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1、一、发酵动力学概论一、发酵动力学概论二、微生物发酵动力学二、微生物发酵动力学 1. 微生物微生物生长曲线微生物生长包括细胞体积增大和细胞数量增加典型单细胞微生物的生长曲线如下图 (1) 延滞期延滞期v把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的最初一段时间里，尽管微生物细胞的重量有所增加，但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞期。 (2) 对数生长期对数生长期v对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间内其细胞数目将成倍增加。v而对于丝状微生物而言，单位时间内其生物量将加倍。v此时，如以细胞数目或生物量的对数对时间作一半对数图，将得一直线，因而这一时期称作指数生长期。 (3) 稳定期稳定期v在细胞
2、生长代谢过程中，培养基中的底物不断被消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在不断积累。受此影响，微生物的生长速率和比生长速率就会逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳定期。v处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变；v但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的组成物质还在不断变化。 (4) 衰亡期衰亡期v在衰亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开始死亡。v这时，以生存细胞的数目的对数对时间作半对数图，可得一直线，这说明微生物细胞的死亡呈指数比率增加。v在发酵工业生产中在进入衰亡期之前应及时将发酵液放罐处理。 2. 微生物生长动力学v（1）Monod方程式v
3、Monod方程式是应用最普遍的微生物生长方程式，其曲线、方程如下 v 比生产率，1/hv m 最大比生产率，1/hv Ks饱和常数，g/ Lv m S生长限制基质浓度，g/Lvm/2 v v Ks sSKSsmv由图可知， 饱和常数Ks是比生长率达最大比生长率 m值一半时的生长限制基质浓度。vs ，理论上 m vMonod方程式适用于条件v适用于单一基质限制及不存在抑制性物质的情况，其他营养是过量的，且没有抑制物的生成。Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：111smmSKsmmSKS或： 这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比这样通过测定不同限制性基质浓度下
4、，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两方程的两个参数。个参数。maxsKSS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) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的求在该培养条件下，求大肠杆菌的maxmax，和和Ks? ?解：将数据整理：解：将数据整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221smmSKSmax，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L01002000100200300
5、400 /ssm10.9m108.4sksmmSKS（2） 细胞死亡动力学v微生物在培养过程中，由于基质的限制，部分细胞会发生死亡和自溶，其死亡曲线、方程如下v d d 细胞比死亡率，1/hv dm d m 最大细胞比死亡率，1/h v K d 细胞死亡常数，g/ L v dm /2v K d sSKSd-1dmd三、发酵过程动力学模拟三、发酵过程动力学模拟v1. 分批发酵v发酵工业中常见的分批方法是采用单罐深层培养法，每一个分批发酵过程都经历接种，生长繁殖，菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。v分批式操作将全部物料一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部发酵醪液一次放出
6、操作类型。v特点：v可进行少量多品种的发酵生产；v发生杂菌污染能够很容易终止操作；v当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易改变对策；v对原料组成要求较粗放v分批发酵整个发酵过程的x，n，p，s随发酵时间t的变化，其动力学模拟如下图s - 基质曲线x - 菌体曲线p - 产物曲线n - 氮源浓度曲线 v2.分批补料发酵（也称流加式操作）v是先投入一定量底物装入罐内，到发酵过程的适当时期，开始连续补加碳-能源/氮源/其他基质，使发酵过程中，限制性底物浓度在罐内保持一定；发酵液体积达到最大工作体积时，终止发酵，醪液一次全部取出的发酵方法，介于分批发酵与相连续发酵之间的一种发酵技术，在发酵工业中普遍
7、应用。v适用范围v分批补料发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。v优点：v与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度，以便除去快速利用碳源的阻遏效应；v避免培养基积累有毒代谢物；v能较长时间维持活菌体的浓度，延长生产时间；v改善发酵醪液的流体性质，降低粘度；v减缓供氧的矛盾，增加溶氧；v减轻设备负荷；v分批补料发酵过程生产阶段菌体浓度、生长限制基质浓度s、产物浓度、产率Rp （dp/dt）和发酵液的体积V随时间t的变化曲线v3.反复分批补料发酵v是在分批补料发酵的基础上，每个一定时间按比例放出一部分发酵液，是发酵液的体积始终不超过发酵罐的最大工
8、作体积的发酵方法。v反复分批补料发酵理论上可以无限延长发酵周期，直到发酵产率明显下降，才最后将发酵液一次全部放出。这种操作既保留了补料分批发酵的优点，又避免了它的缺点，发酵工业很普遍。v反复分批补料发酵分为三个阶段：v简单分批操作的生长阶段；v补料分批的生长阶段；v反复补料分批的生长阶段。v前两个阶段的模拟与补料分批发酵完全一样，第三阶段是补料分批操作的不断重复。v反复分批补料发酵过程生产阶段菌体浓度、生长限制基质浓度s、产物浓度、产率Rp （dp/dt）和发酵液的体积V随时间t的变化曲线v4. 连续发酵v连续发酵是一个开放系统，通过连续流加新鲜培养基的同时，以相同的速率排出发酵液；从而维持罐
9、内的恒定的生长环境，保持微生物细胞稳定的生长状态，发酵参数变量（如营养物质浓度、产物浓度、pH值，以及微生物细胞的浓度、比生长速率）达到恒定值的发酵方法。v包括恒化器发酵和恒浊器发酵v优点v连续发酵生产过程比较稳定、均衡，各项参数也较恒定，品质量稳定。v连续发酵采用管道化和自动化生产，明显降低劳动强度。 v连续发酵减少发酵设备的清洗、投料、消毒等辅助时间，提高了设备利用率和劳动生产率。 v灭菌次数少，延长检测探头的使用寿命v便于过程优化控制，有效提高发酵效率v缺点v仪器、设备及控制元件技术要求高，投资成本高v发酵周期长，易染菌v菌种易变异，易退化，从而降低产率v丝状菌体易结团，粘壁，不利发酵v
10、基质利用率低v主要应用于研究，工业生产应用不多。目前仅在些比较简单的发酵产品中应用，如酵母，单细胞蛋白，酒精发酵、丙酮乙醇、石油脱蜡、活性污泥废水处理等 (1) 恒化器 是一种培养液流速保持不变，微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。v通过控制限制基质的浓度，使其始终成为生长限制因子的条件下达到的，因而称为外控制式的连续培养装置。v在恒化器中，一方面菌体密度会随时间的增长而增高，另一方面，限制生长因子的浓度又会随时间的增长而降低，两者互相作用的结果，出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡。v(2) 恒浊器v 是根据培养器内微生物的生长密度，并借光
11、电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。v在恒浊器中，当培养基的流速低于微生物生长速度时，菌体密度增高，这时通过光电控制系统的调节，可促使培养液流速加快，反之亦然，并以此来达到恒密度的目的。v其工作精度是由光电控制系统的灵敏度决定的。 v在恒浊器中的微生物，始终能以最高生长速率进行生长，并可在允许范围内控制不同的菌体密度。v在恒浊器中，微生物可维持该培养在分批培养时达到的最大生长速率。v在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，都可以利用恒浊器。 v恒浊器较难控制，目前大多数研究工作者都利用恒化器进行连续培养的研究。