六发酵动力学.

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。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、效率和转化率等研究发酵动力学的目的本章的重要性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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生化反应：aA+bBcC+dD反应动态平衡改变条件破坏平衡如何能最快最多的获得目的产物温度酸碱度浓度催化剂如何确定高产高效的最佳条件？采用反应动力学方法进行定量研究动力学主要探讨反应速率问题：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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。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。本章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。典型的分批发酵工艺流程图分批发酵过程t1t2t3t4t5分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线菌体浓度X时间t分批发酵动力学-细胞生长动力学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。关于菌龄的描述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）：dtdXX1dtdNNn1或tteXX0ttneNN0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。n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)0,0dtdx00lnln1xxtxxdtdxxmmmtme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:sKssmtsKsxxsm0lnlntexx0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/m3Ks—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S10Ks)，此时，µ=µm②当S较低时，(减速期，S10Ks)，此时S↓，µ↓∴减速期，µ↓分批发酵动力学-细胞生长动力学sKssm比生长素率μ限制性底物残留浓度St残留的限制性底物浓度对微生物比生长率的影响表征μ与培养基中残留的生长限制性底物St的关系tSKtSmsMonod方程：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。酶促反应动力学－米氏方程：sKssm][][sKsVvmm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：mmSKs111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Stationary（不生长或生长率与死亡率相等）:dying:atxxmlnlnatmexxmax01xxdtdxx，（浓度最大）分批发酵动力学-细胞生长动力学a(比死亡速率，s-1)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：0x0（0tt1)µmx0eµmt(t1tt2)µ=x=x0eµm(t2-t1)eµt(t2tt3)0xm(t3tt4)-axme-at(t4tt5)sKssmCBAXS0初始底物浓度菌体浓度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：)(0/tSXSSYX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。SXY/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。X/SY高浓度底物抑制的情形当培养基中存在多种限制性营养物时，Monod方程应改为？122221111max1innnnKiSKSKSKSKSKSK分批发酵动力学得率系数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①Yx/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；②Yx/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；③Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。分批发酵动力学-基质消耗动力学消耗每克营养物（s）或每克分子氧(O2)生成的产物(P)、ATP或CO2的克数。sCOsATPOPYYY///p/s22,,,Y分批发酵动力学-基质消耗动力学产物得率系数：：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→无关联分批发酵动力学-产物形成动力学相关型部分相关型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与生长相关→生长偶联型：乙醇发酵XPPxXPYqdtdxYdtdP//1/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。分批发酵动力学-产物形成动力学与生长部分相关→生长部分偶联型：柠檬酸、氨基酸发酵PqxdtdxdtdP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）。分批发酵动力学-产物形成动力学与生长不相关→无关联：抗生素发酵pqxdtdP若考虑到产物可能存在分解时，则PkxqPkxdtdPdpd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。分批发酵动力学-产物形成动力学分批发酵动力学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。应用举例连续发酵动力学什么是连续发酵？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（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主要内容连续发酵类型及装置罐式连续发酵单级多级串联细胞回流式连续发酵动力学-发酵装置单级连续发酵示意图连续发酵动力学-发酵装置-单级两个及以上的发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出料作为下一级发酵罐的进料。连续发酵动力学-发酵装置-多级串联两级连续发酵示意图罐式连续发酵实现方法恒浊法：通过调节营养物的流加速度，利用浊度计检测细胞浓度，使之恒定。恒化法：保持某一限制性基质在一恒定浓度水平，使菌的比生长速率µ保持一定。连续发酵动力学-发酵装置-多级串联a:再循环比率（回流比）c:浓缩因子细胞回流的单级连续发酵示意图连续发酵动力学-发酵装置-细胞回流式eSFXF)1(eXFcXF,定义：①稀释率D=F/V(h-1)F—流量（m3/h）V—培养液体积（m3）②理论停留时间DTL1连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵细胞的物料衡算（µ和D的关系）对于单级恒化器：X0=0且通常有：xxDxDxxdtdxxVFxVFdtdxG00xDdtdx连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵积累的细胞（净增量）=流入的细胞-流出的细胞+生长的细胞-死亡的细胞0dtdxxdtdx,0xdtdx,0连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵xDdtdxA.稳定状态时，此时µ=D（单级连续发酵重要特征）B.不稳定时，当µD，当µD，积累的营养组分=流入量-流出量-生长消耗量-维持生命需要量-形成产物消耗量稳态时，=0,一般条件下,mx产物相对菌体生长量较少,SPPSXYxqmxYxSVFSVFdtds//0SXYx/0/SPPYxqSXYxSSD/0限制性基质的物料衡算连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵dtdsdtdsdtds稳态时,单级连续培养两个稳态方程是：SSYxDSX0/SSYxDSX0/限制性基质的物料衡算连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵SXYxSSD/0细胞浓度与稀释率的关系（x与D的关系）临界稀释率Dc导致菌体开始从系统中洗出时的稀释率，当流入底物浓度为S0时，临界稀释率Dc为：00SKSDSmC稀释率D的大小不能超过连续发酵系统的临界稀释率CSmsmDSKSSKSD00如果取DDC，则会出现：DDCµ由可知负增长，x↓，进入非稳态，菌体最终被洗出，即x=0时，达到“清洗点”，此时，xDdtdx0dtdx00SKSDSmC连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵多级恒化器的第一级动力学模型假设两级发酵罐内培养体积相同，即V1=V2；且第二级不加入新鲜培养基，则对于第一级动力学模型（方程）与单级相同。连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵应用有助于了解和研究细胞生长、基质消耗和产物生成的动力学规律，从而优化发酵工艺