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第五章 发酵动力学及发酵类型

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第五章 发酵过程动力学的基本概念

第五章 发酵过程动力学的基本概念

第五章 发酵过程动力学的基本概念 发酵动力学内容
发酵动力学： 是研究发酵过程中菌体生长、 发酵动力学 ： 是研究发酵过程中菌体生长 、 基质消耗、 基质消耗 、 产物生成的动态平衡及其内在规 律 研究内容： 研究内容 ： 包括了解发酵过程中菌体生长速 率 、 基质消耗速率和产物生成速率的相互关 环境因素对三者的影响， 系 ， 环境因素对三者的影响 ， 以及影响其反 应速度的条件
/jpkc/fjgc
微生物生长动力学的基本概念
延滞期解决途径： 延滞期解决途径：
一是尽量选择处于指数生长期的种子 二是扩大接种量。但是，如果要扩大接种量， 二是扩大接种量 。 但是 ， 如果要扩大接种量 ， 又 往往需要多级扩大制种， 往往需要多级扩大制种 ， 这不仅增加了发酵的复 杂程度，又容易造成杂菌污染，故而应从多方面 杂程度， 又容易造成杂菌污染， 考虑
dt
稳定期 稳定期：
时间
dx =0 dt
;
X = X max
dx <0 dt 倍增时间（ 倍增时间（doubling time）：细胞浓度增长一倍所需要的时间 ）
衰亡期: 衰亡期:
/jpkc/fjgc
微生物生长动力学的基本概念 (一) 延滞期 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， 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。 但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞期
/jpkc/fjgc
发酵过程动力学的基本概念 第一节 发酵过程的反应描述及速度概念
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） （底物） （菌体） （产物） 发酵研究的内容： 发酵研究的内容： 菌种的来源——找到一个好的菌种 找到一个好的菌种 菌种的来源 发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力 最大限度发挥菌种的潜力 发酵过程的工艺控制
第五章 微生物反应动力学

第五章 微生物反应动力学


一、连续培养的优点
在分批培养中，微生物要经过延迟期、对数 生长期、减速期、稳定期和衰亡期五个时期， 但对特定的发酵产物合成仅在一个时期，其 余时期都是多余的。
连续培养与分批培养相比有许多优点： 1 可以使发酵过程保持在一个期的稳定状态， 提高设备的利用率和单位时间产量。 2 发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制。 3 可以在不同发酵罐中控制不同的条件，易于 分期控制。 连续培养从设备上分为罐式和管式；从控制方 法上分为恒成分培养和恒浓度培养；从使用的 菌种分为循环式和非循环式；还可分为单级和 多级连续培养方式。
X
(g.L-1.s-1)
ds 基质的消耗比速： dt
(h-1、s-1)
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，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念
发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
ds 基质的消耗比速： dt
(h-1)
第五章
微生物反应动力学
微生物反应动力学是研究各种环境因素与微 生物代谢活动之间相互作用随时间变化（即 生物反应速度）的规律。 研究内容：微生物生长过程中的质量和能量 平衡；发酵过程中菌体生长速率、基质消耗 速率和产物生成速率的相互关系；环境因素 对三者的影响以及影响反应速度的条件。 研究方法：用数学模型定量地描述发酵过程 中细胞生长规律、基质利用速率和产物生成 速度等因素的变化，达到对发酵过程有效的 控制，从而提高产品的产率及达到降低生产 成本的目的。
比生长速率不再是最大常数，而是逐渐减小。
4、静止期 营养物质耗尽或有害代谢产物的大量积累，使细胞比生长速 率下降至0，细胞浓度达到了最大值，并且不再增加。 5、衰亡期 细胞所生存的环境恶化，细胞开始死亡，活细胞数量不断 下降。
第五章 发酵过程及控制

第五章 发酵过程及控制


（二）pH对发酵的影响
1、实例 例 pH对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液 pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补糖、
(NH4)2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上，阻碍或抑制某些
酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵66小时pH 达7.93，以后维持在8.0以上至115小时，菌丝浓度降低，NH2-N 升高，发酵不再继续。 发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3，调节这 一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高发酵单位。
4，最适温度的确定 最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最 适于菌的生长或发酵产物的生成。 最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件 和菌体生长阶段有关。 最适发酵温度的选择
– 在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一 定好。 – 温度的选择要参考其它发酵条件。 – 温度的选择还应考虑培养基成分和浓度
一、分批发酵
1、分批发酵的定义
• 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的
发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消
泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何 其它物质。发酵过程中培养基成分减少， 微生物得到繁殖。
2、分批发酵的特点
• 其物理，化学和生物参数都随时间
而变化，是一个不稳定的过程。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即
超过最高温度，微生物很快死亡；低于最
低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不
马上死亡。这就是菌种保藏的原理。
3，温度对发酵的影响
• 影响各种酶的反应速率和蛋白质性质 • 影响发酵液的物理性质 • 影响生物合成的方向。
– 例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。 在低于30℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。 当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达 35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。
chapter 5发酵动力学

chapter 5发酵动力学


F0 X dX X dt V
细胞量的积累速率 = 细胞生长速率－细胞的消失速率
2、基质的利用
基质的消耗速率 = 补料中基质的添加速率－生长消耗的基 质速率－产物合成用去的基质速率－维持所消耗的基质速 率－基质的移去速率
说明：菌体得率
定义：消耗单位基质量Δ S（每克或每摩 尔）与生成的干菌体Δ X（g）之间的比值 定义为菌体得率（YX/S）。[消耗1g基质生成
殖，菌体衰所处的环境是不断变化的，可进行 少量多品种的发酵生产，发生杂菌污染能够很容 易终止操作，当运转条件发生变化或需要生产新 产品时，易改变处理对策，对原料组成要求较粗
放等。
分批培养中细胞的生长
就细胞生长来说，在分批培养中一般要经历延滞期、指数 生长期、减速期、静止期和衰亡期等阶段。
非竞争性抑制的普遍机理式可表示为
对非竞争性抑制，由于抑制剂的作用使最 大反应速率降低了（1十CI/KI）倍，并且
CI增加、KI减小都使其抑制程度增加。
反竞争性抑制动力学
反竞争性抑制的特点是抑制剂不能直接与
游离酶相结合，而只能与复合物[Es]相结合
生成[SEI]复合物。
发酵动力学与发酵 过程控制
简单的酶催化反应动力学
方程推导三点假设：
①与底物浓度CS相比，酶的浓度CI是很小的，因 而可忽略由于生成中间复合物[ES]而消耗的底物。 ②在反应过程中，酶浓度保持恒定。CE0＝CE＋ CES ③产物的浓度很低，因而产物的抑制作用可以忽略 。生成产物一步的速率要慢于底物与酶生成复合物的 可逆反应的速率，因此，生成产物一步的速率决定整 个酶的催化反应速率，而生成复合物的可逆反应达到
总生产率:
总生产率:
其中发酵过程总的运转周期为：
第5章发酵动力学

第5章发酵动力学


4 生长关联型
产物直接来源于产 能的初级代谢( 能的初级代谢(自身 繁殖所必需的代谢), 繁殖所必需的代谢), 菌体生长与产物形成 不分开. 不分开. 例如单细胞蛋白和 葡萄糖酸的发酵
产物形成与生长有 如酒精, 关,如酒精,某些 酶等. 酶等.
5,部分生长关联型 ,
产 物也来 源于能 量 代谢所消耗的基质, 代谢所消耗的基质 , 但产物的形成在与初 级代谢分开的次级代 谢中,出现两个峰, 谢中 , 出现两个峰 , 菌体生长进入稳定期, 菌体生长进入稳定期, 出现产物形成高峰. 出现产物形成高峰. 例如, 例如,柠檬酸和某 些氨基酸的发酵. 些氨基酸的发酵.
2. 连续发酵
连续发酵是指以一定的速度向发酵罐内添 加新鲜培养基,同时以相同的速度流出培养液, 加新鲜培养基,同时以相同的速度流出培养液, 从而使发酵罐内的液量维持恒定, 从而使发酵罐内的液量维持恒定,微生物在稳 定状态下生长. 定状态下生长. 优点:长期连续进行, 优点:长期连续进行,生产能力可达间歇发 酵的数倍. 酵的数倍. 缺点:操作控制要求高,设备投资高, 缺点:操作控制要求高,设备投资高,杂菌 污染和菌种变异较严重, 污染和菌种变异较严重,原料利用率 产物浓度低. 低,产物浓度低.
6,非生长关联型 ,
产物是在基质消耗 和菌体生长之后, 和菌体生长之后,菌 体利用中间代谢反应 来形成的, 来形成的,即产物的 形成和初级代谢是分 开的. 开的. 如抗生素发酵. 如抗生素发酵.
产物的形成 速度与生长 无关, 无关,只与 细胞积累量 有关. 有关.如, 抗生素. 抗生素.
■分批发酵的分类对实践的指导意义
1 dx 细胞生长的比速率为 细胞生长的比速率为: = x dt
底物消耗的比速率为q 底物消耗的比速率为qs: q = 1 ds s
发酵动力学及发酵

发酵动力学及发酵

霉菌和其它丝状微生物的发酵产物产 率和基质利用的动力学是很复杂的， 典型的例子是青霉素发酵
丝状微生物发酵过程获得高产的 一般规律
(1)在一固定的分批发酵时间内，存在一种得 到最正确产率的最适的基质起始浓度。如 果基质浓度太高，菌丝体生长过度，消耗 大量基质导致“短周期发酵〞现象的出现， 造成产物生成量减少；如果基质浓度太低， 菌丝体生长差，到产物生产期便没有足够 的菌丝体制造产物。
假设连续培养系统被外来的生物Y、Z和W 污染，这些污染菌的积累速率可用以下 物料平衡式表示：
ddX 'tDiX nDoXu t X'
污染菌积累的速率＝污染菌进入的速率－污染菌流 出的速率＋污染菌生长速率
2. 生产菌株突变问题
微生物在复制过程中难免会出现过失引 起突变，一旦在连续培养系统中的生产 菌细胞群体中某一个细胞发生了突变， 而且突变的结果使这一细胞获得在给定 条件下高速生长的能力，那么它就有可 能像杂菌Z一样，取代系统中原来的生产 菌株，而使连续发酵过程失败。
发酵动力学与发酵 过程控制
发酵动力学是研究生物反响过程的 速率及其影响因素，是生物反响工 程学的理论根底之一 。
发酵过程动力学包括两个层次的动 力学
1、本征动力学〔又称微观动力学〕
在没有传递等工程因素影响时，生 物反响固有的速率。该速率除反响本 身的特性外，只与各反响组分的浓度、 温度、催化剂及溶剂性质有关，而与 传递因素无关。
3. 分批发酵过程的生产率
体积生产率是以每升发酵液每小时产生 的产物克数〔g/Lh〕表示的，是对发酵 过程总成果的一种衡量。
总生产率: P
Xf
1 lnXf
m X0
tT
tL
tD
总生产率:
第五章 发酵动力学

第五章 发酵动力学


平衡及其内在规律。
研究发酵动力学的步骤


1. 寻找反映发酵过程变化的各种理化参数。
2. 找出参数变化与发酵代谢规律之间的相互关系
和变化规律。

3. 建立数学模型。 4. 通过计算机的在线控制，反复验证各种模型的 可行性与适用范围。
过程控制和监测
Agitation pH Cell Dry Weight Product Sugar consumption Temperature
第பைடு நூலகம்章
发酵动力学
第一节 微生物反应过程概论
发酵动力学中常用的几个术语:
1．得率(或产率，Y)：包括生长得率(Yx/s)和产物 得率(Yp/s)。 得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的 关系。 生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源) 所产生的菌体重(g)。
产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产

接种材料的生理状态，如果接种物正处于指数 生长期，则延滞期可能根本就不出现。 培养基的组成和培养条件也影响延滞期长短。 接种物的浓度对延滞期长短也有一定影响，加 大接种浓度可相应缩短延滞期。

二、分批发酵产物形成的动力学


(一)生长连动型产物形成(I型发酵)
微生物生长、碳水化合物代谢和产物形成
几乎是平行进行的，营养期和分化期彼此
不分开。

酵母发酵生成酒精，以及葡萄糖酸和大部
分氨基酸、单细胞蛋白都属于这种类型。
生长连动型：生长速率μ、基质消耗qk和产物形 成qp之间的关系

(二)部分生长连动型产物形成(II型发酵)
• 柠檬酸、乳酸和部分氨基酸发酵为此类型。
(b)部分生长连动型 生长速率μ、基质消耗qk和产物形成 qp之间关系的图示
第五章-发酵过程控制ppt课件(全)

第五章-发酵过程控制ppt课件(全)


第一节 发酵方式
一、概述
发酵：指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇 等的分解代谢过程。
广义发酵：微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经过 特定的代谢转变成所需产物的过程。
微生物培养：亦称微生物发酵，发酵生产按微生物培养工艺 不同可以分为固态发酵和液态发酵两种类型。两者在工艺过 程上大体相同，主要工艺过程为： 斜面菌种培养～菌体或孢子悬浮液制备～种子扩大培养～ 发酵培养～发酵产物与发酵基质分离～提纯与精制～成品。
分批培养的特点是操作简单，易于掌握，是最常见的操作方 式。
分批发酵过程一般可粗分为四期：即适应期（也有称停滞期 或延滞期的）、对数（指数）生长期、生长稳定期和死亡期；
也可细分为六期：即停滞期、加速期、对数期、减速期、静 止期和死亡（衰亡）期
分批培养中的微生物的典型生长曲线
停滞期（Ⅰ）
停滞期（Ⅰ）： 刚接种后的一段时间内，细胞不生长，细胞 数目和菌量基本不变。
第五章 发酵过程及控制
学习目标
知识目标 能陈述发酵过程的影响因素（温度、溶氧、pH等）； 能陈述不同发酵方式的理论及异同及优劣； 掌握发酵动力学的有关原理、发酵器的分类及发展趋势。 能力目标 能够找出发酵最适宜条件，并采取相应控制措施； 能够进行发酵终点判断； 能够进行发酵过程重要检测；
三、产物形成动力学
产物形成与生长的关系 细胞生长与代谢产物形成之间的动力学关系决定
于细胞代谢中间产物所起的作用。描述这种关系的 模式有三种，即生长联系型模式、非生长联系型模 式和复合型模式。 （1）生长联系型模式 （2）非生长联系型模式 （3）复合模式
四、生长得率与产物得率
1.生长得率和产物得率的定义 生长得率：消耗每单位数量的基质所得到的菌体，
第五章 发酵动力学及发酵类型

第五章 发酵动力学及发酵类型


• 如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化模
型。
非结构模型
最理想情况
结构模型
均衡 生长 细胞之间无差异， 是均一的，细胞内 有多个组分存在。
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一 细胞群体做为一种溶质
A
不考虑细胞内部结构 均衡 生长
B 实际情况：
概率论模型 各种细胞不均一
C 对细胞群体的描述模型
• 计算产率时，不仅应把合成产物所用时间考虑进去，
还应计入与生产相关的其他时间，即发酵罐的维修、 清洗、准备所用时间，灭菌时间，以及接种后的延滞 期时间，这样才能全面、客观地评估出工艺过程的成 本效益。
分 批 发 酵 的 容 量 产 率
产物形成曲线的切线表示的是最大容量产率；连接原 点和产物形 成曲线终点的连线．其斜率表示的是总的平均容量产率。
第五章 发酵动力学模式和发酵培养方法
第一节 微生物反应过程概论
一、微生物反应过程的主要特征 1、微生物是该反应过程的主体：是生物催 化剂，又是一微小的反应容器。 2、微生物反应的本质是复杂的酶催化反应 体系。酶能够进行再生产。
3、微生物反应是非常复杂的反应过程
（1）反应体系中有细胞的生长，基质消耗和产物
• 产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的
产物g数(或mol数)。这里消耗的基质是指被微生
物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残
留的基质量(S0- S)。 • 转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量 之比。
提高微生物生长得率的措施
• 首先，要筛选优良的菌种，其本身就应具备高的生长 得率。 • 其二，要选择合适的培养基配方，提供略微过量的其 它营养物质，使碳源成为最终的限制性物质。 • 其三，还须选择和控制合适的培养条件，使得微生物 的代谢按所需方向进行。 • 另外，在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染。
发酵动力学

发酵动力学


产物形成与生长有 关，如酒精、某些 酶等。
5、部分生长关联型
➢产 物也来 源于能 量代谢所消耗的基质， 但产物的形成在与初 级代谢分开的次级代 谢中，出现两个峰， 菌体生长进入稳定期， 出现产物形成高峰。
➢例如，柠檬酸和某 些氨基酸的发酵。
6、非生长关联型
产物是在基质消耗 和菌体生长之后，菌 体利用中间代谢反应 来形成的，即产物的 形成和初级代谢是分 开的。 如抗生素发酵。
无抑制的细胞生长动力学 ——Monod方程
现代细胞生长动力学的奠基人Monod 在1942年便指出，在培养基中无抑制剂存 在的情况下，细胞的比生长速率与限制性 基质浓度的关系可用下式表示：
式中： —— 比生长速率；
—— 最大比生长速率， S —— 限制性基质浓度(g/L)； Ks —— 饱和常数(g/L)，其值等于比生长 速率为最大比生长速率一半时的限制性基质浓度。
细胞生长的比速率为： 1 dx
x dt
底物消耗的比速率为qs∶
qs
1 ds x dt
产物形成的比速率为qp：
qp
1 x
dp dt
5.2 分批发酵动力学
微生物分批发酵动力学主要研究微生物在 分批发酵过程中的生长动力学、基质消耗动 力学和代谢产物生成动力学。 5.2.1 微生物生长动力学
在对数生长期的时候，微生物的生长速率 达到最大并维持恒定值，其生长速率可用数 学式表示为：
连续发酵是指以一定的速度向发酵罐内添 加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液， 从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳 定状态下生长。 优点：长期连续进行，生产能力可达间歇发
酵的数倍。 缺点：操作控制要求高，设备投资高，杂菌
污染和菌种变异较严重，原料利用率 低，产物浓度低。
生化工艺 第五章发酵过程及控制 第四节发酵过程检测和自控

生化工艺 第五章发酵过程及控制 第四节发酵过程检测和自控


第四节 发酵过程检测和自控
2．尾气分析 尾气分析能在线、即时反映生产菌的生长情况。通 风发酵尾气中pH的减少和CO2的增加是培养基中营养物质 好氧代谢的结果。这两种气体（CO2 、O2）的在线分析所 获得的耗氧率（ OUR）和CO2释放率（CER）是目前有效 的微生物代谢活性指示值。目前主要有红外CO2分析仪 (IR)、热导式气相色谱法（GC）、CO2电极法、质谱仪等。 IR和电极法较为常用。O2分析仪有顺磁氧分析仪、极谱 氧电极和质谱仪。
第四节 发酵过程检测和自控
3．发酵液成分分析 发酵液成分的分析对于认识和控制发酵过程也是十分 重要的。高效液相层析(HPLC)具有分辨率高、灵敏度好、 测量范围广、快速及系统特异性等优点。目前已成为实验 室分析的主导方法。但进行分析前必须选择适当的层析柱、 操作温度、溶剂系统、梯度等，而且样品要经过亚微米级 过滤处理。与适当的自动取样系统连接，HPLC可对发酵液 进行在线分析。
第四节 发酵过程检测和自控
由生物化学性质可得到呼吸活动及糖代谢等信息， 这对了解发酵的代谢途径是很重要的。通过计算机可确 定碳平衡的变化，运用寄存数据可得细胞产量。采用不 同的底物并将计算得到的细胞产率和有机能量产率加以 比较，可能反映出有机化合物的分解代谢机制。这些变 量之间的关系将有助于阐明发酵过程的主要代谢途径以 及发酵生产的效率。
第四节 发酵过程检测和自控
③最优控制 最优控制是指根据生产情况，随时改变某些参数给定 值，以达到生产过程的最优化控制。最优控制常用观察指 标：最高产量、最优质量、最佳经济效益等。最优化控制 时，根据生产过程的变化情况，改变其中某些参数给定值， 使产量达到最大。 使用计算机对发酵过程中的有关参数进行数据分析， 可深入了解发酵过程的物理、化学、生理和生化条件，指 导生产，调整操作参数，获取新的信息。否则这些条件或 者无从了解或者由于测定或计算费事、费时而只能在事后 才能加以测定。

发酵工程—5微生物反应动力学


批 影响，并以数学语言进行描述。
发
酵
动
力
学
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
研究发酵动力学的目的
通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调
二 控方式；
、 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的
分 批
工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；
发 酵
控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。
动
力
学
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
、 分 批 发 酵 动 力
学 该式即是微生物在对数生长期的增殖模式
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
μ因菌体所处的环境条件而改变；环境的恶 化，菌体增殖进入减数期。
二 1949年，莫诺发现细菌的比生长速率与单一
、 分
限制性基质之间存在一定关系；借助郎格谬
批 发 酵
尔方程，莫诺建立了被称为莫诺方程的经验 公式：
Yp dt
批
发 酵 动
ds X m X 1 dP
dt YG
Yp dt
力
学 式中：m为碳源维持常数
m 1 dS X dt M
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
于是
二 、
r

1 YG


m

1 Yp
qp
分
批
发 酵
r ：基质消耗比速
酵
动
力
学
Yx s
反反应应过过程程消中耗生基成质菌的体摩的尔质数量＝ddxs
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
用YG 表示菌体的理论得率：
二 YG 用于同 生化 成为 菌菌 体体 的碳 质源 量消耗＝ddxsG

微生物发酵工程概述


图3.1 固体发酵表
2、液体发酵
此法是将所用原料配制成液体状态，可分为 此法是将所用原料配制成液体状态， 瓷盘静止培养(表面培养，此法劳动强度大， 瓷盘静止培养(表面培养，此法劳动强度大，易污 很快被深层液体培养所代替。 染，很快被深层液体培养所代替。现国内外大多采 用液体深层发酵。过去多采用单罐方式分批发酵 单罐方式分批发酵， 用液体深层发酵。过去多采用单罐方式分批发酵， 后发展为连续发酵，补料分批发酵等方式（ 后发展为连续发酵，补料分批发酵等方式（具体以 后再讲）。 后再讲）。 其优点： 发酵率高，发酵周期短； 其优点：①发酵率高，发酵周期短； ② 在 液体中，菌体、底物、 液体中，菌体、底物、产物以及发酵产生的热量易 于扩散，使发酵在均质条件下进行，便于控制， 于扩散，使发酵在均质条件下进行，便于控制，易 扩大生产规模； 厂房面积小，生产效率高， 扩大生产规模；③厂房面积小，生产效率高，易进 行自动化控制，产品质量稳定； 产品易于提取、 行自动化控制，产品质量稳定；④产品易于提取、 精制等。现代液体深层发酵已被广泛应用。 精制等。现代液体深层发酵已被广泛应用。 缺点：耗能多，设备复杂，需要较大的投资， 缺点：耗能多，设备复杂，需要较大的投资， 废物排放量多等缺点，仍需不断改进。 废物排放量多等缺点，仍需不断改进。
③ 、淀粉酸水解的原理
a、水解反应
b、复合反应
c、 分解反应
，
图3.4 淀粉酸水解原理
④控制酸水解的影响因素 a、淀粉浓度 b、酸浓度、酸种类 c、温度和时间等条件 酸浓度、 a、淀粉浓度：一般来讲淀粉浓度越高，复合反应分解反应程 淀粉浓度：一般来讲淀粉浓度越高， 度越高。 度越高。
(BX)
草酸等， HCI常 b、酸的浓度、酸的种类：HCl、 H2SO4、草酸等，以HCI常 酸的浓度、酸的种类：HCl、 效果较好。浓度0.5-0.8%， 用，效果较好。浓度0.5-0.8%， 加入盐 酸后淀粉乳的pH为1.5。 酸后淀粉乳的pH为1.5。 c、糖化温度和时间 Mpa） 蒸汽压力（Mpa） 蒸汽压力（ 反应时间（min） 反应时间（min）

发酵工程工艺原理：5微生物发酵动力学


第二节 分批培养动力学
减速期
稳定 期
分批培养是一种非恒态的培养法。 一、分批培养中细胞的生长动力学
衰亡
dX X
期
dt
对数 期
延滞 期
X—细胞干重浓度(g/L) t—时间(h) μ—比生长速率(h-1)，即单位重量
菌体的瞬时增量g/(g·h)
对数期：
μ与微生物种类、培养温度、pH、培养基成分
及限制性基质浓度等因素有关。在对数生长
缺点：是设备条件要求较高，产生废水多，能耗高。
表面发酵
深层发酵
按物料和产物进出方式不同，可分为以下几种类型
⑴分批培养（batch culture）
指在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物 进行发酵的方法。 Fin=Fout=0 (无培养基进出) 分批培养中的菌体生长： 微生物的生长是在限制性条 件下的生长,其生长过程一般分为延迟期、对数生 长期、稳定期和衰亡期四个时期。
第五章 微生物发酵动力学
Kinetics of Microbial Fermentation
微生物发酵动力学：是研究发酵过程中微生
物菌体的生长、营养物质消耗、产物生成的 动态平衡及其内在规律的科学。
研究发酵动力学的目的：
• （1）确定最佳发酵工艺条件。 • （2）建立发酵过程中菌体浓度、基质浓
度、温度、pH、溶氧等工艺参数的控制 方案。
若操作不当，新加入的培养基与原有的培养基不易 完全混合。
（３）补料分批培养（fed-batch culture）
指在分批发酵中间歇地或连续地补加（流加）新鲜培养基
的方法。Fin ≠0（ Fout＝ 0 ，Fout ≠ 0 ）
优点： a.可避免一次投料过多，造成细胞大量生长，溶解氧不足，通气

第五章 发酵过程动力学的基本概念


❖ 基质消耗动力学的基本概念
第五节 基质消耗动力学的基本概念
S1 菌体
维持消耗(m) ：指 维持细胞最低活性所
S
S2 产物 需消耗的能量，一般
来讲，单位重量的细
S3 维持
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。
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
❖ 基质消耗动力学的基本概念
发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质的消耗速度： r dS dt
(g.L-1.s-1)
基质的消耗比速：
1 X
dS dt
(h-1、s-1)
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，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念
❖ 发酵过程的反应描述及速度概念
当只有B时建立连续培养稳态：
μB=D,对应S0 如果引入微生物A： μA (S0) > μB
s0
连续培养中，最终在此培 养体系中生存下来的微生 物都是此时刻对该种底物 表现出最大生长的微生物 （或一个微生物生态）。
μA >D=μB
S下降 XA增加 μA 、μB下降 μB <D被洗出 μA >D ??
FV D
❖ 反应动力学的应用——连续培养 的操作特性
物料衡算（连续培养的反应器特性）
1 dS
X dt
稀释率(D):补料速
度F与反应器体积V
的比值(h-1)
对基质:
dS V dt
FSF
XV
FS
稳态 dS 0 D(S S ) / X
dt
F
连续培养操作的模型分析
❖ 反应动力学的应用——连 续培养的操作特性

发酵工程PPT课件


一 、
有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化
概 的生物化学过程。
述
21、膜生物反应器：利用膜的阴留性能将生物催化剂限制
在膜组件的固定空间，供给所需的底物和营养物，即可在
固定空间内进行生物反应，而产生的产物造成真空膜，进
入膜的另一侧空间，脱离生物催化剂，达到了生物反应与
产物分离同时进行的目的。
15、分解代谢：又称异化作用，是指由复杂的营养物质分 解成简单化合物的过程。
16、合成代谢：又称同化作用，是指由简单化合物合成复 杂的细胞物质的过程。
一 17、代谢控制发酵：是利用遗传学的方法或其他生物化学
、 方法，人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢，
概 述
使有用目的产物大量生成和积累的发酵。
的
特别是丝状菌生长的情况 p198式（5－8）
内 容
C 、细胞死亡动力学
p198式（5－9）
② 产物形成动力学
a、 L-P模型：
二
、
p198式（5－10）
发 酵
b、菌龄模型
工 程
p199式（5－11、12）
的
c、 生化模型
内
容
1）基质抑制模型： p199式（5－13）
2）氧限制模型： p199式（5－14）
、 发
（恒定的必需营养）
酵
工
优点：稳定、自动化、利用率高、持续性好、体积
程
的
小、探头长寿、发酵产率高
内
容
缺点：成本高、杂菌污染、微生物易变异、粘性丝
状菌易结团、保持无菌难
（3）发酵动力学
研究方法 p195：宏观处理法、质量平衡法
二
宏观处理法：结构模型与非结构模型 p212

第五章5.2发酵过程的动力学描述

度、温度、pH进行优选。
发酵过程反应的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
一、菌体生长速率
• 生长速率：在液体发酵中，指单位体积发 酵液在单位时间内生长的菌体量。
• 比生长速率：菌体的生长速率除以菌体浓 度
•
u=dc(X)/dt.c(X)
• 微生物的生长与产物合成直接相关连。
• 产物的形成与生长是平行的，二者呈线性关系， 且微生物生长速度与营养物的消耗成准定量关系。
• 这种类型的产物主要是葡萄糖代谢的初级中间产 物，如乙醇发酵就属于此类型。
• 2．生长与产物合成非偶联类型：
• 多数次生代谢产物的发酵属这种类型，如各种抗生素 和微生物毒素等物质的生产速率很难与生长相联系， 产物合成速度与碳源利用也不存在定量关系。
•二、基质消耗速率
•菌体生长得率(Yx/s) ：是指每消耗1g(或mo1)基 质 ( 一 般 指 碳 源 ) 所 产 生 的 菌 体 重 (g) ， 即 Yx/s=ΔX/ΔS。
• 以Yx/s为媒介，确定基质消耗速率与生长速率 间的关系
•
Vs=-Vx/ Yx/s
•基质消耗速率常以单位菌体表示，称为基质的 比消耗速率(v)
• 一般产物的合成是在菌体的浓度接近或达到最高之后 才开始的，此时比生长速率已不处于最高速率。
• 3．生长与产物合成半偶联类型：亦称Ⅱ型
• 它是介于生长产物合成偶联型与生长产物合成 非偶联之间的中间类型，产物的合成存在着与 生长相联和不相联两个部分。
• 该类型的产物合成比速率的最高时刻要迟于比 生长速率最高时刻的到来。
二、根据产物形成与基质消耗 的关系分类
(1)类型Ⅰ
• 产物的形成直接与基质(糖类)的消耗有关，这是 一种产物合成与利用糖类有化学计量关系的发酵， 糖提供了生长所需的能量。
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(1)分批式操作 (2)半分批式操作
底物一次装入罐内，在适宜条件下接种 也称流加式操作。是指先将一定量底
进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。 物装入罐内，在适宜条件下接种使反应开始。反应过
程中，将特定的限制性底物送人反应器，以控制罐内
限制性底物浓度保持一定，反应终止取出反应系。 (3)反复分批式操作 分批操作完成后取出部分反应系，
• 计算产率时，不仅应把合成产物所用时间考虑进去，
还应计入与生产相关的其他时间，即发酵罐的维修、 清洗、准备所用时间，灭菌时间，以及接种后的延滞 期时间，这样才能全面、客观地评估出工艺过程的成 本效益。
分 批 发 酵 的 容 量 产 率
产物形成曲线的切线表示的是最大容量产率；连接原 点和产物形 成曲线终点的连线．其斜率表示的是总的平均容量产率。
短生产周期。
• 在研究和生产中，时常需要延长细胞对数生长阶段。
分批培养条件下微生物的生长曲线
(一) 延滞期
• 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。
延滞期细胞特点： • 细胞本身面临着一系列的变化，如PH值的改变、营养 物质供给增加等。因而，延滞期的微生物主要是适应 新的环境，让细胞内部对新环境作出充分反应和调节， 从而适应新的环境。 • 从生理学的角度来说，延滞期是活跃地进行生物合成 的时期。微生物细胞将释放必需的辅助因子，合成出
没有中间物积聚。又可分为有生长偶联和无生长偶联两类。 (2)并行反应型 营养成分以不定的化学量转化为产物，
在反应过程中产生一种以上的产物，而且这些产物的生成 速率随营养成分的浓度而异，同时没有中间物积聚。
(3) 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。 (4)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，或营养成分以优先顺
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， 通过物料平衡建立超经验或半经验的关联模型。
• 如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为均衡 生长。 • 如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加比例不 同，称为非均衡生长。 • 生长模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构模型。 • 将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模型为 分离化模型。在细胞浓度很高时采用。
二、根据产物形成与基质消耗关系分类
类型Ⅰ：
产物的形成直接与基质(糖类)的消耗有关，这是
一种产物合成与利用糖类有化学计量关系的发酵，糖
提供了生长所需的能量。 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，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，底物消耗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。
的生成反应有多种代谢途径。
（3）微生物反应过程中，细胞形态、组成要经历 生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同菌龄， 有不同的活性。
二、微生物反应动力学的描述方法
• • • • 细胞生长动力学 反应基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 发酵过程：包括细胞内的生化反应，胞 内与胞外的物质交换，胞外物质传递及 反应。
剩余部分重新加入底物，再按分批式操作进行。
(4)反复半分批式操作 行。 (5)连续式操作
流加操作完成后，取出部分反应
系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作进 反应开始后，一方面把底物连续地供给
到反应器中，另一方面又把反应液连续不断地取出，使
反应条件不随时间变化。
一、分批发酵法
•
发酵工业中常见的分批方法是采用单罐深层培养法，
一、根据细胞生长与产物形成否偶联进行分类 • 细胞浓度(x)或产物浓度对时间作图时，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。一般来说在这种类
型的发酵生产中，控制好最佳生长条件就可获
得产物合成的最适条件。
1．生长产物合成偶联型，也称Ⅰ型。这种发 酵类型的特点是：
• 微生物的生长和糖的利用与产物合成直接相关联。
类型Ⅲ： 产物的形成显然与基质(糖类)的消耗无关，例如青 霉素、链霉素等抗生素发酵。 即产物是微生物的次级代谢产物，其特征是产物合
成与利用碳源无准量关系。产物合成在菌体生长停止及
底物被消耗完以后才开始。此种培养类型也叫做无生长 联系的培养。
三、根据反应形式分类
(1)简单反应型 营养成分以固定的化学量转化为产物，
不存在定量关系。
一般产物的合成是在菌体的浓度接近或达
到最高之后才开始的，此时比生长速率已不处
于最高速率。
3．生长产物合成半偶联类型，亦称Ⅱ型。
是介于生长产物合成偶联型与生长产物合
成非偶联之间的中间类型，产物的合成存在着
与生长相联和不相联两个部分。
该类型的动力学产物合成比速率的最高时 刻要迟于比生长速率最高时刻的到来。
三、发酵过程特点
• 多相：气相、液相和固相 • 多组分：培养基中多种营养成分，多种代 谢产物，细胞内也具有不同生理功能的大、 中、小分子化合物。 • 非线性：细胞代谢过程用非线性方程描述。 • 复杂群体的生命活动
四、反应动力学描述的简化
• 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，如果考虑每个 细胞之间的差别，则建立的模型为概率论模型。 • 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为
八、发酵动力学的研究内容
• 主要包括：细胞生长和死亡动力学，基质消耗 动力学，氧消耗动力学，CO2 生成动力学，产
物合成和降解动力学，代谢热生成动力学等。
• 以上各方面不是孤立的，而是既相互依赖又相 互制约，构成错综复杂、丰富多彩的发酵动力 学体系。
九、发酵动力学内容及目的
• 发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、 基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规
• 产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的
产物g数(或mol数)。这里消耗的基质是指被微生
物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残
留的基质量(S0- S)。 • 转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量 之比。
提高微生物生长得率的措施
• 首先，要筛选优良的菌种，其本身就应具备高的生长 得率。 • 其二，要选择合适的培养基配方，提供略微过量的其 它营养物质，使碳源成为最终的限制性物质。 • 其三，还须选择和控制合适的培养条件，使得微生物 的代谢按所需方向进行。 • 另外，在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染。
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。
• 这一过程中在某些培养液的条件支配下，微生物经历 着由生到死的一系列变化阶段，在各个变化的进程中 都受到菌体本身特性的制约，也受周围环境的影响。
分批发酵的特点
• 微生物所处的环境是不断变化的 • 可进行少量多品种的发酵生产 • 发生杂菌污染能够很容易终止操作. • 当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易
2．基质比消耗速率(qs ， g(或mo1)／g菌体· h)：
系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它
表示细胞对营养物质利用的速率或效率。
在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有
用。
3．产物比生产速率(qp， g(或mo1)／g菌体· h)：系指每 克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的 速度或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。 4．发酵周期：实验周期是指接种开始至培养结束放罐 这段时间。
律。
• 研究内容：包括了解发酵过程中菌体生长速
率、基质消耗速率和产物生成速率的相互关
系，环境因素对三者的影响，以及影响其反 应速度的条件。
研究发酵动力学的目的
（1）确定最佳发酵工艺条件 （2）建立发酵过程中菌体浓度、基质浓度、 温度、pH、溶氧等工艺参数的控制方案 （3）可在此研究基础上进行优选。
适应新环境的酶系，为将来的增殖作准备。
细胞内多组分；
细胞之间不均一 D
五、发酵动力学中常用的几个术语
1．得率(或产率，转化率，Y)：包括生长得率 (Yx/s)和产物得率(Yp/s)。
• 得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量 的关系。
• 生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳 源)所产生的菌体重(g)，即Yx/s=ΔX／一ΔS。
类型Ⅱ：
产物的形成间接与基质(糖类)的消耗有关，例如柠 檬酸、谷氨酸发酵等。 即微生物生长和产物合成是分开的，糖分既供应生 长所需能量，又充作产物合成的碳源。 但在发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅速， 一个是最高生长时期，另一个是最大产物合成时期。
如在用黑曲霉生产柠檬酸的过程中，发酵早期糖被 用于满足菌体生长，直到其他营养成分耗尽为止；然后 代谢进入使柠檬酸积累的阶段，产物积累的数量与利用 糖分数量有关，这一过程仅得到少量的能量。
第五章 发酵动力学模式和发酵培养方法
第一节 微生物反应过程概论
一、微生物反应过程的主要特征 1、微生物是该反应过程的主体：是生物催 化剂，又是一微小的反应容器。 2、微生物反应的本质是复杂的酶催化反应 体系。酶能够进行再生产。
3、微生物反应是非常复杂的反应过程
（1）反应体系中有细胞的生长，基质消耗和产物
• 如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化模
型。
非结构模型
最理想情况
结构模型
均衡 生长 细胞之间无差异， 是均一的，细胞内 有多个组分存在。
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一 细胞群体做为一种溶质
A
不考虑细胞内部结构 均衡 生长