第五章发酵动力学模式和发酵培养方法

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1、第五章发酵动力学模式和发酵培养方法主讲人：刘萍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。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。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，基质消耗和产物的生成，有各自的最佳反应条件。（2）微生物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，

2、胞外物质传递及反应。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，如果考试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

3、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。如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化模型。非结构模型结构模型确定论模型最理想情况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细胞之间无差异，是均一的，细胞内有多个组分存在。B均衡生长概率论模型不考虑细胞内部结构各种细胞不均一C实际情况：细胞内多组分；细胞之间不均一D均衡生长对细胞群体的描述模型发酵动力学中常用的几个术语1．得率(或产率，转

4、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。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(S。一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

5、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。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。但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间也计算在内。即

6、从第一罐接种经发酵结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵周期，这样才能正确反映发酵设备的利用效率。工业发酵的技术经济指标一、容量产率和产物形成的比速率容量产率指的是单位时间内单位反应器容积的产物。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。研究发酵动力学的步骤1.为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽可能寻找能反映过程

7、变化的各种理化参数。2.将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。3.建立各种数学模型以描述各参数随时间变化的关系。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。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。发酵