发酵工程--发酵动力学

发酵动力学一、分批发酵分批发酵的操作最为简单，在培养基中接种后只需维持一定的温度，对于好氧培养过程则还需进行通气搅拌。向发酵罐内一次性投入发酵培养基和菌种，中间除了空气进行和尾气排出，与外部没有任何物料交换，放料后再重复投料、灭菌、接种和发酵等操作。采用分批发酵操作简单、周期短、染菌的机会减少，而且生产过程、产品质量容易控制。但分批发酵不利于测定其生长过程动力学，因使用复合培养基，底物限制或抑制问题非常复杂；对底物类型及初始浓度敏感的次级代谢物如一些抗生素等不适合采用分批发酵。1、微生物发酵过程动力学的描述①菌体生长速率微生物进行发酵的反应动力学描述常采用群体来表示。微生物群体的生长速率反映群体生物量的生长速率。在液体培养基中的群体生长，其生长速率指单位体积、单位时间里生长的菌体量。②基质消耗速率③产物的生成速率分批发酵是一种准封闭培养，其发酵过程属于典型的非稳态过程，随着发酵初期接入微生物细胞对培养环境的适应和生长，基质被逐渐消耗，代谢产物不断积累，整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。在分批发酵过程中，微生物生长通常经历延滞期、对数生长期、减速期、稳定期（静止期）和衰亡期五个时期，如图2、分批发酵的生长动力学菌体浓度X延滞期对数生长期衰减期稳定期衰亡期时间t延滞期又称停滞期、调整期或适应期。指微生物接种到新鲜培养基中后一段时间内，菌体数目增加不明显的的一段时期。这是由于接种初期微生物细胞对生长环境有一个适应的过程，这个时期的长短取决于种子质量、菌龄、接种量等因素。如果接种物处于对数生长期，延迟期就短；同一菌种，接种量大延迟期则短。在延迟期微生物细胞浓度（或数量）的变化0dtdX对数生长期又称指数期。在这一阶段中，由于培养基中营养物质丰富，有害代谢物少，微生物细胞的生长不受限制，因此细胞质量和数目均随时间呈指数增加。细胞生长速率与细胞浓度是一级动力学关系XdtdX在对数生长阶段，细胞的生长不受基质浓度限制，比生长速率μ达到最大值μmax并保持不变，μ＝μmax。对上式积分txxdtXdX00得细菌的倍增时间一般为0.25-1h，酵母约为1.15-2h，霉菌约为2-6.9h。细胞浓度增加一倍（X＝2X0）时所需时间为：tXX0lnmaxmax693.02lndt经过对数生长期细胞的大量繁殖，培养基中营养物质迅速消耗，有害物质逐渐积累，细胞的比生长速率逐渐下降，进入减速期。当培养基中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的比生长速率μ和限制性基质的浓度S有如下关系（Monod方程）：SKsSmax式中，μmax最大比生长速率，h-1；Ks为底物饱和常数，g/L。饱和常数Ks的物理意义是Ks为比生长速率等最大比生长速率的一半时的底物浓度。Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：SKs111maxmaxmaxmaxKsSS或例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221S/μ的平均值为202.536，S的平均值为152.6。1)(55122maxSSiSSiSiSi94.491maxmaxSSKs693.02lnmaxdt所以μMAX为1h-1,饱和常数KS为49.94mg/L因营养物质的耗尽和代谢物（包括有害的和目的产物）的大量积累，细胞死亡数逐步上升，菌体的繁殖数与死亡数大致平衡，使活细胞数不再增加，进入稳定期。稳定期是以发酵法生产菌体或与菌体生长相关的代谢产物的最佳收获期，如单细胞蛋白、有机酸、氨基酸等的生产。0dtdxmaxxx由于生长环境恶化，菌体繁殖越来越慢，死亡数越来越多，菌体死亡的速率超过生长速率。在衰亡期，菌体形态显著改变，出现多形态的细胞衰退型，如菌体变长、肿胀或扭曲，有时菌体自溶难以辨认，新陈代谢活动趋于停滞等。大多数分批发酵在到达衰亡期前就要结束发酵，否则易引起目的代谢产物的大量分解，以及菌体自溶而使后提取困难并影响产品得率。3、分批培养的底物消耗动力学①得率系数②基质消耗动力学参数③基质消耗动力学4、分批发酵的产物形成动力学由于微生物细胞代谢所生成的产物种类繁多，细胞内生物合成的途径十分复杂，代谢调节机制各不相同。为了研究在工业发酵过程中如何提高代谢产物的产量，就必须首先确定目的代谢产物的合成与微生物细胞生长的动力学关系，再根据这种动力学关系来初步确定发酵控制的基本策略和工艺优化对策。Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的动态关系，将其划分为生长相关型、生长部分相关型和非相关型三种情况。①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，产物的合成是微生物细胞主要能量代谢的直接结果。即产物是基质分解代谢产物或合成细胞生长必需的代谢产物，通常指微生物的分解代谢产物或更广泛意义的初级代谢产物，如乙醇、葡萄糖酸、乳酸等。其产物形成速率dtdXYdtdPXP/式中YP/X为以细胞为基准的产物得率系数。②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，不是底物直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的主流产物。如氨基酸、柠檬酸的发酵等。其产物形成速率XdtdXdtdP式中a为与菌体生长相关的产物生成系数；B为与菌体浓度相关的产物生成系数。③非生长关联型非生长关联型是指产物的生成与能量代谢无关，与细胞生长也无直接关系，产物均为次级代谢产物，如抗生素等。这类发酵属于复杂的发酵合成类型，其特点是细胞处于生长阶段时无产物的积累，当细胞生长进行稳定期后，产物才开始大量生成，所以这类发酵的产物生成只与微生物细胞的积累量有关。其产物形成速率XdtdP二、补料分批发酵由于分批发酵中养分会很快耗竭，无法维持微生物继续生长和生产，因此工业发酵又发展了补料分批发酵技术（也称为流加发酵）和连续发酵技术。补料分批发酵是在分批发酵过程中补入新鲜的料液，以克服由于养分的不足而导致发酵过程的过早结束，延长对数生长期，增加生物量。由于只有料液的输入，没有输出，因此，发酵液的体积在增加，到了一定时候即需结束培养，或者将部分培养液取出，剩下的培养液继续进行补料分批发酵。F,SFV,X,S,P,三、连续式发酵连续发酵又称开放式发酵，在发酵过程中以一定的速度连续地向发酵罐中补入新鲜的料液，同时以相近的流速从发酵罐中排出含有目的产物的发酵液，维持发酵液在发酵罐中的体积恒定。连续发酵达到稳态后，整个发酵过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。与分批发酵相比，连续发酵具有设备生产能力高、易于实现自动控制并使发酵过程最优化、产物合成期长、产量高、易于研究菌生长的动力学等优点。由于是开放系统，而且发酵周期长，连续发酵的主要缺点是容易造成杂菌污染，同时菌种易发生变异退化。因此，对于无菌要求严格及产物不易分离的发酵生产不宜采用连续发酵。目前连续发酵主要应用于啤酒、酒精、单细胞蛋白、有机酸的生产，另一种方法是把固定细胞技术与连续发酵相结合，用于生产丙酮、丁醇、正丁醇、异丙醇等产品。连续发酵的控制方式主要有两类：一种为恒浊器法，即利用浊度仪来检测微生物细胞的浓度，并通过自控仪调节流入培养基或输出发酵液的量，以控制发酵液中菌体浓度达到恒定值；另一种为恒化器法，它不直接控制菌体浓度，而是控制恒定输入的培养基中某一生长限制基质的浓度。常用的生长限制基质有作为碳源的葡萄糖、麦芽糖和乳糖，还有作为氮源的氨或氨基酸以及生长因子和无机盐等。F,SFV,X,S,P,F,S,X,PP1S1X1nFnSnXnF,SFXn-1,Sn-1,Pn-11VV