学模型奠定基础。
• (3)为探求X的自控方法打下基础。

第26页：二、M生长代谢过程中的ATP循环与氧平衡

1、ATP循环合成代谢分解代谢维持代谢ATPADP繁殖

第27页：

第28页：ATP的产生——生物氧化

• 2、ATP的产生——生物氧化
• 复习：
• 底物水平磷酸化(获得能量少)
• 电子传递水平磷酸化(获得能量多)

第29页：生物氧化有氧氧化无氧氧化无传递体系电

子传递体系氧化酶需氧脱氢酶NAD传递FAD传递以有机物为受体以无机物为受体

第30页：底物水平磷酸化

底物水平磷酸化

第31页：H2OPi底物水平磷酸化

H2OPi底物水平磷酸化

第32页：NADH呼吸链H2O12O2O2-M

H2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c-c1-aa3Fe S2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸Fe S2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸ADP→ATPADP→ATP

第33页：微生物生长代谢过程中的氧平衡

• 3、微生物生长代谢过程中的氧平衡
• 根据单一碳源培养基内，可建立下列平衡：
• A(-△S)=B(△X)+C(△P)+(△O2)
• 式中：
• A、B、C分别为基质、菌体、产物完全氧化时的需氧量.
• △O2为M生长代谢过程中的耗氧量△O2一定时间内维持生命活动的耗氧：m0X△t生长菌体的耗氧：△X/YGOYGO用于菌体生长的氧对菌体的得率则有：△O2＝m0X△t＋△X/YGO-------------式（7-10）

第34页：由此可得到M培养时氧平衡式

• 为：
• 即：
• 根据定义并结合上式，有：-------------式（7-11）-------------式（7-12）QO2为氧的消耗比速

第35页：m0μ

• (h-1)YGO－1μ对QO2作图结果
• 当：由实验求得微生物的某一生长比速μ对其所对应的耗氧比速作图时，可得到一直线(如下图所示)，可确定相应的参数。

第36页：-------------式

（7-7）-------------式（7-13）由7-11、7-12式可得：同时，前面可知

第37页：由（7-13

）和（7-7）式可得有：因此，可以根据m、YG、mo、YGo之间的关系进行相互换算；

第38页：ATP消耗对菌体的得率YATP

4.ATP消耗对菌体的得率YATP与ATP平衡能量供应是一切生化反应进行的前提，当其他原料供应充足时，菌体的生长就取决于ATP的供应情况，这种生长就是能量生长偶联型；当ATP供应充分时，由于菌体生长原料受限制而导致菌体生长受影响，这时菌体的生长表现为能量生长非偶联型，此时，多余的ATP就以热能的形式释放出来。

第39页：以YATP来

描述菌体生长过程中能量的利用效率，即以ATP为基准的菌体得率：多数微生物

第40页：第二节微生物发酵动力学

一般说来，M生长培养和发酵方式有分批发酵连续发酵补料发酵

第41页：一、分批培养

• （batch culture）
• 非恒态培养法，密闭系统，一次性，过程中营养成分不断降低。
• (一)微生物生长曲线

第42页：分批培养微生物群体的生长1.延缓期2

.对数期3.稳定期4.衰亡期

第43页：(二)四个时期 1.延滞期（

• (二)四个时期
• 1.延滞期（lag phase）
• 其它名称：停滞期、调整期、适应期
• 现象：
• 活菌数没增加，曲线平行于横轴。
• 特点：
• 生长速率常数= 0；
• 细胞形态变大（长）；
• 细胞内RNA特别是rRNA含量增高；
• 合成代谢活跃，易产生诱导酶；
• 对外界不良条件敏感。

第44页：原因： 适应新的环境条件，合

• 原因：
• 适应新的环境条件，合成新的酶，积累必要的中间产物。
• 影响延迟期长短的因素：
• 菌种
• 接种物菌龄(对数生长期)
• 接种量(大，易形成优势)
• 培养基成分(合成与天然培养基)

第45页：对数期

• 2.对数期（logarithmic phase）
• 其他名称：指数期
• 现象：
• 细胞数目以几何级数增加，其对数与时间呈直线关系。
• 特点：
• 生长速率常数最大;
• 平衡生长;
• 代谢最旺盛;
• 对理化因素较敏感;
• 影响因素：
• 菌种;
• 营养成分与浓度;
• 培养温度;

第46页：稳定期

• 3.稳定期（stationary phase）
• 又称：恒定期或最高生长期
• 特点：
• ①细胞增殖与死亡数几乎相等，细胞数达最高值；
• ②开始积累内含物或产芽孢；
• ③开始合成次生代谢产物；
• 影响因素：
• 限制性营养物的量；
• 营养物的比例；
• 有害代谢废物的积累；
• 物化条件；

第47页：衰亡期

• 4.衰亡期（Death or decline phase）
• 特点：
• ①出现“负生长”；
• ②细胞出现多形态变化；
• ③菌体死亡、自溶；
• 影响因素：
• 环境条件变化；
• 分解代谢超过合成代谢；

第48页：在对数生长期

单位菌体在单位时间内的增殖菌数为常数，称为比生长速率，用μ表示。若起始菌量为x0（接种量），经过时间t后的总菌量为x，则

第49页：实际上菌体的生长是连续的过程

因此，为接近实际，将时间分得很短，按1/m单位时间来看，此时，t单位时间内获得的总菌数为：当m愈大，问题就越接近实际，因此

第50页：当x＝2x0时

即细胞通过分裂繁殖一代，数量增加一倍所用的时间叫世代时间或倍增时间，用td表示。则：该式即是微生物在对数生长期的增殖模式。

第51页：（三）微生物生长速度的动力学方程

一般情况下，微生物的μ并非常数，μ因菌体所处的环境条件而改变。当温度和pH值恒定时，μ值随培养基组分浓度变化而变化，即

第52页：1942年

莫诺发现细菌的比生长速率与单一限制性基质之间存在一定关系，借助郎格谬尔方程，莫诺建立了被称为莫诺方程的经验公式：μmax:最大比生长速率，是在S＞＞KS，且其他成分保持不变的情况下取得的。

第53页：由该式可知

当μ＝1/2μmax时，有KS= S，所以，莫诺常数KS（或称饱和常数）是微生物的生长速率等于最大比生长速率的一半时的底物浓度；显示微生物对底物的亲和力。当S→∞时，μ→μm，说明μm只是理论上的最大生长潜力，实际上是不可能达到的。实际上，莫诺方程是在如下假设基础上建立起来的

第54页：1）菌体生长为均衡型非结构式生长

因此，细胞成分只需要一个参数即菌体浓度表示即可。2）培养基中只有一种底物是生长限制性底物，其他营养成分不影响微生物生长。3）将微生物生长视为简单反应，并假设菌体得率为常数，没有动态滞后。莫诺方程与米氏方程形式相同，但微生物生长是细胞群体生命活动得综合表现，机理非常复杂。

第55页：当存在多种限制性营养基质时，方程可改

为:如果所有营养物过量，细胞生长可处于对数生长期，可达到μ=μmax。

第56页：(四)营养利用和产物生成动力

• 学
• 1.反应速度方程式的推导
• F,S0,X0V,S,X，PF',S,X,P

第57页：根据体系物料平衡原理有

• (1)菌体增长：
• (2)限制性基质这里：(基质的菌体得率)(基质的产物得率)

第58页：式中： F,F’：基质流量(

• 式中：
• F,F’：基质流量(L/h)；
• X：细胞浓度(g菌体/L)；
• V：发酵液体积(L);
• S0：流入基质浓度(g基质/L)
• S：流出基质浓度(g基质/L)
• YX/S：基质的菌体得率(g菌体/g基质)
• YP/S：基质的产物得率(g产物/g基质)
• QP：比产物生成速率(g产物/g菌体.h)
• X：菌体浓度(g菌体/L)
• m：碳源维持常数(g基质/g菌体.h)
• P：发酵液中产物浓度(g产物/L);
• k：产物分解常数(h-1);

第59页：二、补料分批培养

• 1、单一补料分批培养(P142)
• 是补料分批培养中的一种类型。
• 特点：补料一直到培养液达到额定值，中途不取出培养液。间歇补料操作连续补料操作按操作方式

第60页：

第61页：X0分别为起始营养物和菌体的浓度

• 假定：S0、X0分别为起始营养物和菌体的浓度，S为某时刻底物浓度
• 则：某一时刻培养液中细胞浓度X为
• 最大细胞浓度Xmax为：

第62页：此时，若以恒定F流加培养基

• 并保证D<μmax，
• 则：加入的限制性营养物会很快被消耗。
• D为稀释率

第63页：这表明

• 补料所引起的培养体系的基质浓度变化dS/dt=0，即：
• X'增加，但X却不变，即：
• 若定义

第64页：并将其微分，可得

并将其微分，可得

第65页：由B和C式可推出μ＝D

• 由A、B、C式推出：补料分批培养数属半稳恒状态，与恒定状态μ＝D不同。即，
• 在半稳恒状态下有：
• 明确半稳定状态补料分批培养：
• (1)须满足μ＝D
• (2)D是变化量。

第66页：补料分批培养的应用

• 2、补料分批培养的应用
• 优点：
• 解除底物抑制、反馈调节作用；
• 减少菌体生成，提高底物转化率；
• 方便调节pH和菌体所处时期的控制；
• 应用：
• 单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素。。。

第67页：三、连续培养

• 连续培养：
• 等量、同时地加入和排出培养基。
• 原理：
• 对数期后期，以一定的速度流进新鲜培养基，同时以溢流方式流出培养液，使培养物达到动态平衡。
• 单罐连续发酵
• 多罐连续发酵

第68页：(一)连续培养设备类型均匀混合反应器恒化

器：营养物浓度恒定恒浊器：细胞浓度恒定连续培养设备活塞流反应器

第69页：恒浊器与恒化器的比较培养基流速培养基

控制对象装置不恒定无限制生长因子菌体密度（内控制）恒浊器恒定有限制生长因子培养基流速（外控制）恒化器

第70页：连续发酵优点

• (相对于分批发酵而言)：
• 高效，简化；
• 自控；
• 产品质量稳定;
• 节约，均衡；
• 连续发酵不足：
• 菌种易退化；
• 易污染；
• 营养物利用率低；

第71页：(二)单罐连续发酵动力学 假

• (二)单罐连续发酵动力学
• 假定：培养(发酵)是在理想状态下进行。
• (1)物料进罐就混合均匀；
• (2)罐内无菌体死亡；F,S0,X0V,S,X,PF,S,X,P

第72页：细胞： 对于连续发酵系统

• 1、细胞：
• 对于连续发酵系统，细胞平衡为：在流加新鲜培养基和忽略细胞死亡的情况下，则有：

第73页：要使连续系统稳定运行，必有

μ是一个表示M性质的参数；D是一个物性参数；单罐连续培养：有利于研究细胞在一定比生长速率下的特性。

第74页：限制性基质稳定状态时

2、限制性基质稳定状态时，系统内：在这种情况下，细胞浓度为：

第75页：定义：细胞产率＝DX

则

第76页：产物稳恒状态时

3、产物稳恒状态时：则有：

第77页：假定流加物料中限制性营养基质浓度为S

• 0，则，临界稀释速率Dc＝此时可能达到的比生长速率μ，即：
• 当D>Dc时，冲出现象；
• 当D<Dc时，反应器中限制性基质的稳态浓度S：(由Monod式可知)

第78页：XSDXD

(1/h)X，DX（g/L）S（g/L）DX1234500246810①D→0；x达最大值,s最小。②D增大，s增大，x减少，直至最后x=0③清洗点：D→μmax时，s增大到S0，x迅速下降到0。D与X、S、DX的关系如图所示

第79页：式中： F：流入流出基质流量

• 式中：
• F：流入流出基质流量(L/h)；
• X：细胞浓度(g菌体/L)；
• V：发酵液体积(L);
• S0：流入基质浓度(g基质/L)
• S：流出基质浓度(g基质/L)
• YX/S：基质的菌体得率(g菌体/g基质)
• YP/S：基质的产物得率(g产物/g基质)
• QP：比产物生成速率(g产物/g菌体.h)
• X：菌体浓度(g菌体/L)
• P：发酵液中产物浓度(g产物/L);
• α：菌体死亡常数(h-1);

第80页：(三)带有细胞再循环的单级恒

化器αFαFcX，S，P(1+α)F浓缩的细胞流入基质F,S0连续离心机V,X,S,PF,[1-α(c-1)]X,S,P

第81页：设：流出液体的循环比为α

菌体分离器浓缩率为σ(>1)，根据质量守恒定律，则X和S的物料衡算分别为

第82页：由式(A

)有：由式(B)有

第83页：若令(1+α-αc

• )=K，则：
• 在这种情况下，临界稀释速率Dc同时，结合式(C)和Monod方程，有

第84页：多罐串连系统

• (1)流入液瞬间混合均匀；
• (2)微生物细胞无死亡；
• (3)罐容积系统；
• (4)第一只罐中流加新鲜培养基；Xn,Pn,SnF

第85页：

第86页：《反应工程原理》王建华

• 1.《反应工程原理》王建华(译)，成都科技大学出版社，1995.3
• 2.《生物反应工程原理》贾士儒，南开大学出版社，1996.6
• 3.《生化工程》伦世仪，中国轻工业出版社，1994.

第87页：第三节微生物生长代谢过程

• 数学模型的建立
• 一、连续培养时微生物生长数学模型
• 酶反应服从米氏方程

第88页：葡萄糖的比消耗速率与限制性底物浓度

的关系也类似于米氏方程，即：式中：νmax—葡萄糖最大的消耗比速；KS—饱和常数；式(1)

第89页：斜率微生物连培养过程限制性基质浓度

的倒数1/[S]与微生物生长比速的倒数1/ν的关系

第90页：限制性基质浓度与微生物生长比速之间

的关系限制性浓度与微生物生长比速的关系呈现饱和曲线

第91页：微生物生长这一酶反应

• 同样存在抑制作用。
• 竞争性抑制：
• 非竞争性抑制：图10－11，图10－13所示。

第92页：二、分批培养时微生物生长

• 数学模型
• 分批培养特点：一次接种，培养一定时间，一次放罐。
• 设：种子罐开始细胞浓度为X0，在1小时内有部分细胞分裂(一分为二)，假定分裂率为μ。
• 则：每小时能分裂的细胞数为：μX0
• 未分裂的细胞数为：(X0-μX0)
• 所以，经过1小时后细胞浓度X1:
• X1=[X0-μX0]+2μX0= X0(1+μ)

第93页：经过2小时后细胞浓度X2

• X2＝(X1－μX1)＋2μX1= X1(1+μ)
• ＝X0(1+μ)(1+μ)=X0(1+μ)2
• …
• 类推：经过t小时后，细胞浓度Xt:
• Xt= X0(1+μ)t
• 应用极限方式，有：亦即

第94页：X1=X0

• (1+ε)ξ
• Xt=X0[(1+ε)ξ]t=X0(1+ε)ξt由假设，ξ→∞，ε→0因此，种子罐内对数生长期菌体浓度与培养时间的关系式

第95页：若微分上式，有

即：在微生物培养过程中，菌体在某时刻的增长速率和此时刻培养液中菌体浓度成正比。(单位菌体在单位时间内的增加量)(μ即为菌体的比生长速率)

第96页：实际生长比速＝μ－kX

• 或
• 要得到培养时间与菌体浓度关系的表达式，则需要解微分方程

第97页：复合函数求导

• 则式(1)可写作：
• 化简得：一阶线性非齐次方程

第98页：其解为

其解为

第99页：确定初始条件

• t=0时，X=X0，
• 则得