發(fā)酵工程-發(fā)酵動(dòng)力學(xué).ppt

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1、發(fā)酵動(dòng)力學(xué),一、分批發(fā)酵 分批發(fā)酵的操作最為簡單，在培養(yǎng)基中接種后只需維持一定的溫度，對于好氧培養(yǎng)過程則還需進(jìn)行通氣攪拌。向發(fā)酵罐內(nèi)一次性投入發(fā)酵培養(yǎng)基和菌種，中間除了空氣進(jìn)行和尾氣排出，與外部沒有任何物料交換，放料后再重復(fù)投料、滅菌、接種和發(fā)酵等操作。,采用分批發(fā)酵操作簡單、周期短、染菌的機(jī)會(huì)減少，而且生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量容易控制。但分批發(fā)酵不利于測定其生長過程動(dòng)力學(xué)，因使用復(fù)合培養(yǎng)基，底物限制或抑制問題非常復(fù)雜；對底物類型及初始濃度敏感的次級代謝物如一些抗生素等不適合采用分批發(fā)酵。,1、微生物發(fā)酵過程動(dòng)力學(xué)的描述,菌體生長速率 微生物進(jìn)行發(fā)酵的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)描述常采用群體來表示。微生物群體的生長

2、速率反映群體生物量的生長速率。在液體培養(yǎng)基中的群體生長，其生長速率指單位體積、單位時(shí)間里生長的菌體量。,基質(zhì)消耗速率 產(chǎn)物的生成速率,分批發(fā)酵是一種準(zhǔn)封閉培養(yǎng)，其發(fā)酵過程屬于典型的非穩(wěn)態(tài)過程，隨著發(fā)酵初期接入微生物細(xì)胞對培養(yǎng)環(huán)境的適應(yīng)和生長，基質(zhì)被逐漸消耗，代謝產(chǎn)物不斷積累，整個(gè)過程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)都隨時(shí)間變化。在分批發(fā)酵過程中，微生物生長通常經(jīng)歷延滯期、對數(shù)生長期、減速期、穩(wěn)定期（靜止期）和衰亡期五個(gè)時(shí)期，如圖,2、分批發(fā)酵的生長動(dòng)力學(xué),延滯期又稱停滯期、調(diào)整期或適應(yīng)期。指微生物接種到新鮮培養(yǎng)基中后一段時(shí)間內(nèi)，菌體數(shù)目增加不明顯的的一段時(shí)期。這是由于接種初期微生物細(xì)

3、胞對生長環(huán)境有一個(gè)適應(yīng)的過程，這個(gè)時(shí)期的長短取決于種子質(zhì)量、菌齡、接種量等因素。如果接種物處于對數(shù)生長期，延遲期就短；同一菌種，接種量大延遲期則短。在延遲期微生物細(xì)胞濃度（或數(shù)量）的變化,對數(shù)生長期又稱指數(shù)期。在這一階段中，由于培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)豐富，有害代謝物少，微生物細(xì)胞的生長不受限制，因此細(xì)胞質(zhì)量和數(shù)目均隨時(shí)間呈指數(shù)增加。細(xì)胞生長速率與細(xì)胞濃度是一級動(dòng)力學(xué)關(guān)系,在對數(shù)生長階段，細(xì)胞的生長不受基質(zhì)濃度限制，比生長速率達(dá)到最大值max并保持不變，max。對上式積分,得,細(xì)菌的倍增時(shí)間一般為0.25-1h，酵母約為1.15-2h，霉菌約為2-6.9h。,細(xì)胞濃度增加一倍（X2X0）時(shí)所需時(shí)間為：

4、,經(jīng)過對數(shù)生長期細(xì)胞的大量繁殖，培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)迅速消耗，有害物質(zhì)逐漸積累，細(xì)胞的比生長速率逐漸下降，進(jìn)入減速期。當(dāng)培養(yǎng)基中不存在抑制細(xì)胞生長的物質(zhì)時(shí)，細(xì)胞的比生長速率和限制性基質(zhì)的濃度S有如下關(guān)系（Monod方程）：,式中，max最大比生長速率，h-1；Ks為底物飽和常數(shù)，g/L。,飽和常數(shù)Ks的物理意義是Ks為比生長速率等最大比生長速率的一半時(shí)的底物濃度。 Monod方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法)： 將Monod方程取倒數(shù)可得：,或,例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)： S(mg/l) 6 33 64 153 221 (h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70 求在該培

5、養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的max，Ks和td?,這樣通過測定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長速度，就可以通過回歸分析計(jì)算出Monod方程的兩個(gè)參數(shù)。,解：將數(shù)據(jù)整理： S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221 S/的平均值為202.536，S的平均值為152.6。,所以MAX為1h-1,飽和常數(shù)KS為49.94mg/L,因營養(yǎng)物質(zhì)的耗盡和代謝物（包括有害的和目的產(chǎn)物）的大量積累，細(xì)胞死亡數(shù)逐步上升，菌體的繁殖數(shù)與死亡數(shù)大致平衡，使活細(xì)胞數(shù)不再增加，進(jìn)入穩(wěn)定期。穩(wěn)定期是以發(fā)酵法生產(chǎn)菌體或與菌體生長相關(guān)的代謝產(chǎn)物的最佳收獲期，如單細(xì)胞蛋白、有

6、機(jī)酸、氨基酸等的生產(chǎn)。,由于生長環(huán)境惡化，菌體繁殖越來越慢，死亡數(shù)越來越多，菌體死亡的速率超過生長速率。在衰亡期，菌體形態(tài)顯著改變，出現(xiàn)多形態(tài)的細(xì)胞衰退型，如菌體變長、腫脹或扭曲，有時(shí)菌體自溶難以辨認(rèn)，新陳代謝活動(dòng)趨于停滯等。大多數(shù)分批發(fā)酵在到達(dá)衰亡期前就要結(jié)束發(fā)酵，否則易引起目的代謝產(chǎn)物的大量分解，以及菌體自溶而使后提取困難并影響產(chǎn)品得率。,3、分批培養(yǎng)的底物消耗動(dòng)力學(xué) 得率系數(shù) 基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)參數(shù) 基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué),4、分批發(fā)酵的產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué),由于微生物細(xì)胞代謝所生成的產(chǎn)物種類繁多，細(xì)胞內(nèi)生物合成的途徑十分復(fù)雜，代謝調(diào)節(jié)機(jī)制各不相同。為了研究在工業(yè)發(fā)酵過程中如何提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量，就必須首

7、先確定目的代謝產(chǎn)物的合成與微生物細(xì)胞生長的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，再根據(jù)這種動(dòng)力學(xué)關(guān)系來初步確定發(fā)酵控制的基本策略和工藝優(yōu)化對策。,Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生長速率之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，將其劃分為生長相關(guān)型、生長部分相關(guān)型和非相關(guān)型三種情況。,生長相關(guān)型 生長相關(guān)型是指產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長密切相關(guān)的動(dòng)力學(xué)過程，產(chǎn)物的合成是微生物細(xì)胞主要能量代謝的直接結(jié)果。即產(chǎn)物是基質(zhì)分解代謝產(chǎn)物或合成細(xì)胞生長必需的代謝產(chǎn)物，通常指微生物的分解代謝產(chǎn)物或更廣泛意義的初級代謝產(chǎn)物，如乙醇、葡萄糖酸、乳酸等。,其產(chǎn)物形成速率,式中YP/X為以細(xì)胞為基準(zhǔn)的產(chǎn)物得率系數(shù)。,生長部分相關(guān)型 生長部分相關(guān)型指代謝產(chǎn)物是能量代謝的間

8、接結(jié)果，不是底物直接氧化產(chǎn)物，而是菌體內(nèi)生物氧化過程的主流產(chǎn)物。如氨基酸、檸檬酸的發(fā)酵等。其產(chǎn)物形成速率,式中a為與菌體生長相關(guān)的產(chǎn)物生成系數(shù)； B為與菌體濃度相關(guān)的產(chǎn)物生成系數(shù)。,非生長關(guān)聯(lián)型 非生長關(guān)聯(lián)型是指產(chǎn)物的生成與能量代謝無關(guān)，與細(xì)胞生長也無直接關(guān)系，產(chǎn)物均為次級代謝產(chǎn)物，如抗生素等。這類發(fā)酵屬于復(fù)雜的發(fā)酵合成類型，其特點(diǎn)是細(xì)胞處于生長階段時(shí)無產(chǎn)物的積累，當(dāng)細(xì)胞生長進(jìn)行穩(wěn)定期后，產(chǎn)物才開始大量生成，所以這類發(fā)酵的產(chǎn)物生成只與微生物細(xì)胞的積累量有關(guān)。其產(chǎn)物形成速率,二、補(bǔ)料分批發(fā)酵,由于分批發(fā)酵中養(yǎng)分會(huì)很快耗竭，無法維持微生物繼續(xù)生長和生產(chǎn)，因此工業(yè)發(fā)酵又發(fā)展了補(bǔ)料分批發(fā)酵技術(shù)（也稱為

9、流加發(fā)酵）和連續(xù)發(fā)酵技術(shù)。,補(bǔ)料分批發(fā)酵是在分批發(fā)酵過程中補(bǔ)入新鮮的料液，以克服由于養(yǎng)分的不足而導(dǎo)致發(fā)酵過程的過早結(jié)束，延長對數(shù)生長期，增加生物量。由于只有料液的輸入，沒有輸出，因此，發(fā)酵液的體積在增加，到了一定時(shí)候即需結(jié)束培養(yǎng)，或者將部分培養(yǎng)液取出，剩下的培養(yǎng)液繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)料分批發(fā)酵。,三、連續(xù)式發(fā)酵,連續(xù)發(fā)酵又稱開放式發(fā)酵，在發(fā)酵過程中以一定的速度連續(xù)地向發(fā)酵罐中補(bǔ)入新鮮的料液，同時(shí)以相近的流速從發(fā)酵罐中排出含有目的產(chǎn)物的發(fā)酵液，維持發(fā)酵液在發(fā)酵罐中的體積恒定。連續(xù)發(fā)酵達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，整個(gè)發(fā)酵過程中菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度都是恒定的。與分批發(fā)酵相比，連續(xù)發(fā)酵具有設(shè)備生產(chǎn)能力高、易于實(shí)現(xiàn)

10、自動(dòng)控制并使發(fā)酵過程最優(yōu)化、產(chǎn)物合成期長、產(chǎn)量高、易于研究菌生長的動(dòng)力學(xué)等優(yōu)點(diǎn)。,由于是開放系統(tǒng)，而且發(fā)酵周期長，連續(xù)發(fā)酵的主要缺點(diǎn)是容易造成雜菌污染，同時(shí)菌種易發(fā)生變異退化。因此，對于無菌要求嚴(yán)格及產(chǎn)物不易分離的發(fā)酵生產(chǎn)不宜采用連續(xù)發(fā)酵。目前連續(xù)發(fā)酵主要應(yīng)用于啤酒、酒精、單細(xì)胞蛋白、有機(jī)酸的生產(chǎn)，另一種方法是把固定細(xì)胞技術(shù)與連續(xù)發(fā)酵相結(jié)合，用于生產(chǎn)丙酮、丁醇、正丁醇、異丙醇等產(chǎn)品。,連續(xù)發(fā)酵的控制方式主要有兩類： 一種為恒濁器法，即利用濁度儀來檢測微生物細(xì)胞的濃度，并通過自控儀調(diào)節(jié)流入培養(yǎng)基或輸出發(fā)酵液的量，以控制發(fā)酵液中菌體濃度達(dá)到恒定值；,另一種為恒化器法，它不直接控制菌體濃度，而是控制恒定輸入的培養(yǎng)基中某一生長限制基質(zhì)的濃度。常用的生長限制基質(zhì)有作為碳源的葡萄糖、麥芽糖和乳糖，還有作為氮源的氨或氨基酸以及生長因子和無機(jī)鹽等。,