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《发酵动力学》第六章 发酵工程基本操作

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6发酵动力学

6发酵动力学

第 2节
发酵动力学分类
1. 根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类 细胞浓度(x)或产物浓度对时间作图时 , 细胞浓度 或产物浓度对时间作图时, 或产物浓度对时间作图时 两者密切平行, 两者密切平行 , 其最大的比生长速率和 最大的产物合成比速率出现在同一时刻. 最大的产物合成比速率出现在同一时刻 . 一般来说在这种类型的发酵生产中, 控 一般来说在这种类型的发酵生产中 , 制好最佳生长条件就可获得产物合成的 最适条件. 最适条件.
(3) 分段反应型 其营养成分在转化为产物之前 全部转变为中间物, 全部转变为中间物,或营养成分以优先顺序选 择性地转化为产物. 择性地转化为产物.反应过程是由两个简单反 应段组成,这两段反应由酶诱导调节. 应段组成,这两段反应由酶诱导调节. (4) 串联反应型 是指在形成产物之前积累一 定 程度的中间物的反应 (5) 复合型 大多数发酵过程是一个联合反应, 大多数发酵过程是一个联合反应, 它们的联合可能相当复杂. 它们的联合可能相当复杂.
型发酵〗 〖 Ⅲ型发酵〗 产物的形成和菌体的生长非偶联
p x
2. 根据产物形成与基质消耗的关系分类
(1) 类型Ⅰ 类型Ⅰ
产物的形成直接与基质(糖类 的消耗有关 产物的形成直接与基质 糖类)的消耗有关,产 糖类 的消耗有关, 物合成与利用糖类存在化学计量关系, 物合成与利用糖类存在化学计量关系,糖提供 了生长所需的能量. 了生长所需的能量. 糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的,如 糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的, 利用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长. 利用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长. 在厌氧条件下, 在厌氧条件下,酵母菌生长和产物合成是平行 的过程;在通气条件下培养酵母时, 的过程;在通气条件下培养酵母时,底物消耗 的速度和菌体细胞合成的速度是平行的. 的速度和菌体细胞合成的速度是平行的.这种 形式也叫做有生长联系的培养. 形式也叫做有生长联系的培养.

第六章 发酵动力学

第六章 发酵动力学

率的上升而增加，而实际产物得率YP/S随的上升而减少。
发酵过程的化学计量式 质量平衡 能量平衡
1、分批发酵时生产菌的生长周期三个时期
三个时期:
菌体生长期 产物合成期 菌体自溶期
2、发酵的操作方式 三种:
分批发酵 补料分批发酵 连续发酵
第二节 分批发酵
分批培养 所谓分批培养的是一次投料， 一次接种，一次收获的间歇 培养方式。这种培养方式操 作简单，发酵液中的细胞浓 度、基质浓度和产物浓度均 随时间而不断变化。就细胞 的浓度X的变化而言，在分批 培养中要经历延迟期、对数 生长期、减速期、稳定期和 衷亡期各阶段。
X
X（菌体） ＋ P（产物）
S1 菌体 (Biomass)
维持消耗(m) ：
指维持细胞最低活性所需消 耗的能量，一般来讲，单位 重量的细胞在单位时间内用 于维持消耗所需的基质的量 是一个常数。
S
S2 S3
产物 (Products) 维持(Maintain)
S（底物）
X
X（菌体） ＋ P（产物）+维持
（一）维持因数
“维持”是指细胞群体没有实质性的生长（更确切地说是 生长和死亡处于动态平衡状态）和没有胞外代谢产物 合成情况下的生命活动，如细胞的运动、细胞内外各 种物质的交换、细胞物质的转运和更新等，所需能量 由细胞物质的氧化或降解产生。 “维持”的物质代谢称为维持代谢，也叫内源代谢，代谢 释放的能叫维持能。
细胞 营养物→ → →新细胞+代谢产物
一、细胞反应的元素衡算
如果细胞的代谢产物就是细胞、CO2和水时， Meteles根据细胞的主要元素组成，提出了预测 发酵过程中微生物需要氧数量的计算公式： 32 C + 8 H + 16 O - 1 .34 Q= Y ·M

发酵动力学

发酵动力学
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。
dX 0 dt
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。
两边积分
dX X
dt
x dX
t
dt
x0 X
0
可得
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
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）
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。
X X 0 exp( t)
可以看出：菌体浓度呈指数增加

第六章 典型发酵过程动力学及模型ppt课件

第六章 典型发酵过程动力学及模型ppt课件
20
基质消耗动力学
S1 菌体
S
S2 产物
S3 维持
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
21
1、基质的消耗速率与比消耗速率 如果基质仅用于细胞的生长：
rsY r X X /SY X 1 /S
s
m ax K ss
X
如果以氧的消耗来计算：
rO2
rX YX /O2
22
2、包括维持代谢的基质消耗动力学 要消耗额外的基质产生能量供维持代谢待续
进行。
rs Y*1X/s rX mX
m：维持系数 g/（g·g） Y*X/S：生成细胞的干重与完全消耗于细 胞生长的基质的质量之比，表示维持细胞 代谢的细胞得率，可称为最大细胞得率
23
3、包括产物生成的基质消耗动力学 (1)产物的生成以产能途径进行；
如生产ATP、酒精、乳酸等 (2)产物的生成不与或仅部分与能量代谢相关联。 基质消耗速度取决于: (1)细胞生长速率；(2)产物生物 速率；(3)基质消耗用于维持能速率。
dx dt
f (s)
细胞生长速率与单一限制性底物浓度的关系
max
s Ks s
Monod方程
Ks：微生物对底物的半饱和常数，与亲和力成反比，10g/L
Monod方程假设基础： 1、细胞的生长为均衡生长； 2、培养基中只有一种限制基质； 3、细胞生长视为简单的单一反应，细胞得
率为常数。
11
(1) 当限制性基质的浓度很低时s，即Ks
第六章 发酵过程动力学及 模型
1
一、概述
1、发酵的实质：生物化学反应。 2、发酵过程动力学主要研究各种环境因素与微
生物代谢活动间的相互作用随时间而变化的规 律。 3、研究方法

发酵工程_6发酵动力学

发酵工程_6发酵动力学

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。
菌体浓度X t1
dx 0， 0, x xmax dt
（浓度最大）
t5
t2
t3 时间 t
t4
图6-1 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线
此阶段次级代谢活跃，次级代谢物大量合成。
dying:
a
(比死亡速率 ，s-1)

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：

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
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
发酵动力学研究的基本过程
Y*X/S表示底物的细胞绝对得率，也称理论细胞得率； m为细胞维持系数
扣除细胞量的影响，
qS
将qS用µ表示，可得
1 Y
* X /S
m

YX / S

1 Y
* X /S
m
1 YX / S

发酵工程六PPT课件

发酵工程六PPT课件

.
24
二、人工控制微生物代谢的手段
（一）生物合成途径的遗传控制
代谢调节控制育种通过特定突变型的选育，达到改变代谢 通路、降低支路代谢总产物的产生或切断代谢途径及提高 细胞膜的透性，使代谢流向目的产物积累方向进行。
1、代谢缺陷型菌株
2、利用抗代谢类似物的突变积累氨基酸
3、产物降解酶缺失突变株
4、细胞膜组分的缺失突变
.
30
生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，生物素在低于亚适浓度之
前有，利例增于加谷1：生氨谷物酸氨素的酸有合棒利成杆于；菌丙（酮生酸物的素羧缺化陷产型生）草生酰产乙谷酸氨，酸进而
生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰辅酶A羧化酶的 辅酶，该酶催化乙酰辅酶A羧化生成丙二酸单酰辅酶A，再 经一系列转化合成脂肪酸，而脂肪酸又是构成细胞膜磷脂 的主P要EP成分，因P此y生r 物素可间A接cC地o影A 响细胞膜的透性。
真核微生物细胞里，各种酶系被细胞器隔离分布，使
其代谢活动只能在特定的部位上进行，如与呼吸产能有 关的酶系集中于线粒体内膜上，DNA合成的某些酶位于 细胞核里。
.
5
（二）代谢流向的调控
微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速 率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。
1、由一个关键酶控制的可逆反应
第六章 发酵机制及发酵动力学
第一节 发酵工程微生物的基本代谢及产物代谢 第二节 微生物代谢调节机制 第三节 糖代谢产物的发酵机制 第四节 氨基酸和核苷酸发酵机制 第五节 抗生素发酵机制 第六节 微生物发酵动力学
.
1
本章要求
掌握初级与次级代谢的产物 掌握微生物代谢调节的方式 掌握酶活性被抑制的方式 了解发酵产物的发酵机制及发酵动力学抑制来自抑制DE

简述发酵工程的基本过程

简述发酵工程的基本过程
发酵工程的基本过程包括以下几个步骤：
1. 选择发酵微生物：根据工艺要求和产品特性，选择合适的发酵微生物（如细菌、酵母、真菌等）作为发酵的生物体。

2. 培养种子：用适当的培养基和条件，培养发酵微生物的种子菌株，使其达到一定的生长状态。

3. 发酵罐设计：设计合适的发酵罐，包括容量、搅拌、通气、温度和pH控制等，以提供最佳的生长环境。

4. 发酵培养基准备：根据微生物的生长需求，配制合适的发酵培养基，包括碳源、氮源、无机盐和其他必要的添加剂。

5. 接种发酵：将培养好的种子菌株接种到发酵罐中的发酵培养基中，使其开始生长和繁殖。

6. 发酵过程控制：通过监测和调控发酵罐中的温度、pH、搅
拌速度、通气速率等参数，控制发酵过程中的生物学反应，以实现最佳的生长和代谢活动。

7. 产物收集和分离：在发酵结束后，收集发酵液中的目标产品，根据需要进行进一步的分离、提纯和处理。

《发酵工程》第6章 发酵动力学


在厌气条件下，厌氧微生物进行的是基质水平磷酸化。 以同型乳酸发酵为例：
所以，厌气发酵时，基质水平磷酸化所产生的ATP要比 当发酵过程充分供氧时氧化磷酸化产生的ATP少的多.
3.微生物生长代谢过程中的氧平衡
有机物完全氧化最终会被分解成二氧化碳和水。根据单一碳 源培养基内微生物生长代谢的基质和产物完全氧化的需氧量， 可建立下列平衡式：
QGO：即QO2微生物生长（无非细胞产物生成）时的比耗氧率（g 或molO2·-1菌体·-l）: g h 氧的消耗比速(见P134式8-10)
对于特定的菌株和特定的基质，纯生长得率是一常数，故又称 为生长得率常数。为区别于纯生长得率，可以把生长得率称为毛生 长得率。和各种培养条件下的毛生长得率相比，纯生长得率为生长 得率中的最大值，故也称为最大生长得率。这是一种理论生长得率， 是生长得率的极限值。
维持因数的大小代表细胞能量代谢效率的高低：维持因 数越大，表示能量效率越低；维持因数越小，则能量效率越 高。
对于特定的微生物菌株，在一定的培养条件和营养基质下， 维持因数是一个常数，它不因基质浓度、细胞浓度、细胞生长 速率和产物合成速率的不同而变化，
维持因数多种表示法：
基质维持因数mS：以基质消耗为基准 氧维持因数mO：以耗氧为基准 能量维持因数mkcal：以分解代谢热表示 ATP维持因数mATP：以ATP消耗表示。
S= (S)G+ (S)m+ (S)P+…
设：
YG:表示用于菌体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， Ym:表示碳源对代谢产物的得率常数。
则：
在以生产细胞物质为目的的发酵过程中（如面包酵母生产和 SCP），代谢产物的积累可以忽略不计,上式可简化为：

第六章 发酵过程动力学基本概念


3、发酵过程的反应动力学
是对细胞群体的动力学行为的描述。 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值， 在此基础上建立的模型称为确定论模型，反之称 为概率论模型。 在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为 结构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白 含量做为过程变量。菌体视为单组分的模型为非 结构模型，通过物料平衡建立关联模型。
（7－5）
qP＝a + bμ
a=0、b≠0： 可表示一类发酵 a≠0、b=0： 可表示三类发酵 a≠0、b≠0：可表示二类发酵
YP/X –以生长为基准的产物得率（g产物/g细胞)，即 产物相对于细胞的生成速度。
dP / dt YP / X dX / dt
dP / dt YP / X X qP YP / X
检测控制系统
原料
产物
一般生化反应过程示意图
2、生化反应动力学 生物反应过程的效率取决于： 生物催化剂的性能 反应过程的工艺控制和操作条件 反应器的性能 生化反应动力学研究生化反应过程的 速率及其影响因素，是生化反应工程学的 理论基础之一。
本征动力学（微观动力学） 宏观动力学（反应器动力学）
物料衡算：
ds ds1 ds2 ds3 dt dt dt dt
q S


YX
s

qp

s
YP
m
m: 维持消耗系数
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
YX/s: 细胞对基质的理论得率系数 YP/s: 产物对基质的理论得率系数
8
2013-04-15
分批发酵的基础理论
（7－6） （7－7） （7－8）

发酵工程第6章 发酵动力学

若
则表明通风不足，有部分电子没有传递给
氧，氧化不彻底。
第三节 细胞反应本征动力学
➢反应动力学：研究反应速度变化规律
（反应速度影响因素）的学科。包括：
➢本征动力学(反映生物催化剂内在性
能)：又称微观动力学，指没有传递等
工程因素影响时，生化固有的速率。
➢宏观动力学(反映反应器特性)：又称
反应器动力学，指在一定反应器内所测
葡萄糖
微生物细胞
（1）试确定计量系数a、b、c、d、e；
（2）试计算其细胞对底物的得率YX / S ；
（3）试计算呼吸商RQ。
解：（1）细胞反应的方程式系数的计算
1mol葡萄糖所含有的C元素为72g，根据题
意1mol葡萄糖转化为微生物细胞的C元素为：
g
72 2 / 3 48
则有：
48
c
（2）细胞反应的比速率：单位时间内单位
菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速
率，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念
（不同反应间的对比，消除细胞量的效应）在细
胞反应中主要的反应的比速率有：
① 细胞的比生长速率
1 dC X


CX
dt
（1/h）
② 底物的比消耗速率
1 dC S
qS

0.909
4.4 12
转化为CO2的C元素为：
72 48 24 g
则：
24 12e
e2
，
对N元素平衡，有：
a 0.86c 0.782
对H元素平衡，有：
，
12 3a 7.3c 2d
12 3a 7.3c
d
2
12 3 0.782 7.3 0.909
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酵罐、还是尿素（或液氨）罐、消泡罐， 当培养基（或物料）尚未进罐前对罐进 行预先灭菌，为空罐灭菌。
为了杀死所有微生物特别是耐热的的芽孢，空 罐灭菌要求温度较高，灭菌时间较长，只有这 样才能杀死设备中各死角残存的杂菌或芽孢。
（二）实罐灭菌
将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预 定灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发 酵温度，然后接种发酵，这叫做实罐灭菌， 又称分批灭菌。
＜1
10000
≤350
＜3
100000 ≤3500
＜10
﹥100000 ≤35000
----
二、空气除菌的方法
（一） 辐射杀菌 （二） 热杀菌 （三） 静电除菌 (四） 过滤除菌
热灭菌
热空气进入培养系统之前，一般均需用压缩机 压缩，提高压力。
空气压缩后温度可达到120℃以上，保持一定 时间后，便可杀菌。
第六章 发酵工程基本操作
第一节 严格消毒灭菌
一、灭菌（sterilization）
除菌的方法
培养基的加热灭菌（包括常压或蒸汽高压加热 法）
空气的过滤除菌 紫外线或电离辐射 化学药物灭菌
二、灭菌设备
l、高压蒸汽灭菌 手提式灭菌锅 立式或卧式灭菌锅 灭菌柜
三、灭菌操作
（一）空罐灭菌 空罐灭菌也称空消。无论是种子罐、发
从可靠性，经济适用与便于控制等方面考虑， 目前仍以介质过滤法较好，也是大空气除菌流程分析
要保持过滤器有比较高的过滤效率，应 维持一定气流速度和不受油、水干扰。
1 高空取气管
高空取气管是远离地面几十米 的管子。一般而言，地面附近 空气中所含的微生物和灰尘等 均比高空空气中含的多，每升 高10米，空气中杂菌可降低一 个数量级，因此从高空取气要 比从低空取气有利得多。
三路进汽：蒸汽直接从通风、取样和出料口 进入罐内直接加热，直到所规定的温度，并 维持一定的时间。这就是所谓的“三路进 汽”。
（三）连续加压灭菌法
在发酵行业里也称“连消法”。此法只 在大规模的发酵工厂中作培养基灭菌用。
主要操作：将培养基在发酵罐外连续不 断地进行加热、维持和冷却，然后才进 入发酵罐。培养基一般在135～140℃下 处理5～15秒钟。
大型空气压缩机
静电除菌
静电除尘器可除去空气中的水雾、油雾、尘埃， 同时也除去微生物。
原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除 尘灭菌目的。
对于一些直径小的微粒，所带电荷小，不能被 吸附而沉降。
介质过滤除菌
介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质 过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质 层中，而达到除菌的目的。
五、其他除菌方法
（1）过滤除菌法 是将液体或气体用微孔薄膜过滤，使大
于孔径的细菌等微生物颗粒阻留，从而 达到除菌目的。在体外培养时，过滤除 菌大多用于遇热容易变性而失效的试剂 或培养液。
（2）还可以用气体灭菌剂如环氧乙烷等 对个别成分进行灭菌处理。
六、灭菌效果监测
１、高压蒸汽灭菌效果监测 (1) 高压蒸汽灭菌指示卡：将卡片放入灭
连续加压灭菌法优点
①采用高温瞬时灭菌，故既可杀灭微生物， 又可最大限度减少营养成分破坏，提高了 原料利用率，比“实罐灭菌”（120℃， 30分钟）提高产量5～10％；
②提高了发酵罐、锅炉的利用率； ③降低了劳动强度；适宜自动化操作。
采用高温灭菌的原理及优点
杀死微生物芽孢的活化能大于维生素分解的活 化能，灭菌中总体上希望尽可能的杀灭微生物， 同时少破坏营养成分。
菌器不同部位，观察灭菌后指示卡颜色变化。
(2)芽孢菌片法：将染有嗜热脂肪杆菌芽孢
105cfu/ml的菌片包好、放入灭菌器内。灭菌 后作细菌计数测定。对照是不经灭菌的菌片， 芽孢完全被杀灭或杀灭率达99.9999％为合格。
２、紫外线消毒效果监测 ⑴ 微型紫外线强度计：
第二节 空气除菌
一、空气除菌概述
空气出口 d1
D
h' L
h
d2
排污口
图4-13 丝网分离器示意图
2 除 尘 装 置
振动机构 滤袋
净气 含尘气流
图4-7 机械振动袋式除尘器
空气出口 过滤网
高压水入口
空气入口 图4-9 水雾除尘装置
3 油水分离器
其内部同时采用直接拦截， 惯性碰撞，布朗扩散及凝 聚等机理，能有效地去除 空气中的水、油雾、尘埃， 内部不锈钢丝网可清洗， 使用寿命长。
金属丝网 空气进口
空气要做到绝对无菌在目前是不可能的，也是不 经济的。
发酵对无菌空气的无菌程度要求是：只要在发酵 过程中不因无菌空气染菌而造成损失即可。
在工程设计中一般要求1000次使用周期中只允许 有一个菌通过
《 药品生产管理规范》中洁净度标准
洁净级别 尘粒数（粒/L） 菌落数
粒径≥0.5μm
100
≤3.5
灭菌温度上升，灭菌速度常数增加速度大于培 养基成分破坏增加的速度，因此，灭菌温度上 升，则杀死微生物速度增加大于培养基成分破 坏速度的增加。
因而生产中多采用高温或超高温灭菌，其在杀 灭微生物的同时可减少培养基营养成分的破坏
培养基连消工艺流程图
四. 影响培养基灭菌的因素
1、pH值的影响 pH值对微生物的耐热性影响很大，pH为
6.0-8.0时微生物最不易死亡， pH<6.0时 氢离子易渗入微生物的细胞内。
2、培养基成分
培养基的成分中，油脂、糖类、蛋白质 都是传热的不良介质，会增加微生物的 耐热性，使灭菌困难。
浓度较高的培养基相对需要较高温度和 较长时间灭菌。
3、培养基中的颗粒物质
培养基中的颗粒物质大，灭菌困难，反之，灭 菌容易。一般说来，含有颗粒对培养基灭菌影 响不大，但在培养基混有较大颗粒，特别是存 在凝结成团的胶体时，会影响灭菌效果，必须 过滤除去。
发酵对空气处理要求随发酵产品和菌种不同而异。 半固体制曲和酵母生产中无菌要求不十分严格，
一般无需复杂的空气净化处理； 密闭的深层通气发酵需严格的纯净培养，进入发
酵罐前空气必须进行冷却、脱水、脱油和过滤除 菌等处理。
发酵对空气无菌程度的要求
发酵对无菌空气的要求是 ：无菌、无灰尘、无 杂质、无水、无油等；