发酵动力学.

发酵动力学研究的是发酵过程的速率及其影响因素。在发酵过程中，反应体系各组分的浓度、温度、溶液性质（如黏度）以及反应器的形式和结构、操作方式、传质与传热都会影响发酵过程的速率。什么是发酵动力学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本章研究内容发酵过程中菌体生长、底物消耗及产物生成的内在规律。具体包括：分批发酵动力学：分批发酵过程中菌体的生长速率、底物消耗速率和产物生成速率的关系及影响因素。连续发酵动力学：连续发酵过程中菌体的生长速率、底物消耗速率和产物生成速率的关系及影响因素。第一节基本概念几个常见名词得率：用于衡量碳源等物质生成细胞或其它产物的潜力。速率和比速率速率：单位时间、单位反应体积某一组分的变化量。比速率：以单位浓度细胞为基准而表示的各个组分的变化速率。常用的几种得率对底物的细胞得率（生长得率）△X：生成细胞的质量（浓度）△S：消耗底物的质量（浓度）Yx/s的倒数反映了生成单位质量细胞所需消耗的底物量。单耗：生产单位质量产物所消耗的各种原料量SXYSX/发酵动力学的主要研究内容细胞生长动力学：研究影响细胞生长速率的各种因素及其影响规律。重点：Monod方程底物消耗动力学以C源为例产物生成动力学考虑产物生成速率与细胞生长速率相关发酵动力学分类根据产物形成与底物消耗的关系Ⅰ型：产物形成直接与底物消耗有关（酒精发酵、乳酸发酵）Ⅱ型：产物形成与底物消耗间接有关（柠檬酸、谷氨酸发酵）Ⅲ型：产物形成与底物消耗无关（青霉素发酵、核黄素发酵）根据产物形成与细胞生长是否偶联相关型：产物形成速度与生长速度紧密联系（酒精发酵）混合型：产物形成与生长只有部分联系（乳酸发酵）非相关型：产物形成速度与生长速度无关（抗生素发酵）根据细胞生长与产物形成的关系相关型主要为初级代谢产物的生产。如葡萄糖厌氧发酵生成乙醇，或好气发酵生成中间代谢物氨基酸、维生素等。产物的生成速率与细胞生长速率直接有关。或XYdtdXYdtdPXPXP//XPPYQ/根据细胞生长与产物形成的关系非相关型细胞生长时无产物；细胞停止生长后，则有大量产物积累。产物的形成速率只与细胞积累量有关，产物的合成发生在细胞停止生长之后，习惯上把这类与细胞生长无关联的产物称为次级代谢产物。如大多数抗生素和微生物毒素的发酵。非相关型发酵的生长速率只与菌体量有关，而与比生长速率无关。XdtdP根据细胞生长与产物形成的关系混合型产物生成速率既与细胞生长速率有关，又与细胞积累量有关。如乳酸、柠檬酸、谷氨酸的发酵。产物生成速率可由下式描述：XdtdXdtdPXX发酵类型按照是否需氧可分为好氧发酵、厌氧发酵和兼性厌氧发酵三类；按照培养基的类型可分为固体发酵和液体发酵两类；液体发酵分为浅层液体发酵和深层发酵；深层发酵可分为分批发酵、补料分批发酵和连续发酵三大类型。分批发酵法底物一次性装入反应器内，在适宜条件下进行反应，经过一定时间后将反应物全部取出。补料分批发酵法先将一定量底物装入反应器，在适宜条件下反应，在反应过程中，间歇或连续地进行补加新鲜培养基，反应终止时将全部反应物取出。连续发酵法反应过程中，一方面把底物连续加入反应器，同时又把反应液连续不断地取出，使反应过程始终处于稳定状态。第二节分批发酵动力学分批发酵的特点在发酵过程中，要经历接种、生长繁殖、菌体衰老、发酵结束（放罐）等过程。随着底物不断被消耗、产物逐渐生成，反应体系在不断变化。分批发酵过程中，细胞经历停滞期、对数期、静止期和衰亡期四个阶段。分批发酵动力学的研究内容细胞生长动力学底物消耗动力学产物生成动力学分批发酵-细胞生长动力学单细胞微生物的生长曲线分批发酵-细胞生长动力学延迟期延迟期系指培养基接种后，细胞浓度在一段时间内无明显增加的这—阶段。它是细胞在环境改变后表现出来的一个适应阶段。如果新培养基中含有较丰富的某种营养物质，而在老环境中则缺乏这种物质，细胞在新环境中就必须合成有关的酶来利用该物质，从而表现出延迟期。延迟期长短与菌种的种龄有关，年轻的种子延迟期短，年龄老的种子延迟期长。对于相同种龄的种子，接种量愈大延迟期愈短。0dtdX对数期在对数期，培养基中营养物质较充分，细胞的生长不受限制，细胞浓度随时间呈指数生长，比生长速率μ维持不变。txxdtXdX00两边积分XdtdX)exp(0tXX可得可以看出：菌体浓度呈指数增加微生物的生长速率受遗传特性及生长条件的控制，下表列出了几种不同微生物在不同C源下的比生长速率μ和倍增时间td减速期在对数期，细胞生长不受限制，此时μ达到最大值μm。当反应进行一段时间，若存在限制性底物，此时μ＜μm，细胞生长速率与细胞浓度仍符合一级动力学关系：XdtdX营养物质限制生长微生物的典型生长形式符合Monod方程sKssuumMonod方程μ为比生长速率(s-1)；μmax为最大比生长速率(s-1)，s为限制性底物浓度(g／L)。Ks为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率恰为最大比生长速率的一半时的限制性底物浓度。sKssuumMonod方程是经验方程，其基本假设如下：1.细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的唯一变量是细胞的浓度；2.培养基中只有一种底物是生长限制性底物，而其它组分不影响细胞的生长；3.细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。根据Monod模型方程，μ与Cs的关系为当s≤Ks时，sKsmax当s≥Ks时，maxKs为饱和常数，其值等于比生长速率恰为最大比生长速率一半时的限制性底物浓度。随着KS的增加，可以看出，想要达到1/2μm所需的S浓度也越大。不同的菌种不同的培养基的Ks和μm当微生物的比生长速率μ符合Monod方程时，菌体浓度仍呈指数生长。)exp(0tXX此时，sKssuum稳定期由于营养物质的耗尽或有害物质的积累，细胞生长速率等于细胞死亡速率，细胞的表观生长速率为零，此时细胞浓度达到最大。dk或dXrr0/0SYXXSXm有时培养液中的营养物质尚未耗尽即进入稳定期，这往往是由代谢产物抑制造成的，乳酸、乙醇都有明显的产物抑制现象。稳定期是细胞大量生产次级代谢产物的阶段，如抗生素生产。衰亡期由于细胞所处环境不断恶化，细胞死亡速率加速，细胞浓度快速下降。细胞死亡速率遵循一级动力学，即：XkdtdXd在某一时刻，活细胞浓度为)exp(tkXXdm其它生长动力学模型对于分批发酵的细胞生长过程，主要研究其对数期的生长动力学。Monod方程虽然表述简单，但它不足以完整地说明复杂的生化反应过程，并且已发现它在某些情况与实验结果不符，因此人们又提出了另外一些方程加以说明。双底物限制生长动力学该方程中任一参数Ks1或Ks2为零就成单底物限制，即Monod方程))((222111sKsssKssuum底物抑制生长动力学上式Ks——饱和常数（限制性）Ki——抑制常数（抑制性）当s很小时，参数Ks影响为主；当s很大时，参数Ki影响为主。2sKisKssuumsKisKsuum1或产物抑制生长动力学——产物抑制常数，L/g；P——产物浓度，g/L。当K’i无穷大时，即使P浓度很小，都使方程偏离Monod曲线很多，即产物抑制非常明显当K’i无穷小时，即使P浓度很大，都使方程趋近于Monod曲线，即产物几乎不产生抑制)1(PiKsKssuum或）（PiKsKssuumexpiKContois方程式前面的方程中都没有出现X，即菌体浓度。当菌浓很高，发酵液黏度很大时，采用如下方程：sXKsuuXm其中KX是考虑了菌浓的饱和常数多种底物现象同时使用型优先使用型ssKsKssKsK2211221121maxsKsKss222111maxsKssKsaa其它分批发酵-底物消耗动力学实际产物得率与菌体生长得率的关系-ΔS=(-ΔS)M+(-ΔS)G+(-ΔS)PSXYSX/GgsSXY)(生长得率理论生长得率同样，对于产物得率SPYSP/PPSSPY)(实际产物得率理论产物得率（产物最大得率）底物平衡（基质平衡）对时间进行微分由于两边同除以ΔXPGmSSSS)()()()11(dtdPYdtdXYXmdtdSPSgssPSPgssYQYumQs即为比速率的关系实际产物得率与菌体生长得率的关系由于上式各项同除以ΔX（ΔX＞0），并整理得PGmSSSS)()()(uYQmYYPSPsgsSX1)(11/mdtdSX)1(msdtdPX1QPdtdXXu1维持常数，g/(g·h）比生产速率，g/(g·h)比生长速率，1/h若上式同除以ΔP，则可得PgsPsPSSPQYuQmYY11/由以上两个方程可知：当比生产率QP保持稳定时，实际生长得率YX/S随比生长率u的上升而增加，而实际产物得率YP/S随u的上升而减少。底物消耗动力学-不考虑产物生成微生物细胞是在生长和能量代谢的过程中生成产物，没有独立地用于细胞生成产物的底物。此时，产物的生成直接与能量的产生相联系。因此，底物消耗的速率方程不考虑单独的产物生成项。tX1GYXtmXSGmSSS)()(同乘以，mYQGs1或mXYrrGxS底物消耗动力学-考虑产物生成底物消耗速率取决于三个因素：细胞生长速率、产物生成速率和底物消耗于维持能耗的速率，底物消耗动力学模型如下PPxGsrYmXrYr11PPGYQmYQs1或有关底物消耗动力学的讨论都是建立在单一限制性底物基础上。对于微生物发酵过程而言，一般包含着多种酶促反应的同时进行，此时底物的消耗和转化机理变得十分复杂。尽管如此，在实际应用中，人们仍然可以针对某一特定的微生物发酵过程来研究主要的限制性底物的消耗与微生物生长及产物合成的动力学关系，了解微生物生长代谢规律，实施发酵过程工艺的优化，提高发酵生产水平。讨论分批发酵-产物生成动力学由微生物反应生产的代谢产物种类很多，并且微生物细胞内的生物合成途径与代谢调节机制各有特色，因此很难用唯一的生成速率模型来表达。一般可采用定量模型来描述产物的合成与微生物细胞生长的动力学关系。Piret曾将微生物培养过程中产物形成与微生物的生长划分为生长偶联型和生长非偶联型两种情况。与生长偶联的产物，可以认为相当于初级代谢物，而非生长偶联的产物，则相当于次级代谢物。分批发酵-产物生成动力学Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的动态关系，将产物生成动力学进一步划分为生长相关型、生长部分相关型和非相关型三种。产物生成动力学-生长相关型生长相关型是指产物的生成与细胞的生长密切相关的动力学过程。产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直接结果，即产物通常是基质分解代谢产物或合成细胞生长必需的代谢产物。所以代谢产物的生成和细胞的生长是同步的和完全偶联的，且产物的生成与底物的消耗有直接的化学计量关系。属于此类发酵的通常为简单发酵类型，如乙醇、葡糖酸、乳酸的发酵等。产物生成动力学-生长部分相关型生长部分相关型指代谢产物是能量代谢的间接结果，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。产物的生产与底物的消耗仅有时间关系，并无直接的化学计量关系，产物生成与细胞生长部分偶联，属于中间发酵类型。属于此类型的有柠檬酸发酵、氨基酸发酵等。产物生成动力学-非相关型非生长相关型是指产物的生成与能量代谢无关，与细胞的生长也无直接的关系。产物为次级代谢产物。这类发酵的特点是细胞处于生长阶段，无产物的积累；当细胞进入稳定期后，产物才开始大量生成。此类型的产物生成只与细胞的积累量有关，而与细胞生长速度无关。此类型的发酵过程通常可以划分为两个阶段，即菌体生长阶段和产物合成阶段，绝大多数抗生素发酵都属于这一类型。产物生成动力学-Luedeking和Piret模型k1——与菌体生长关联的产物合成常数；