發(fā)酵工程-發(fā)酵動(dòng)力學(xué).ppt

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(jiǎn)單，在培養(yǎng)基中接種后只需維持一定的溫度，對(duì)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(jiǎn)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(cè)定其生長(zhǎng)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(duì)底物類型及初始濃度敏感的次級(jí)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(zhǎng)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(zhǎng)速率反映群體生物量的生長(zhǎng)速率。在液體培養(yǎng)基中的群體生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速率指單位體積、單位時(shí)間里生長(zhǎng)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(duì)培養(yǎng)環(huán)境的適應(yīng)和生長(zhǎng)，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(zhǎng)通常經(jīng)歷延滯期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)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(zhǎng)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)胞對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境有一個(gè)適應(yīng)的過程，這個(gè)時(shí)期的長(zhǎng)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(duì)數(shù)生長(zhǎng)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(duì)數(shù)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)速率與細(xì)胞濃度是一級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系,在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)階段，細(xì)胞的生長(zhǎng)不受基質(zhì)濃度限制，比生長(zhǎng)速率達(dá)到最大值max并保持不變，max。對(duì)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：,經(jīng)過對(duì)數(shù)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的物質(zhì)時(shí)，細(xì)胞的比生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)速率等最大比生長(zhǎng)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 求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的max，Ks和td?,這樣通過測(cè)定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長(zhǎng)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(zhǎng)相關(guān)的代謝產(chǎn)物的最佳收獲期，如單細(xì)胞蛋白、有機(jī)酸、氨基酸等的生產(chǎn)。,由于生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)、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，就必須首先確定目的代謝產(chǎn)物的合成與微生物細(xì)胞生長(zhǎng)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(duì)策。,Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生長(zhǎng)速率之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，將其劃分為生長(zhǎng)相關(guān)型、生長(zhǎng)部分相關(guān)型和非相關(guān)型三種情況。,生長(zhǎng)相關(guān)型 生長(zhǎng)相關(guān)型是指產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)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(zhǎng)部分相關(guān)型 生長(zhǎng)部分相關(guān)型指代謝產(chǎn)物是能量代謝的間接結(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(zhǎng)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(zhǎng)關(guān)聯(lián)型 非生長(zhǎng)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(zhǎng)也無直接關(guān)系，產(chǎn)物均為次級(jí)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(zhǎng)階段時(shí)無產(chǎn)物的積累，當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)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)自動(dòng)控制并使發(fā)酵過程最優(yōu)化、產(chǎn)物合成期長(zhǎng)、產(chǎn)量高、易于研究菌生長(zhǎng)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(zhǎng)，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(duì)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(cè)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(zhǎng)限制基質(zhì)的濃度。常用的生長(zhǎng)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(zhǎng)因子和無機(jī)鹽等。,