《发酵过程动力学》PPT课件.ppt

1 第八章微生物反应动力学 主讲 许钦坤电话 13531451507 E mail xuqinkun QQ 3932990办公 B310 发酵过程动力学研究的基本内容 发酵类型 分批培养动力学 连续培养动力学 主要内容 第一节发酵动力学的研究内容及目的 研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联 反应动力学模型 反应器特性 反应器的操作模型 操作条件与反应结果的关系 定量地控制反应过程 发酵动力学 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在规律 发酵动力学研究目的 通过发酵动力学的研究来进行最佳发酵工艺条件的控制 已建立动力学模型的类型 现象模型 经验模型 目前大多数模型 能定量地描述发酵过程 能反映主要因素的影响 第二节发酵的类型 主要研究 产物形成与低物利用的关系 即碳源的利用与产物形成速度的关系 碳源在培养基中主要作为能源物质 但是当缺少细胞的组成成分时 碳源也能作为构成细胞的材料 6 发酵类型 与生长相关型 特点 微生物的生长 碳源的利用 产物合成直接相关连 几乎都在相同时间出现高峰 菌体生长型 终产物就是菌体本身 菌体增加与碳源利用平行 且两者之间有定量关系 如酵母 蘑菇菌丝等代谢产物型 是指产物的积累与菌体增长相平行 并与碳源消耗有准量关系 如酒精 乳酸 葡萄糖发酵等 第 型 第 型 生长部分相关型特点 发酵的第一时期菌体迅速生长 产物的形成很少或全无 第二时期 产物以高速度形成 生长也出现第二个高峰 碳源利用在二个时期都很高 分两类 产物的形成是经过连锁反应的过程 如 丙酮丁醇 丙酸等 产物的形成不经过中间产物的积累 如 谷氨酸 第 型 与生长不相关型 特点 产物的合成是在菌体的浓度接近或达到最高之后才开始的 产物合成速度与碳源利用也不存在定量关系 例子 多数次生代谢产物的发酵属这种类型 如各种抗生素和微生物毒素等物质的生产 13 第三节微生物分批培养动力学 分批培养 一次投料 一次接种 一次收获的间歇培养方式 简单的过程 培养基中接入菌种以后 没有物料的加入和取出 除了空气的通入和排气 整个过程中菌的浓度 营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化 1 微生物在一个密闭系统中的生长情况 时间 菌体浓度 延迟期 指数生长期 减速期 静止期 衰亡期 延迟期 指数生长期 减速期 静止期 衰亡期 一 微生物的生长动力学 15 延迟期 少量细菌接种到新鲜培养基后 一般不立即进行繁殖 生长速度近于零 因此在开始一段时间 细菌数几乎保持不变 甚至稍有减少 这段时间被称为延迟期 又称为迟缓期 调整期或滞留适应期 处于延迟期细菌细胞的特点是分裂迟缓 代谢活跃 延迟期的长短与菌种 种龄 接种量和培养基成分有关 分批培养中 要经历五个阶段 16 对数期 在对数期 培养基成分虽然发生改变 但是细胞的生长速率维持恒定 当培养基中营养过量时 生长速度与营养物浓度无关 以细胞重量的增加表示生长速度 积分 td为倍增时间 既细胞重量增加一倍所需要的时间 一般 细菌的td为15 60分钟 酵母为45 120分钟 霉菌为2 8小时 17 稳定期 稳定期阶段 因营养物质耗尽及有害物质的大量积累 细胞的浓度达到最大值 不再增加 此时的细胞比生长速率为0 18 减速期 对数期细胞的大量繁殖 培养基中营养物质迅速消耗 有害物质逐渐积累 细胞的比生长速率逐渐下降 进入减速期 培养基中不存在抑制细胞生长的物质时 细胞的比生长速率和限制性基质的浓度有如下关系 mS Ks S S 限制性基质浓度Ks 饱和常数这个关系式称为Monod方程式 是一个经验公式 有抑制细胞生长的物质存在时 这公式需要变化 19 静止期 在静止期阶段 因营养物质耗尽及有害物质的大量积累 细胞的浓度达到最大值 不再增加 此时的细胞比生长速率为0 20 衰亡期 细胞开始死亡 活细胞的浓度不断下降 在工业生产上 通常在对数生长的未期或衰亡期开始以前 结束发酵过程 因此 这个阶段的研究不多 Ks和 max值随菌种 限制性基质种类的变化Ks 饱和常数 max 最大比生长速度 1 得率系数 Yx s 碳源 氮源 氧 细胞 产物 CO2 H2OYx s Yx o2 Yx kcal 消耗每克营养物 每摩尔氧和每千卡能量所生成的细胞数Yx c Yx p Yx N Yx Ave 消耗每克碳 每克磷 每克氮和每个有效电子生成的细胞数Yx ATP 消耗每克分子ATP所生成的细胞克数 二 分批培养中基质的消耗动力学 S S1菌体 S2产物 S3维持 XS 底物 X 菌体 P 产物 维持 维持消耗 m 指维持细胞最低活性所需消耗的能量 一般来讲 单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数 2 基质消耗速率 在实际中要协调这三部分 三产物形成动力学 一类发酵 产物的形成和菌体的生长相关 以细胞为基准的产物得率系数 二类发酵 产物的形成和菌体的生长部分相关 与生长关联的细胞生产能力 非生长关联比生长速率 三类发酵 产物的形成和菌体的生长不相关 27 培养基中的营养物质被微生物细胞所利用 生成细胞 细胞得率系数 生成代谢产物 产物得率系数 消耗一克营养物质生成的细胞的克数或生成的产物的克数 工业上 一段时间的平均值 获得为表观得率系数 分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学 28 分批发酵的优缺点 优点 即操作简单 周期短 染菌的机会减少 生产过程和产品质量易掌握 缺点 存在基质抑制问题 出现二次生长现象 如对基质浓度敏感的产物 或次级代谢物 抗生素 用分批发酵不合适 因其周期较短 一般在1 2天 产率较低 不适于测定动力学数据 29 连续培养 又称连续发酵 是在开放系统中进行的 是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基 同时以相同的速度流出培养液 从而使发酵罐内的液量维持恒定 是培养物在进似恒定状态下生长的培养方法 经连续培养后 流出的培养液进行固液分离 经浓缩后的细胞悬浮液再被送回发酵罐 相当于不断进行接种 可以提高发酵罐中的细胞浓度 也有利于提高连续培养系统的操作稳定性 第四节连续培养动力学 30 1 均匀混合的生物反应器在这种反应器中 培养基经搅拌而混合均匀 反应器中的各部分培养基间不存在浓度梯度 这种连续培养装置又可进一步分为恒化器和恒浊器两种 连续培养设备的类型 31 恒化器 使培养液中的限制性营养物浓度保持恒定 当处于恒定状态时 细胞的生长速度是通过调节微生物需要的营养物质的浓度来控制 工业中主要用来生产微生物菌体在恒化器中 一方面菌体密度会随时间的增长而增高 另一方面 限制生长因子的浓度又会随时间的增长而降低 两者互相作用的结果 出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡 32 恒浊器是根据培养器内微生物的生长密度 并借光电控制系统来控制培养液流速 以取得菌体密度高 生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器 在这一系统中 当培养基的流速低于微生物生长速度时 菌体密度增高 这时通过光电控制系统的调节 可促使培养液流速加快 反之亦然 并以此来达到恒密度的目的 因此 这类培养器的工作精度是由光电控制系统的灵敏度来决定的 33 在恒浊器中的微生物 始终能以最高生长速率进行生长 并可在允许范围内控制不同的菌体密度 在生产实践上 为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物如乳酸 乙醇时 都可以利用恒浊器 一般来说 恒浊器较难控制 目前大多数研究工作者都利用恒化器进行连续培养的研究 34 2 活塞流反应器这是一种不均一的管状反应器 培养基由反应器的一端流入 而从另一端流出 在这种反应器中 没有返混现象 因而 反应器内的培养基呈极化状态 在其不同的部位 营养物的成分 细胞数目 传质效果 氧供应和生产量都不相同 对于这类反应器 在其入口处 加入物料的同时也必须加入微生物细胞 通常是在反应器的出口处装一支路 使细胞返回 也可以来自另一连续培养装置 种子供应系统 35 在进行任何连续培养的开始 都要先做分批培养 让微生物在接种后生长繁殖达到一定细胞浓度 并进入产物合成期 然后才开始以恒定的流量向发酵罐流加培养基 同时以相同的流量放出培养液 使发酵罐内培养液的体积保持恒定微生物持续生长并持续合成产物 如果在发酵管中进行充分的搅拌 则培养液中各处的组成相同 与流出液的组分相同 即为一连续流动搅拌发酵罐 一 单级恒化器连续培养的动力学 36 细胞的物料平衡 细胞的物料平衡表示为 流入的细胞 流出的细胞 生长的细胞 死去的细胞 积累的细胞 X0和X 分别为流入和流出发酵罐的细胞浓度 g l F 培养基流速 L h V 发酵罐内液体体积 l 和a 分别为比生长速率和比死亡速率 h 1 t 时间 h 37 二 细胞循环的单级连续培养 将单级恒化器的流出液用离心机离心 将流出液中的微生物细胞再部分地回加到发酵罐内 形成再循环系统 特点 相当于不断地进行接种 这样不但提高了发酵罐中的细胞浓度 也有利于提高连续培养系统的操作稳定性 38 基本恒化器的改进有多种方法 但最普通的办法是增加罐的级数和将菌体送回罐内 多级连续培养 把多个发酵罐串联起来 第一个发酵罐的情况与单罐培养相同 以后下一个的进料时前一发酵罐的出料 这样就组成了多级串联连续培养在实际生产中 也可以向第二级以后的各级发酵罐补充新的培养基 三 多级连续培养 39 应用举例 对于代谢产物如青霉素 其菌体生长的最佳温度为30 C 而产青霉素的最佳生产温度为20 C 在单级反应中无法兼顾 而采用双罐联续培养 可以解决了上述问题 40 连续培养的优点和缺点 优点 1 提供了微生物在恒定状态下高速生长的环境 便于对微生物代谢 生理生化和遗传特性的研究 2 在工业生产上可减少分批培养中每次清洗 装料 接种和放罐等时间 3 连续培养生产出的发酵产品 质量比较稳定4 连续培养所需设备和投资少 而且便于控制缺点 1 在长时间培养中 菌体易于发生变异 并容易染上杂菌2 如操作不当 新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合 41 连续培养的实施 1 在连续培养中 选择适当的限制性基质 可使产物量大大提高 2 多级连续培养方法可满足微生物不同生长阶段对不同营养的需求 如菌体生长阶段和抗生素生产期需要控制不同的培养条件 如温度 营养和pH值等 连续培养中 可以在不同级的发酵罐里设定不同的培养条件 既满足菌体生长有满足产物的得到 例如 用葡萄糖 半乳糖培养基培养红曲霉生产 半乳糖苷酶时 葡萄糖有利于菌体的生长 而酶的生产则受半乳糖的诱导 但葡萄糖又对半乳糖的利用产生阻遏作用 根据这一特点 靠考虑采用二级连续培养 第一级用葡萄糖作为碳源 以获得大量菌体 第二级加入半乳糖 促进酶的生产 42 参考书目 曹军卫 马辉文 微生物工程学 2002 北京 科学出版社姚汝华 微生物工程工艺原理 2001 广州 华南理工大学出版社熊宗贵 2001 发酵工业原理 北京 中国医药科技出版社名词解释 分批培养连续培养临界稀释度连续培养的稀释率 思考题 1 菌体的生长比速 产物的形成比速 基质的消耗比速 2 一类发酵 二类发酵 三类发酵 3连续培养的优点和缺点 4发酵类型