第八章发酵培养方法及发酵动力学课件

章发酵培养方法及发酵动力学章发酵培养方法及发酵动力学根据根据操作方式操作方式不同分为：不同分为：分批培养分批培养：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。连续培养连续培养：反应开始后，一方面把底物连续地供给反应开始后，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，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。使反应条件不随时间变化。分批补料培养分批补料培养：介于分批与连续培养之间，又分为。：介于分批与连续培养之间，又分为。半分批培养半分批培养（流加培养）流加培养）反复分批培养反复分批培养反复半分批式培养反复半分批式培养第一节第一节 发酵培养的方法发酵培养的方法一、分批发酵一、分批发酵 培培养养基基中中接接入入菌菌种种以以后后，除除了了空空气气的的进进出出，没有物料的加入和取出。没有物料的加入和取出。过程中发酵参数（菌浓、底物浓度、产物浓过程中发酵参数（菌浓、底物浓度、产物浓度等）都随时间变化。度等）都随时间变化。F(X,P,S,T,.,t)分批发酵的特点分批发酵的特点优点优点可进行少量多品种的发酵生产可进行少量多品种的发酵生产原料要求较粗放原料要求较粗放操作简单操作简单周期短周期短染菌机会少染菌机会少缺点缺点产率低产率低不适于测定动力学数据不适于测定动力学数据分批培养中微生物的生长分批培养中微生物的生长迟滞期迟滞期对数生长期对数生长期稳稳 定定 期期衰亡期衰亡期二、分批补料培养技术二、分批补料培养技术较低浓度底物较低浓度底物补加底物补加底物底物消耗底物消耗底物浓度保持底物浓度保持在一定范围在一定范围维持微生维持微生物生长物生长促进产促进产物形成物形成避免不利避免不利因素产生因素产生体积产量、产物浓度和产物得率提高体积产量、产物浓度和产物得率提高优点：优点：在于使发酵系统维持低的基质浓度。在于使发酵系统维持低的基质浓度。低低基基质质浓浓度度的的优优点点为为：可可以以除除去去快快速速利利用用碳碳源源的的阻阻遏遏效效应应，并并维维持持适适当当的的菌菌体体浓浓度度，使使不不致致于于加加剧剧供供氧氧的矛盾。的矛盾。避免培养基积累有毒代谢物。避免培养基积累有毒代谢物。缺点：缺点：增加了染菌机会；比生产速率下降。增加了染菌机会；比生产速率下降。适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶、核苷酸、有机酸等的生产。酶、核苷酸、有机酸等的生产。分批补料培养特点分批补料培养特点三、连续培养技术三、连续培养技术连连续续进进出出料料液液，保保持持发发酵酵液液体体积积恒恒定定，使使培培养养物物在在近近似似恒恒定状态下生长的培养方法。定状态下生长的培养方法。达到稳态后，整个过程中达到稳态后，整个过程中所有发酵参数（所有发酵参数（X、P、S等）恒等）恒定不变。定不变。优点：高效、可自控、产品质量稳定、降低劳动强度等优点：高效、可自控、产品质量稳定、降低劳动强度等连续培养过程中的主要问题连续培养过程中的主要问题易遭杂菌污染易遭杂菌污染生产菌株突变问题（菌种易退化）生产菌株突变问题（菌种易退化）回复突变的菌株有可能会取代生产菌株而成为优势回复突变的菌株有可能会取代生产菌株而成为优势菌株，菌株，使连续发酵过程失败使连续发酵过程失败。培养基质量培养基质量工业培养基的组成成分，如玉米浆、蛋白胨和淀粉工业培养基的组成成分，如玉米浆、蛋白胨和淀粉等，批与批之间有时会出现较大变化。等，批与批之间有时会出现较大变化。连续培养装置连续培养装置均匀混合的生物反应器均匀混合的生物反应器恒化器恒化器恒浊器恒浊器非均匀混合的生物反应器非均匀混合的生物反应器活塞流反应器活塞流反应器恒化器恒化器(A)、恒浊器、恒浊器(B)和活塞流反应器和活塞流反应器(C)中的连续发酵中的连续发酵第二节第二节 发酵动力学基本概念发酵动力学基本概念 发酵动力学发酵动力学是研究发酵过程中菌体生长、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基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。在规律。1.常用参数符号及意义常用参数符号及意义X：细胞干重（：细胞干重（g/L）S：底物浓度（：底物浓度（g/L）P：产物浓度（：产物浓度（g/L)T：温度（：温度（C）t：发酵时间（：发酵时间（h）F：补料速率或体积流率（：补料速率或体积流率（L/h）V：发酵体积（：发酵体积（L）D：稀释率（：稀释率（F/V，h-1）2.发酵动力学中常用术语发酵动力学中常用术语 得得率率(Y)，是是指指被被消消耗耗的的物物质质和和所所合合成成产产物物之之间间的的量量的的关关系系，包包括括生生长长得得率率(Yx/s)和和产产物物得得率率(Yp/s)。生生长长得得率率：是是指指每每消消耗耗1g(或或mo1)基基质质(一一般般指指碳源碳源)所产生的菌体重所产生的菌体重(g)，即，即Yx/s=X/S。（1）得率）得率 产物得率：是产物得率：是指每消耗指每消耗1g(或或mo1)基质所合成的基质所合成的产物产物g数数(或或mol数数)，即，即YP/S=P/(S。-S)。转化率：转化率：（已经反应的基质量）（已经反应的基质量）/（总共加入的基质（总共加入的基质量）量）*100%基质消耗速率：基质消耗速率：菌体生长速率：菌体生长速率：(g(gL L-1-1h h-1-1)(g(gL-1h h-1-1)X XS S（底物）（底物）X X（菌体）（菌体）P P（产物）（产物）（2 2）发酵过程反应速度的描述）发酵过程反应速度的描述产物生成速率：产物生成速率：(g(gL-1h h-1-1)基质的消耗比速：基质的消耗比速：（比消耗速率）（比消耗速率）(qs,h-1)菌体的生长比速：菌体的生长比速：（比生长速率）（比生长速率）产物的形成比速：产物的形成比速：（比生成速率）（比生成速率）(qx,h-1)(qp,h-1)单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为为比速比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念第三节第三节 发酵动力学与发酵过程控制发酵动力学与发酵过程控制 F0,S0,X0,P0S,X,Xd,V,PF,S,X,P,Xd1、微生物细胞的生长动力学、微生物细胞的生长动力学 一、发酵动力学一、发酵动力学 细胞量的积累速率细胞量的积累速率=细胞生长速率细胞生长速率 细胞的死亡速率细胞的死亡速率 +细胞的添加速率细胞的添加速率-细胞的移去速率细胞的移去速率死细胞积累速率死细胞积累速率 菌体生长速率与培养基中菌体浓度之比菌体生长速率与培养基中菌体浓度之比，它与，它与微生物的生命活动有联系微生物的生命活动有联系 在对数生长期，在对数生长期，是一个常数，这时是一个常数，这时（1）比生长速率（）比生长速率（)如何推导？如何推导？例题：某微生物的例题：某微生物的 0.125 h-1，求，求td。此式可在此式可在t=td（td为倍增时间）为倍增时间）时求得，时求得，td即在即在时所需时间，于是时所需时间，于是td=ln2/=0.693/。为比生长速率，单位是为比生长速率，单位是为比生长速率，单位是为比生长速率，单位是 h h-1-1。（2）微生物的生长动力学、Monod方程q 微生物的生长速度微生物的生长速度：f(S,P,T,pH,)q 在一定条件下在一定条件下(基质限制基质限制)：f(S)现现代代细细胞胞生生长长动动力力学学的的奠奠基基人人Monod在在1942年年指指出出，在在培培养养基基中中无无抑抑制制剂剂存存在在的的情情况况下下，细细胞胞的的比比生生长长速速率率与与限限制制性基质浓度的关系可用下式表示：性基质浓度的关系可用下式表示：菌体的比生长速率：菌体的比生长速率 S：限制性基质浓度：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数：半饱和常数max:最大比生长速率最大比生长速率单一限制性基质：就是指在单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用微生物的生长起到限制作用的营养物。的营养物。（Monod方程）方程）max/2KsMonod方程中方程中 ：比生长速率：比生长速率(h-1)；：最大比生长速率：最大比生长速率(h-1)S S：限制性基质浓度：限制性基质浓度(g/L)；Ks：饱和常数：饱和常数(g/L)，当，当等于等于1/2 1/2 时时的限制性基质浓度。的限制性基质浓度。Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或：这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速率，就可以通过回归分析计算出生长速率，就可以通过回归分析计算出MonodMonod方程的两个方程的两个参数。参数。例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)6 33 64 153 221(h-1)0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的max，Ks和td?解：将数据整理：S/100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221 max1.11(h-1);Ks97.6 mg/Ltdln2/max0.64 h2 2、基质的利用、基质的利用 基质的消耗速率基质的消耗速率=补料中基质的添加速率补料中基质的添加速率-基质的移去速率基质的移去速率 -生长消耗的基质速率生长消耗的基质速率-产物合成用去的基质速率产物合成用去的基质速率 -维持细胞活性所消耗的基质速率维持细胞活性所消耗的基质速率 S1 菌体菌体SS2 产物产物S3 维持维持 XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）+维持维持m:维持消耗系数维持消耗系数YP/s:产物对基质的理论得率系数产物对基质的理论得率系数YX/s:细胞对基质的理论得率系数细胞对基质的理论得率系数 3、产物的形成、产物的形成产物形成的速率产物形成的速率=产物合成速率产物合成速率 产物移去速率产物移去速率 产物被破坏速率产物被破坏速率（一般（一般P0=0）类型类型（相关模型）：（相关模型）：产物的形成和菌体的生长产物的形成和菌体的生长相偶联，乙醇、葡萄糖酸、乳酸相偶联，乙醇、葡萄糖酸、乳酸；类型类型（部分相关模型）：（部分相关模型）：产物的形成和菌体产物的形成和菌体的生长部分偶联，柠檬酸、氨基酸的生长部分偶联，柠檬酸、氨基酸；类型类型（非相关模型）：（非相关模型）：产物的形成和菌体的产物的形成和菌体的生长不偶联，抗生素、微生物毒素生长不偶联，抗生素、微生物毒素。产物生成与细胞生长之间的关系产物生成与细胞生长之间的关系类型Iq 0、=0、（类型I）类型IIq 0、0、（类型II）类型IIIxpq =0、0、（类型III）二、发酵过程的代谢变化规律二、发酵过程的代谢变化规律(一一)分分 批批 发发 酵酵1.菌体生长及基质利用动力学菌体生长及基质利用动力学 分批发酵情况分批发酵情况下如何简化？下如何简化？时间时间菌体浓度菌体浓度延迟期延迟期指数生长期指数生长期减速期减速期稳定期稳定期衰亡期衰亡期延迟期：指数生长期:倍增时间倍增时间：td减速期:稳定期：衰亡期:=00=002.分批发酵过程微生物的生长情况分批发酵过程微生物的生长情况 Monod方程的适用范围。方程的适用范围。时间时间菌体浓度菌体浓度延迟期延迟期指数生长期指数生长期减速期减速期稳定期稳定期衰亡期衰亡期 3.分批发酵过程的生产率分批发酵过程的生产率 每升发酵液每小时产生的产物（或菌体）每升发酵液每小时产生的产物（或菌体）克数（克数（g/L/h），是对发酵过程总成果的），是对发酵过程总成果的一种衡量。一种衡量。总生产率总生产率:发酵总周期为：发酵总周期为：(二二)连连 续续 发发 酵酵 F0=F反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等F0,S0,X0,P0S,X,Xd,V,PF,S,X,P,Xd1.基于基于细胞量（细胞量（X）的物料平衡的物料平衡 细胞的进入速率细胞的流出速率细胞的生长速率细胞的进入速率细胞的流出速率细胞的生长速率细胞的死亡速率细胞的死亡速率细胞的积累速率细胞的积累速率 简化后：简化后：在连续培养系统达到稳定状态时在连续培养系统达到稳定状态时 ，上，上式可变为：式可变为：在在连连续续培培养养技技术术中中被被称称为为稀稀释释速速率率，用用符号符号“D”表示表示 （等于培养液在罐中（等于培养液在罐中平均停留时间平均停留时间的倒数）的倒数）在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。速率。2.基于基于限制性营养成分（限制性营养成分（S）的物料平衡的物料平衡 养分进入系统的速率养分流出系统的速率用于养分进入系统的速率养分流出系统的速率用于生长的养分消耗的速率用于维持的养分消耗的速生长的养分消耗的速率用于维持的养分消耗的速率用于产物形成的养分消耗的速率率用于产物形成的养分消耗的速率 养分在系统中积累的速率养分在系统中积累的速率 在稳定状态下在稳定状态下 ，则，则以代入上式，以代入上式，得得生产率生产率每升发酵液每小时产生的产物克数（每升发酵液每小时产生的产物克数（g/L/h）b=DX（或（或DP）请大家自己推导请大家自己推导连续培养的操作特性第四节第四节 发酵动力学计算实例发酵动力学计算实例1.Monod方程有关参数计算方程有关参数计算例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)6 33 64 153 221(h-1)0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的max，Ks和td?max1.11(h-1);Ks97.6 mg/Ltdln2/max0.64 h解：将数据整理：S/100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 2212.假设通过实验测定，反应基质十六烷烃或葡萄糖中有假设通过实验测定，反应基质十六烷烃或葡萄糖中有2/3的碳转化为细的碳转化为细胞中的碳。胞中的碳。计算下述反应的得率系数计算下述反应的得率系数YX/S（g 干细胞干细胞/g 基质）和基质）和YX/O：十六烷烃：十六烷烃：C16H34+12.427O2+2.085NH32.42(C4.4H7.3N0.86O1.2)+12.43H2O+5.33CO2葡萄糖：葡萄糖：C6H12O6+1.473O2+0.782NH30.909(C4.4H7.3N0.86O1.2)+3.854H2O+2CO2解：解：(a)正十六正十六烷烃 91.34 YX/S=2.42=0.98 g 干细胞干细胞/g 基质基质 226 91.34 2.42 YX/O=0.557 g 干细胞干细胞/g 氧氧 32 12.427 (b)葡萄糖葡萄糖 91.34 YX/S=0.909=0.461 g 干细胞干细胞/g 基质基质 180 91.34 0.909 YX/O=1.76 g 干细胞干细胞/g 氧氧 32 1.4733.3.酵母在需氧条件下，以乙醇为基质进行生长可表示下酵母在需氧条件下，以乙醇为基质进行生长可表示下列总反应式：列总反应式：C2H5OH+aO2+bNH3cCH1.704N0.149O0.408+dCO2+eH2O试求：试求：（1）当）当RQ=0.66时，时，a、b、c、d和和e的值。的值。（2）确定）确定YX/S和和YX/O2的值。的值。注：注：RQ 呼吸熵，为二氧化碳释放速率与氧消呼吸熵，为二氧化碳释放速率与氧消耗速率的比值。耗速率的比值。4.4.在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间歇培养在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间歇培养时得到结果如表所示：时得到结果如表所示：时间时间/hX/(g/L)S/(g/L)时间时间/hX/(g/L)S/(g/L)00.29.23123.24.620.2119.21145.60.9240.3069.07166.150.07780.988.03186.20101.776.8试求：试求：（1 1）max值；（；（2）YX/S值；（；（3）细胞倍增胞倍增时间td值；（；（4）饱和常数和常数Ks值；（；（5）在）在t=10h时比生比生长速率速率值。5.5.某一发酵过程是在一连续搅拌的釜式反应器中进行，反应基质连某一发酵过程是在一连续搅拌的釜式反应器中进行，反应基质连续稳定地加入，反应产物连续稳定流出。假设其发酵反应可表示为续稳定地加入，反应产物连续稳定流出。假设其发酵反应可表示为S+XS+XX+P。若已知若已知X0=0，P0=0，反，反应器有效体器有效体积为1L。现改改变加入反加入反应器内器内基基质的流量和的流量和浓度，同度，同时测定反定反应器出口未反器出口未反应基基质和和细菌的菌的浓度，度，得到的数据列于下表。得到的数据列于下表。序号序号F(L/h)S0(mol/L)S(mol/L)X(g/L)mh122002217.80.524100505.00.2536100851.50.174102502005.00.10 m：物料在反：物料在反应器内平均停留器内平均停留时间，有，有m=1/D。试根据上述数据，确定其速率方程式。试根据上述数据，确定其速率方程式。6.间歇培养和连续培养过程生产率和最大生产率的计算。间歇培养和连续培养过程生产率和最大生产率的计算。（1）间歇培养）间歇培养 对一定反应对一定反应 S P 总生生产率率为 X（或）（或）P P=tf+tT+tL+tD 生生产率达到最大率达到最大时，dP/dtf=0，即，即 dP (tf+tT+tL+tD)dX/dt-X =0 dt (tf+tT+tL+tD)2则得到得到 dX X =dt tf+tT+tL+tD (2)连续培养培养在在单级CSTR中中进行符合行符合Monod模型的模型的简单细胞反胞反应，其，其优化的目化的目标函数函数一般以一般以单位体位体积的的细胞胞产量量X为最大，最大，b一般称一般称为细胞的生胞的生产率。率。b=DX所以，所以，Ks D b=DYX/S(S0)max D当当b最大最大时，有，有 db/dD=0，相，相应稀稀释率率D称称为最佳稀最佳稀释率率Dopt，并有，并有 Ks Dopt=max（1-）Ks+S0Dopt7.在甘露糖醇中培养大肠杆菌，其动力学方程式为在甘露糖醇中培养大肠杆菌，其动力学方程式为 1.2S rX=X g/(Lmin)2+S 已知已知S0=6g/L，YX/S=0.1试问：（试问：（1）当甘露糖醇溶液以）当甘露糖醇溶液以1L/min的流量进入体积为的流量进入体积为5L的的CSTR中进行反应时，其反应器内细胞的浓度及其生长速率为多少？中进行反应时，其反应器内细胞的浓度及其生长速率为多少？（2）如果寻求使大肠杆菌在）如果寻求使大肠杆菌在CSTR内的生长速率达到最大，试问内的生长速率达到最大，试问最佳加料速率是多少？大肠杆菌的生长速率为多大？最佳加料速率是多少？大肠杆菌的生长速率为多大？