發(fā)酵工程第5講課件

1、2013.3.28 第五講 第七章 發(fā)酵過程的工藝控制,第七章 發(fā)酵過程的工藝控制 1、溫度對發(fā)酵過程的影響及其控制 2、CO2對發(fā)酵過程的影響及其控制 3、泡沫對發(fā)酵的影響 4、O2對發(fā)酵過程的影響及其調控 5、pH對發(fā)酵過程的影響及其控制,發(fā)酵的過程實質上是在分子水平的遺傳

2、特性，細胞水平的代謝調節(jié)和工程水平的傳遞特性三個不同水平上發(fā)生調控的。發(fā)酵過程受到多因素交叉的影響具有不確定性和復雜性。,1 溫度對發(fā)酵的影響及其控制,不同微生物的生長對溫度的要求不同，根據它們對溫度的要求大致可分為四類：嗜冷菌適應于0～260C生長，嗜溫菌適應于15～430C生長，嗜熱菌適應于37～650C生長，嗜高溫菌適應于650C以上生長,,每種微生物對溫度的要求可用最適溫度、最高溫度、最低溫度來表征。在最適溫度下，微生物生長迅

3、速；超過最高溫度微生物即受到抑制或死亡；在最低溫度范圍內微生物尚能生長，但生長速度非常緩慢，世代時間無限延長。在最低和最高溫度之間，微生物的生長速率隨溫度升高而增加，超過最適溫度后，隨溫度升高，生長速率下降，最后停止生長，引起死亡。,微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超過最高溫度，微生物很快死亡；低于最低溫度，微生物代謝受到很大抑制，并不馬上死亡。這就是菌種保藏的原理。,1.1 溫度對發(fā)酵的影響 溫度是影響有機體

4、生長繁殖最重要的因素之一，因為微生物的生長和代謝產物的合成都是在各種酶的催化下進行的，溫度是保證酶活性的重要條件。發(fā)酵過程的反應速率實際是酶反應速率，酶反應有一個最適溫度。 溫度對發(fā)酵的影響是多方面的。,1.1.1 溫度對微生物細胞生長的影響： 在適合微生物生長的范圍內，溫度高微生物生長速度快、呼吸強，酶失活速度快，菌體提前衰老。溫度低，發(fā)酵周期延長，影響設備的利用率。不同生長

5、階段的微生物對溫度的反應也不一樣。 如延滯期的細菌對溫度很敏感，最適溫度時，可以縮短其生長的延滯期，低于最適溫度，延滯期就會延長。微生物的共同特點是：對低溫的適應力要強于對高溫的適應力。,1.1.2 溫度對產物形成的影響： 溫度對產物的影響因種而異，如：檸檬酸生產，黑曲霉的生長最適溫度33 ℃~37 ℃，積累酸的最適溫度為32 ℃ ，若溫度高于32 ℃ ，菌體生長快，糖被利用于生成菌體和呼

6、吸作用，產酸降低。,1.1.3 溫度影響發(fā)酵方向,四環(huán)素產生菌金色鏈霉菌同時產生金霉素和四環(huán)素，當溫度低于300C時，這種菌合成金霉素能力較強；溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高，溫度達到350C時，金霉素的合成幾乎停止，只產生四環(huán)素。溫度還影響氧在基質中的溶解度，氧在發(fā)酵液中的溶解度也影響菌對某些基質的分解吸收。因此對發(fā)酵過程中的溫度要嚴格控制。,1.2 最適溫度的選擇,1.2.1 根據菌種及生長階段選擇,微生物種類不同，所具有的酶

7、系及其性質不同，所要求的溫度范圍也不同。如黑曲霉生長溫度為370C，谷氨酸產生菌棒狀桿菌的生長溫度為30～320C，青霉菌生長溫度為300C。,在發(fā)酵前期由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快達到大量的菌體，取稍高的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長迅速；在中期菌量已達到合成產物的最適量，發(fā)酵需要延長中期，從而提高產量，因此中期溫度要稍低一些，可以推遲衰老。因為在稍低溫度下氨基酸合成蛋白質和核酸的正常途徑關閉得比較嚴密有利于產物合成。發(fā)

8、酵后期，產物合成能力降低，延長發(fā)酵周期沒有必要，就又提高溫度，刺激產物合成到放罐。,如：青霉素的發(fā)酵生產： 0～5小時 30℃， 6 ～35小時 25℃ 36 ～85小時 20℃ ， 86 ～126小時 25℃ 四環(huán)素生長階段28℃，合成期26℃后期再升溫；黑曲霉生長37℃，產糖化酶32～34℃。 但也有的菌種產物形成比生長溫度高。如谷氨酸產生菌生長30～32℃，產酸34～37℃。 最適溫度

9、選擇要根據菌種與發(fā)酵階段通過試驗確定。,1.2.2 根據培養(yǎng)條件選擇,溫度選擇還要根據培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。通氣條件差時可適當降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。培養(yǎng)基稀薄時，溫度也該低些。因為溫度高營養(yǎng)利用快，會使菌過早自溶。,1.2.3 根據菌生長情況菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。總的來說，溫度的選擇根據菌種生長階段及培養(yǎng)條件綜合考慮。要通過反復實踐來定出最適溫

10、度。,1.3 引起發(fā)酵過程溫度變化的因素,發(fā)酵熱Q發(fā)酵,發(fā)酵熱是引起發(fā)酵過程溫度變化的原因。所謂發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。在發(fā)酵過程中產生菌分解基質產生熱量，機械攪拌產生熱量，而罐壁散熱、水分蒸發(fā)、空氣排氣帶走熱量。這各種產生的熱量和各種散失的熱量的代數和就叫做凈熱量。Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射,生物熱Q生物,在發(fā)酵過程中，菌體不斷利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質，將其分解氧化而產生的能量，其中一部分用于合成高能

11、化合物（如ATP）提供細胞合成和代謝產物合成需要的能量，其余部分以熱的形式散發(fā)出來，這散發(fā)出來的熱就叫生物熱。微生物進行有氧呼吸產生的熱比厭氧發(fā)酵產生的熱多。,生物熱與發(fā)酵類型有關,微生物進行有氧呼吸產生的熱比厭氧發(fā)酵產生的熱多一摩爾葡萄糖徹底氧化成CO2和水好氧：產生287.2千焦耳熱量， 183千焦耳轉變?yōu)楦吣芑衔?104.2千焦以熱的形式釋放厭氧：產

12、生22.6千焦耳熱量， 9.6千焦耳轉變?yōu)楦吣芑衔?13千焦以熱的形式釋放二個例子中轉化為高能化合物分別為63.7％和42.6％,生物熱的產生具有強烈的時間性。在培養(yǎng)初期，菌體處于適應期，菌數少，呼吸作用緩慢，產生熱量較少。菌體在對數生長期時，菌體繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌體也較多，所以產生的熱量多，溫度上升快，必須注意控制溫度。培養(yǎng)后期，菌體已基本

13、上停止繁殖，主要靠菌體內的酶系進行代謝作用，產生熱量不多，溫度變化不大，且逐漸減弱。,攪拌熱Q攪拌,在機械攪拌通氣發(fā)酵罐中，由于機械攪拌帶動發(fā)酵液作機械運動，造成液體之間，液體與攪拌器等設備之間的摩擦，產生可觀的熱量。攪拌熱與攪拌軸功率有關，可用下式計算： Q攪拌= 3600（P/V） 3600：熱功當量（kJ/（kW.h）） （P/V）：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率（ kW/m3）,,,蒸發(fā)熱Q

14、蒸發(fā),通氣時，引起發(fā)酵液的水分蒸發(fā)，水分蒸發(fā)所帶走的熱量叫蒸發(fā)熱。此外，排氣也會帶走部分熱量叫顯熱Q顯熱，顯熱很小，一般可以忽略不計。,輻射熱Q輻射,發(fā)酵罐內溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過罐體向外輻射。輻射熱的大小取決于罐溫與環(huán)境的溫差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超過發(fā)酵熱的5％。Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射,發(fā)酵熱的測定,有二種發(fā)酵熱測定的方法。一種是用冷卻水進出口溫度差計算發(fā)酵熱。在工廠里，可以通過測量冷卻

15、水進出口的水溫，再從水表上得知每小時冷卻水流量來計算發(fā)酵熱。Q發(fā)酵＝GCw(T出－T進)Cw—水的比熱 G—冷卻水流量,,另一種是根據罐溫上升速率來計算。先自控，讓發(fā)酵液達到某一溫度，然后停止加熱或冷卻，使罐溫自然上升或下降，根據罐溫變化的速率計算出發(fā)酵熱。Q發(fā)酵熱 =（M1C1 +M2C2 ）S M1 系統(tǒng)中發(fā)酵液的質量（ kg）， M2發(fā)酵罐的質量（ kg）， C1 發(fā)酵液的比熱， C2發(fā)酵罐材料的

16、比熱， S溫度上升的速率（ ℃/ h）,1.4 發(fā)酵過程溫度的控制發(fā)酵罐：夾套（5M3以下） 盤管（蛇管）（5M3以上）種子罐一般需升溫或降溫發(fā)酵罐一般只需降溫,2 CO2濃度對發(fā)酵的影響及其控制 2.1 CO2濃度對發(fā)酵的影響： CO2是微生物呼吸和分解代謝的終產物，同時也是某些合成代謝的一種基質，幾乎所有的發(fā)酵都會產生CO2 溶解在發(fā)酵液中的CO2對氨基酸、抗生素微生物的發(fā)酵具有刺激和抑制作

17、用，大多數微生物適應低濃度的CO2 （ 0.02%—0.04% V/V ）。,當發(fā)酵液CO2濃度達到1.6 ×10-2 mol/L時，就會嚴重抑制酵母菌的生長， CO2分壓達0.08 ×105P，青霉素的比生長速率降低50%，出現(xiàn)膨脹菌絲，青霉素合成受阻。對發(fā)酵促進。如牛鏈球菌發(fā)酵生產多糖，最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含5%的CO2 。,2.2 CO2影響微生物發(fā)酵的機制： CO2主要是影響細胞膜

18、的結構，溶解在發(fā)酵液中的CO2主要作用于細胞膜的脂質（脂肪酸核心部位），當細胞膜的脂質相中CO2的濃度達到臨界值時，膜的流動性及表面電荷就發(fā)生改變，使許多基質的運輸受到阻礙，影響細胞膜的運輸效率，導致細胞生長受到抑制，形態(tài)發(fā)生改變。 此外， CO2影響發(fā)酵液的酸堿平衡，或與其它物質發(fā)生化學反應，形成碳酸鹽沉淀。,2.3 CO2濃度的控制 CO2溶解度比氧大，因此隨著發(fā)酵罐罐壓的增加其含量比氧增加得更快。 CO2濃度的變化受

19、許多因素的影響。如：細胞呼吸強度、發(fā)酵液流變學特征、通氣攪拌程度、罐壓大小等。,2.3.1 發(fā)酵過程通過通氣量的控制，可以調節(jié)CO2濃度的大小，通氣量大攪拌速度快CO2濃度就會減小。如：四環(huán)素發(fā)酵前40小時采用較小的通氣量和較低攪拌速度，增加發(fā)酵液中CO2的含量，40小時后再降低CO2的濃度，可提高四環(huán)素產量25%—30%。2.3.2 通過控制罐壓來調節(jié)CO2濃度：罐壓升高發(fā)酵液中CO2濃度增加，罐壓降低CO2濃度隨著下降。對CO

20、2濃度敏感的發(fā)酵生產不宜采用大高徑比的反應器。罐內的CO2分壓是液體深度的函數，10米高的罐中，在1.01×105P的氣壓下，罐底CO2分壓是頂部的2倍。,2.3.3 CO2濃度的產生與補料有密切的關系，如：青霉素發(fā)酵中，補料可增加發(fā)酵液中的CO2的含量和降低發(fā)酵液的pH。,3 泡沫對發(fā)酵的影響3.1 泡沫產生的原因：外力如通氣、攪拌；微生物的代謝產生CO2 、NH3；培養(yǎng)基中的復合氮源、糖和代謝物等有穩(wěn)定泡沫的

21、作用。同濃度下起泡能力最強的是玉米漿其次為花生餅粉、黃豆餅粉。,3.2 起泡的危害,3.2.1降低生產能力,在發(fā)酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而降低裝量，大多數罐的裝料系數在0.6—0.7，余下的空間用于容納泡沫。,3.2.2引起原料浪費,如果設備容積不能留有容納泡沫的余地，氣泡會引起原料流失，造成浪費。,3.2.3 影響菌的呼吸,如果氣泡穩(wěn)定，不破碎，那么隨著微生物的呼吸，氣泡中充滿二氧化碳，而且又不能與空氣中氧進行交換，這樣就

22、影響了菌的呼吸。,3.2.4 引起染菌,由于泡沫增多而引起逃液，于是在排氣管中粘上培養(yǎng)基，就會長菌。隨著時間延長，雜菌會長入發(fā)酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐頂進一步滲到軸封，軸封處的潤滑油可起點消泡作用，從軸封處落下的泡沫往往引起雜菌污染。,3.3 泡沫的控制 3.3.1 機械消泡法：在攪拌上部安裝消泡槳將氣泡打碎。機械消泡節(jié)省原料，減少培養(yǎng)液性質的變化，對提煉無副作用。但消泡的效果不如化學方法消泡。,3.3.2 消泡劑消泡 發(fā)

23、酵工業(yè)常用的消泡劑包括天然油脂類、聚醚類、高級醇類、硅樹脂類。天然油脂有玉米油、豆油、米糠油、魚油和豬油等，它們除消泡外還可以提供碳源。其消泡能力不強。應用較多的是聚醚類消泡劑有聚氧丙烯甘油（GP）和聚氧乙烯氧丙烯甘油（GPE），它們按一定比例配制稱“泡敵”,消泡能力是天然油脂的10倍以上。 GP親水性差，分散系數小，在發(fā)泡介質中溶解度小，其抑泡性能比消泡性能好，宜在配培養(yǎng)基時加入。 GPE的親水性好，在發(fā)泡介質中易展開，作用

24、迅速并且消泡能力強，但其溶解度較大消泡維持的時間較短，所以在黏度較大的發(fā)酵液中使用效果較好。,4、氧對發(fā)酵的影響及其控制 在好氧深層發(fā)酵中，氧氣的供應往往是發(fā)酵能否成功的重要因素之一。對多數好氧發(fā)酵來說，氧的不足會造成代謝異常，產量降低，氧氣被稱為好氧微生物發(fā)酵的限制因素。,4.1 氧的特性和傳質： 在28℃100％的空氣飽和濃度情況下，氧在發(fā)酵液中只有7mg/L(0.25 mmol.L-1 )左

25、右，比糖的溶解度小7000倍。在對數生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達到100％空氣飽和度，若此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘內便耗竭，使溶氧成為限制因素。 因此，發(fā)酵過程中需連續(xù)不斷通氣攪拌，以滿足微生物的生長，通常情況生物氧化中氧吸收效率多低于1%，99%的無菌空氣浪費。,4.2 微生物對氧的利用： 不同微生物對氧的需求不同。微生物對氧的利用可由以下關系式進行計算。 微生物的耗氧速度常用比耗氧速率來表示：即單位質

26、量的細胞（干重）在單位時間內消耗氧的量（呼吸強度）。（1） QO2 =(QO2 ）max × CL /(K0 +CL ） QO2比耗氧速率(mmol O2/g菌·h)，CL溶解氧濃度， K0氧的米氏常數（ mol/ m3 ），(QO2）max 最大比耗氧速率(mmol O2/g菌·h )： 啤酒酵母為：2.2 ×10-3，黑曲霉為： 8.

27、3 ×10-4,（2）攝氧率：γ= QO2 X γ攝氧率（mmol O2/L·h） ：單位體積培養(yǎng)液在單位時間內消耗的氧量。 X細胞濃度，kg(干重)/m3。（3）CCr臨界氧濃度：指不影響菌的呼吸所允許的最低氧濃度。,,,,CCr,QO2,CL各種微生物CCr : 細菌和酵母3%～10%，放線菌5%～30%，霉菌10% ～15%例：酵母 4.6×10-3 mmol.L-1產黃青

28、霉 2.2×10-2 mmol.L-1,,,（4）氧飽和度：發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度,所以對于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度>1.,注意： 細胞濃度直接影響培養(yǎng)液的攝氧率，在分批發(fā)酵中攝氧率變化很大，不同生長階段需氧不同，對數生長后期達最大值。 培養(yǎng)基的成分和濃度顯著影響微生物的攝氧率，碳源種類對細胞的需氧量有很大影響，一般葡萄糖的利用速度比其他的糖要快。,,,4.3 反應器中氧的傳遞

29、在深層培養(yǎng)中進行通氣供氧時，氧氣從氣泡到細胞需克服一系列阻力。氧從空氣泡到達細胞的總傳遞阻力為各阻力之和。,空氣→氣膜→氣液界面→液膜→液相主體→細胞或細胞團表面的液膜→固液界面→細胞團內的傳遞→細胞壁阻力→反應阻力 傳遞過程的總推動力就是氣項與細胞內的氧分壓之差，當氧的傳遞達到穩(wěn)態(tài)時，總的傳遞速率與串聯(lián)的各步傳遞速率相等。,培養(yǎng)液中的氧傳遞速率=KL (C*-CL)根據亨利定律 ：P=HC﹡C*

30、＝P/H, 與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度,,KL : 以氧濃度為推動力的總傳遞系數 (m/h)CL：液相溶解氧濃度。H亨利常數（Pa·L/Lmmol),,,以單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為 a (氣液比表面積m2/m3)OTR=KLa (C* –CL ）OTR單位體積培養(yǎng)液中的氧傳遞速率， KLa以氧濃度為推動力的容積氧傳遞系數， C*與氣相氧平衡時液相氧濃度（ mol/ m3 ）,4.4 影響Kla

31、的因素,Kla反映了設備的供氧能力，發(fā)酵常用的設備為搖瓶與發(fā)酵罐。,1.4.1影響搖瓶kla的因素,為裝液量和搖瓶機的頻率,4.4.2影響發(fā)酵罐供氧因素1.4.2.1 攪拌：攪拌功率增大對氧的利用效果明顯，但過于激烈的攪拌，產生很大的剪切力，可能對細胞造成損傷。另外，激烈的攪拌會產生大量的攪拌熱。增加傳熱的負擔。 KLa =K(PG/V) αωsβ

32、 K常數， PG攪拌功率，V培養(yǎng)液體積， ωs通氣的表觀線速度，α ，β為指數，六箭葉渦輪：α：0.755， β：0.578,4.4.2.2 空氣流量： KLa隨著空氣流量的增加而增加，但通氣量的影響是有一定限度的，如果超過在一限度，攪拌器就不能有效的將空氣泡分散到液體中，而在大量的空氣泡中空轉，發(fā)生“過載”大的氣泡沿周圍逸出。4.4.2.3 培養(yǎng)液性質的影響：在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)基的性質如：密度、黏度、表面張力、擴

33、散系數等都會影響KLa 在其他條件相同時，液體的黏度增大時，傳質阻力就增大。,4.4.2.4 微生物生長的影響：細胞濃度增加， KLa值逐漸變小4.4.2.5 溫度的影響：溫度降低可得到較高的氧溶解度，但需考慮對微生物生長的影響。,實例：黑曲霉生產糖化酶 n 230 230 270 通氣比 1:0.8

34、 1:1.2 1:0.8 產量 1812 2416 2846,提高攪拌速率, 比提高通氣比有效,4.5 改善供氧條件的新措施4.5.1 氧載體：氧載體一般指不溶于培養(yǎng)基但能夠吸附或包裹氧的物質?？勺鳛檠踺d體的液體有烷烴和全氟化碳（PFCS )。研究表明：氣升式發(fā)酵罐氧載體最適添加量，正十二烷為3%，全氟化碳為2%。4.5.2 導入血

35、紅蛋白：將血紅蛋白基因克隆到大腸桿菌和放線菌，可促進有氧代謝、菌體生長和抗生素的合成。,5 pH值對發(fā)酵過程的影響及其調控,,,,pH是微生物代謝的綜合反映，它對菌體的生長和產品的積累有很大的影響。所以是十分重要的參數。,發(fā)酵過程中pH是不斷變化的，通過觀察pH變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否,5.1 發(fā)酵過程pH值變化的原因,5.1.1 基質代謝,5.1.1.1 糖代謝：特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上

36、升，是補料的標志之一5.1.1.2 氮代謝：氨基酸被利用后產生NH3 ， pH會上升；尿素被分解成NH3，pH上升。5.1.1.3 生理酸、堿性物質利用后pH會上升或下降,5.1.2 產物形成,某些產物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化，如有機酸類產生使pH下降。紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。,5.1.3 菌體自溶 pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。 5.1.4 雜菌的污染 pH下降,5.2 p

37、H值對發(fā)酵的影響,5.2.1 pH影響微生物細胞膜所帶電荷。從而改變細胞膜的透性，影響微生物對營養(yǎng)物質的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進行,5.2.2 pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對這些物質的利用,5.2.3 pH值影響代謝方向 pH不同，往往引起菌體代謝過程不同，使代謝產物的質量和比例發(fā)生改變。例如黑曲霉在pH2~3時發(fā)酵產生檸檬酸，在pH近中性時，則產生草酸。谷氨酸發(fā)酵，在中性和微堿性條件

38、下積累谷氨酸，在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。,5.2.4 pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響,pH對菌體生長影響比產物合成影響小例 青霉素：菌體生長最適pH3.5~6.0,產物合成最適pH7.2~7.4 四環(huán)素：菌體生長最適pH6.0~6.8，產物合成最適pH5.8~6.0,,5.3 最佳pH的確定,配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況,pH對產海藻酸裂解酶的影響,5.4 pH值的控制,5.4

39、.1 調節(jié)好基礎料的pH(特別注意C/N)?；A料中若含有玉米漿，pH呈酸性，必須注意調節(jié)pH。,5.4.2 在基礎料中加入維持pH的物質，如CaCO3 ，或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等,5.4.3 通過補料調節(jié)pH，在發(fā)酵過程中根據糖氮消耗需要進行補料。 5.4.4 發(fā)酵的不同階段控制不同的pH值,第八章 微生物發(fā)酵動力學 微生物發(fā)酵反應體系中有細胞的生長，基質消耗和產物的生成。 發(fā)酵動力學是對

40、微生物的生長及和產物形成的描述，它研究細胞生長速率和發(fā)酵產物的生成速率以及環(huán)境條件對這些速率的影響。并建立反應速度與影響因素的關聯(lián),XS（底物） X（菌體） ＋ P（產物）,,1、微生物發(fā)酵動力學的內容、方法、目的 1.1 內容：細胞生長、死亡動力學；基質消耗動力學；氧消耗動力學；CO2生成動力學；產物合成和降解動力學等。 以上各方面不是孤立的，而是既相互依賴又相互制約，構成錯綜復雜、豐富多彩的發(fā)酵動力學體

41、系。,1.2 方法：a.收集發(fā)酵過程變化的第一手資料（菌體濃度、基質濃度、時間、 pH、溶氧、CO2生成等）；b.找出各參數之間相互變化規(guī)律；c.建立各種“數學模型”以定量描述各參數隨時間變化的規(guī)律；d.通過計算機在線控制并按照數學模型所給出的控制規(guī)律去調節(jié)或控制生產過程。,數學模型：是描述生產過程控制規(guī)律的一些數學和邏輯算式。 1.3 目的：根據發(fā)酵動力學模型來設計程序，建立發(fā)酵過程中工藝參數的控制最優(yōu)化方案，從而為發(fā)酵過程

42、的工藝設計和管理控制提供理論基礎，達到提高產品產率，降低成本的目的。,2 發(fā)酵動力學的分類 Gaden分類法 類型 產物形成與底物利用的關系 實例 Ⅰ 產物形成與底物利用直接相關 乙醇、乳酸等 Ⅱ 產物形成與底物利用間接相關 檸檬

43、酸、谷氨酸等 Ш 產物形成與底物利用不相關 青霉素、鏈霉素等,,,,,,,,Ⅰ型為生長聯(lián)系型，又稱簡單發(fā)酵型，產物直接由碳 源代謝而來，產物生成速度的變化與微生物對碳源

44、利用速度的變化是平行的，產物生成與微生物的生長,也是平行的。在這些發(fā)酵過程中，菌體的生長、基質的消耗、產物的生成三個速度都有一個高峰，三高峰幾乎同時出現(xiàn)。 Ⅱ 型為部分生長聯(lián)系型，又稱中間發(fā)酵型，產物不是碳源的直接氧化產物，而是菌體代謝的主流產物。它的特點是在發(fā)酵的第一時期碳源大量消耗用于菌體的迅速增長而產物的形成很少或全無，第二時期碳源大量消耗用于產物的高速合成及菌體的生長。,Ш 型為非生長聯(lián)系型，又稱復雜發(fā)酵型，產物的生成在菌體

45、生長和基質消耗完以后才開始，與菌體生長不相關，與基質消耗無直接關系，所形成的產物為次級代謝產物。,3 分批培養(yǎng)動力學 3.1 分批培養(yǎng)菌體的生長動力學：在分批培養(yǎng)中就細胞濃度X的變化而言，一般經歷延遲期、對數期、減速期、靜止期、衰亡期。 分批培養(yǎng)菌體的生長速率(g/L. h) ：dx/dt X —菌體濃度（ g/L ） μ—比生長速率(1/h) : 單位重量的菌體瞬時增量

46、,3.1.1 延遲期：延遲期的長短與種子的種齡和接種量的大小有關，而培養(yǎng)基的濃度對延遲期的長短影響不大。 dx/dt≈03.1.2 對數期：營養(yǎng)豐富，有毒代謝物少，細胞生長不受限制，細胞濃度隨培養(yǎng)時間呈指數增長。 μ = μm 細胞濃度的倍增時間(td ) td=ln2/ μm =0.693/ μm,微生物細胞的倍增時間：細菌0.25—1h, 酵母1.1

47、5—2h 霉菌2—6h。哺乳動物細胞15—100h。植物細胞24—74h3.1.3 減速期：培養(yǎng)基營養(yǎng)物迅速消耗，有害物質逐漸積累，細胞比生長速率逐漸下降。當培養(yǎng)基中不存在抑制細胞生長的物質時，細胞的生長速率與基質濃度關系（Monod方程式）如下 S—基質濃度(mol/m3)， KS —飽和常數(微生物對營養(yǎng)物利用常數）(mol/m3，大腸桿菌2.0—2.4 mg/L ，啤酒酵母25 mg

48、/L)，,（1—kp) k—抑制常數，p—產物濃度3.1.4 靜止期：細胞濃度達到最大值， μ= 0 3.1.5 衰亡期：環(huán)境惡化，細胞開始死亡，活細胞濃度不斷下降。目前工業(yè)大生產有關衰亡期研究不多。 dX/dt= μ X—kd X dx/dt <0 kd—死亡系數(1/h),如果細胞代謝產物對細胞生長有抑制作用，隨著這種產物的積累， μ逐漸下降，可用下方程表示,3.

49、2 分批培養(yǎng)產物生成動力學：產物生成與菌體生長有 相關、部分相關、不相關三種情況。其數學模型如下： a.相關：dp/dt=Yp/xdx/dt dp/dt = Yp/x μX qp= dp/(dt X)= Yp/x μ p—產物濃度（ g/L ） X —

50、菌體濃度（ g/L ） qp—產物比合成速率(1/h) dp/dt—產物合成速率(g/L h) dx/dt —細胞生長速率(g/L h) Yp/x —產物相對于細胞的得率系數,b.部分相關： dp/dt=αμX +βX qp = αμ+ β α—生長相關的產物得率系數，由于相關性不同α≠Y

51、p/x β—非生長相關的比生產速率c.不相關： dp/dt= βX qp = β,〖Pirt方程〗,π＝a + bμ,β=0、α≠0： 可表示一類發(fā)酵,β≠0、α=0： 可表示三類發(fā)酵,β≠0、α≠0：可表示二類發(fā)酵,qp ＝ αμ+ β,3.3 分批培養(yǎng)基質消耗動力學：微生物細胞內的生化反應極其復雜，總況可用： 碳源+氮源+氧 細胞+產物+CO2+H2O ΔC

52、+ ΔN+ ΔO ΔX+ ΔP+ Δ CO2 + Δ H2O 基質轉化過程的效率可用得率系數表示，得率系數指消耗單位營養(yǎng)物所生成的細胞或產物數量。 細胞生長得率系數：YX/S= ΔX/ ΔS 產物對于消耗基質的得率系數： Yp/S= ΔP/ ΔS 細胞對于氧的得率系數：YX/o = ΔX/ ΔO,,,在分批發(fā)酵中，對碳源和能源的利用可分為三部分：一部分形成細胞物質，一部分產生能量

53、供細胞維持生命活動，一部分形成產物。 其方程式為： -ds/dt=(1/Y) dX/dt + mx +(1/Y) dp/dt m—細胞維持系數指維持細胞最低活性所需消耗的能量，一般來講，單位重量的細胞在單位時間內用于維持消耗所需的基質的量是一個常數。 基質比消耗速率 qs=-1/X . ds/dt 比生產速率 qp=1/X . dp/dt

54、,分批發(fā)酵培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點 操作簡單，周期短，染菌機會少，生產過程和產品質量容易掌握。缺點 非生產時間較長、設備利用率低。,4 單罐連續(xù)培養(yǎng)動力學 4.1 單罐連續(xù)培養(yǎng)菌體生長動力學： 單罐連續(xù)培養(yǎng)：由于新鮮培養(yǎng)基不 斷補充，所以不會發(fā)生營養(yǎng)物的枯 竭，另一方面，發(fā)酵液不斷取出， 發(fā)酵罐內的微生物始終處于旺盛 的指數生長期，罐內細胞濃度X、 比生長速率μ、以及t, pH等都 保持恒定。流入速度=流出速度

55、=F,流入速度=流出速度=F,反應器內(V)全混流溶質濃度處處相等,細胞濃度變化率=細胞生長率–細胞流出率–細胞死亡率 dX/dt= μX– (F/V) X–αX F—培養(yǎng)液體積流量（L/min, m3/min)， V—發(fā)酵罐體積（ m3 , L），X—出料中微生物細胞濃度（ g/L ，個/L）， α —微生物比死亡速率(1/h) ，F(xiàn)/V—稀釋率用D表示,X（

56、 μ – D – α ）= dX/dt 連續(xù)培養(yǎng)一段時間進入穩(wěn)定狀態(tài)，即恒化狀態(tài)。 dx/dt=0， μ=D – α ，不考慮死亡因素， μ=D 連續(xù)培養(yǎng)有自平衡能力。,4.2 單罐連續(xù)發(fā)酵基質消耗動力學： 流入營養(yǎng)物—流出營養(yǎng)物—生長消耗營養(yǎng)物—維持生命營養(yǎng)物—形成產物消耗營養(yǎng)物=基質營養(yǎng)物變化 (F/V ) S0 –(F/V ) S – μX/ YX/S – mX– qpx/ Yp/S = ds/dt

57、 S0 , S 為流入、流出營養(yǎng)物濃度（g/L），一般情況下， mX<< μX/ YX/S ，在恒定狀態(tài)下，ds/dt=0 D（ S0 – S）= μX/ YX/S + qpx/ Yp/S,4.3 單罐連續(xù)發(fā)酵產物合成動力學： dp/dt= qpX–DP= qpX –(F/V) P 當處于恒化狀態(tài)且加料中不含產物時 dp/dt=0 qpX=( F/V) P

58、 qpX= DP,5 多罐串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動力學 5.1 多罐串聯(lián)菌體生長動力學：第一罐與單罐情況相同。第二 罐： dX2/dt= (F/V ) X1 + μ2X2 –(F/V ) X2 恒化狀態(tài)時， dx2/dt=0 DX2 – D X1 = μ2X2 μ2=D（1 – X1/X2） X2 = D X1 /(D – μ2 ） 第n罐： μn =D（1

59、– Xn-1/ Xn ） Xn =D Xn-1/（ D – μn ）,5.2 多罐串聯(lián)基質消耗動力學：第一罐與單罐情況相同。第二罐： -ds2/dt= (F/V) S1 – (F/V ) S 2 – μ2X2 / YX/S – qPX2/ YP/S 恒化狀態(tài)時-ds2/dt=0 D(S1 – S2)= μ2X2 / YX/S+ qpx2/ YP/S

60、 S2 = S1 – μ2X2 / DYX/S – qpx2/ DYP/S 第n罐： Sn =Sn-1 – μnXn/ DYX/S – qpxn/ DYP/S,5.3 多罐串聯(lián)產物生成動力學： 第一罐與單罐情況相同。 第二罐： dp2/dt= (F/V) P1+ qpX2 – (F/V ) P2 第n罐： Pn = Pn-1 + qp

61、Xn / D,連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點,優(yōu)點：能維持低基質濃度； 可以提高設備利用率和單位時間的產量； 便于自動控制,缺點：菌種發(fā)生變異的可能性較大； 要求嚴格的無菌條件。,6 基因重組菌分批培養(yǎng)動力學 基因重組菌質粒存在分離、結構不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定與宿主菌、質粒載體特性與培養(yǎng)條件密切的關系。 6.1 基因重組菌分離不穩(wěn)定培養(yǎng)動力學：設基因重組菌細胞的最大比生長速率為

62、μm+，濃度為X+，丟失質粒的重組菌的最大比生長速率為μm-，濃度為X - ，丟失質粒的概率為ρ， 則細胞濃度變化率：,dX+ /dt= μ+（1 – ρ） X+ d X - /dt= μX - + μ X+ ρ μ- / μ+ >1 基質消耗速率： ds/dt=(1/Y )( dX+ /dt) +(1/Y)( d X - /dt ) +(1/Y) (dp/dt ),產物生成速率：

63、dp/dt= α( dX+ /dt) + β X+ α —生長關聯(lián)的產物形成系數， β —非生長關聯(lián)的比生產速率。 產物的生成僅與帶有質粒的細胞有關。,6.2 基因重組菌分離、結構不穩(wěn)定培養(yǎng)動力學： 設定正常的基因重組菌為X1，因結構不穩(wěn)定質粒已發(fā)生變化的基因重組菌為X2 ，其發(fā)生概率為θ。因分離不穩(wěn)定質粒已發(fā)生丟失的基因重組菌為X3， X1→ X3發(fā)生概率為φ1 ， X2→ X3發(fā)生概率為φ2。

64、 X1 X2 X3,,,,菌體生長速率： d X1 /dt= μ1X1（1 – θ –φ1 ） d X2 /dt= μ2X2 （1 – φ2）+ μ1X1 θ d X3/dt= μ