1、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)與發(fā)酵 過 程 控 制,發(fā)酵動(dòng)力學(xué)是研究生物反應(yīng)過程的速率及其影響因素，是生物反應(yīng)工程學(xué)的理論基礎(chǔ)之一 。 發(fā)酵過程動(dòng)力學(xué)包括兩個(gè)層次的動(dòng)力學(xué),1、本征動(dòng)力學(xué)（又稱微觀動(dòng)力學(xué)）,在沒有傳遞等工程因素影響時(shí)，生物反應(yīng)固有的速率。該速率除反應(yīng)本身的特性外，只與各反應(yīng)組分的濃度、溫度、催化劑及溶劑性質(zhì)有關(guān)，而與傳遞因素?zé)o關(guān)。,2、反應(yīng)器動(dòng)力學(xué) （又稱宏觀動(dòng)力學(xué)）,在一反應(yīng)器內(nèi)所觀測(cè)得到的總反應(yīng)速率及其影響因素，這些影響因素包括反應(yīng)器的形式和結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動(dòng)與混合、傳質(zhì)與傳熱等。,第一節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué),發(fā)酵動(dòng)力學(xué)是研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動(dòng)之間的相互作用隨時(shí)間變化的規(guī)律的科學(xué)。

2、 研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的目的在于按人們的需要控制發(fā)酵過程。,一、產(chǎn)物合成動(dòng)力學(xué),在連續(xù)培養(yǎng)的條件下，由生長(zhǎng)、基質(zhì)利用和產(chǎn)物形成的物料平衡方程，可以看出產(chǎn)物的形成與生長(zhǎng)和細(xì)胞濃度的關(guān)系,1、細(xì)胞的生長(zhǎng),細(xì)胞量的積累速率 = 細(xì)胞生長(zhǎng)速率細(xì)胞的消失速率,2、基質(zhì)的利用,基質(zhì)的消耗速率 = 補(bǔ)料中基質(zhì)的添加速率生長(zhǎng)消耗的基質(zhì)速率產(chǎn)物合成用去的基質(zhì)速率維持所消耗的基質(zhì)速率基質(zhì)的移去速率,3、產(chǎn)物的形成,產(chǎn)物形成的速率 = 產(chǎn)物合成速率產(chǎn)物移去速率產(chǎn)物被破壞速率,二、代謝產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)模型,Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生長(zhǎng)速率之間的關(guān)系，將其分為三種類型： 類型稱為相關(guān)模型，或稱伴隨生長(zhǎng)的產(chǎn)物形成模型；

3、 類型稱為部分相關(guān)模型，或稱不完全伴隨生長(zhǎng)的產(chǎn)物形成模型； 類型稱為非相關(guān)模型或稱不伴隨生長(zhǎng)的產(chǎn)物形成模型。,類型是指產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)相關(guān)的過程(上圖a)，此時(shí)產(chǎn)物通常是基質(zhì)的分解代謝產(chǎn)物，代謝產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)是同步的。 動(dòng)力學(xué)方程為：,或,類型反應(yīng)產(chǎn)物的生成與細(xì)胞生長(zhǎng)僅有間接關(guān)系（上圖b）。在細(xì)胞生長(zhǎng)期內(nèi)，基本無產(chǎn)物生成。 動(dòng)力學(xué)方程為： 或,類型產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)無直接聯(lián)系(上圖c)。它的特點(diǎn)是當(dāng)細(xì)胞處于生長(zhǎng)階段時(shí)，并無產(chǎn)物積累，而當(dāng)細(xì)胞停止生長(zhǎng)后，產(chǎn)物卻大量生成。,或,與之間的關(guān)系圖,第二節(jié) 發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律,一、分 批 發(fā) 酵 1. 概念 分批發(fā)酵是指在一封閉培養(yǎng)

4、系統(tǒng)內(nèi)具 有初始限制量基質(zhì)的一種發(fā)酵方式,2. 分批發(fā)酵過程的典型類型,簡(jiǎn)單反應(yīng) a、生長(zhǎng)型：如產(chǎn)氣桿菌（Aerobacter Cloacae）的生長(zhǎng) b、非生長(zhǎng)型：如黑曲霉（Aspegillus niger）轉(zhuǎn)化葡萄糖成為葡萄糖酸 并行反應(yīng)：如粘紅酵母（Rhodotoruba glutirus） 相繼反應(yīng)：如假單孢菌（Pseudomonoas Oualis） 分段反應(yīng) ：。如大腸桿菌（E.Coli）的二階段式生長(zhǎng),3. 分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率,體積生產(chǎn)率是以每升發(fā)酵液每小時(shí)產(chǎn)生的產(chǎn)物克數(shù)（g/Lh）表示的，是對(duì)發(fā)酵過程總成果的一種衡量。,總生產(chǎn)率:,總生產(chǎn)率:,其中發(fā)酵過程總的運(yùn)轉(zhuǎn)周期為：,絲

5、狀微生物發(fā)酵的產(chǎn)物產(chǎn)率和基質(zhì)的利用,霉菌和其它絲狀微生物的發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)率和基質(zhì)利用的動(dòng)力學(xué)是很復(fù)雜的，典型的例子是青霉素發(fā)酵,絲狀微生物發(fā)酵過程獲得高產(chǎn)的一般規(guī)律,(1)在一固定的分批發(fā)酵時(shí)間內(nèi)，存在一種得到最佳產(chǎn)率的最適的基質(zhì)起始濃度。如果基質(zhì)濃度太高，菌絲體生長(zhǎng)過度，消耗大量基質(zhì)導(dǎo)致“短周期發(fā)酵”現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成產(chǎn)物生成量減少；如果基質(zhì)濃度太低，菌絲體生長(zhǎng)差，到產(chǎn)物生產(chǎn)期便沒有足夠的菌絲體制造產(chǎn)物。,（2）為了提高產(chǎn)物形成速率，對(duì)菌絲分枝程度也須加以優(yōu)化。如果菌絲體分枝過少，停滯期和發(fā)酵周期均延長(zhǎng)。目前已知菌絲體的分枝程度與種子的生長(zhǎng)狀況有關(guān)，因此需尋找最適的種子培養(yǎng)條件。,（3）為了提高氧

6、的傳遞速率，對(duì)深層發(fā)酵過程似乎宜采用劇烈的攪拌，但是對(duì)于青霉素等利用絲狀微生物的發(fā)酵過程來說，中等程度的攪拌對(duì)高產(chǎn)有利。對(duì)此有幾種解釋，普遍的認(rèn)為是劇烈的攪拌所施加的剪切力會(huì)影響霉菌的形態(tài)，促進(jìn)菌絲過多分枝，而使產(chǎn)量下降。,二、連 續(xù) 發(fā) 酵,把新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)地供給均勻混合的發(fā)酵系統(tǒng)，同時(shí)又以相同的速度把含有細(xì)胞和產(chǎn)物的發(fā)酵液從發(fā)酵系統(tǒng)中抽出便可使發(fā)酵過程連續(xù)化,在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中，微生物細(xì)胞的濃度、比生長(zhǎng)速率和環(huán)境條件（如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度），均處于不隨時(shí)間而變化的穩(wěn)定狀態(tài)之下,連續(xù)培養(yǎng)的原理,1、基于細(xì)胞量的物料平衡,細(xì)胞的進(jìn)入速率細(xì)胞的流出速率細(xì)胞的 生長(zhǎng)速率細(xì)胞的死亡速率細(xì)胞的積累

7、速率,簡(jiǎn)化后：,在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí) ，上 式可變?yōu)椋?在連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)中被稱為稀釋速率，用符號(hào)“D”表示 （等于培養(yǎng)液在罐中平均停留時(shí)間的倒數(shù)） 在穩(wěn)定狀態(tài)下，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率等于稀釋速率。,2、基于限制性營(yíng)養(yǎng)成分的物料平衡,養(yǎng)分進(jìn)入系統(tǒng)的速率養(yǎng)分流出系統(tǒng)的速率用于生長(zhǎng)的養(yǎng)分消耗的速率用于維持的養(yǎng)分消耗的速率用于產(chǎn)物形成的養(yǎng)分消耗的速率養(yǎng)分在系統(tǒng)中積累的速率,在穩(wěn)定狀態(tài)下 ，則 以代入上式， 得,上式須符合以下假定,細(xì)胞的得率系數(shù)假定與生長(zhǎng)速率或稀釋速率無關(guān) 假定細(xì)胞濃度的絕對(duì)值 與除限制性營(yíng)養(yǎng)成分以外的所有營(yíng)養(yǎng)成分無關(guān) 限制性營(yíng)養(yǎng)成分的細(xì)胞得率系數(shù)只受限制性養(yǎng)分的影響，但是其它環(huán)境因

8、素如pH、溫度和溶解氧必須維持恒定,產(chǎn) 率,達(dá)到最大的細(xì)胞產(chǎn)率的稀釋率，并不等于達(dá)到最大的細(xì)胞得率時(shí)的稀釋率。因此，過程的最佳化往往必須采取折衷的方法，要同時(shí)考慮到產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和流出液的殘留基質(zhì)濃度。,分批培養(yǎng)過程與連續(xù)培養(yǎng)過程產(chǎn)率的比較,分批和連續(xù)培養(yǎng)產(chǎn)率的比較,恒化器的實(shí)際運(yùn)行情況與理論狀態(tài)的對(duì)比,碳源限制性恒化器 受N或硫酸鹽限制的恒化器 受K、Mg或磷酸鹽限制的恒化器 非恒化連續(xù)培養(yǎng),連續(xù)培養(yǎng)過程中的主要問題,雜菌污染問題 生產(chǎn)菌株突變問題,1、雜菌污染問題,在連續(xù)發(fā)酵過程中，需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)不斷地向發(fā)酵系統(tǒng)供給無菌的新鮮空氣和培養(yǎng)基，這就不可避免地發(fā)生雜菌污染問題。 雜菌污染問題是連續(xù)

9、培養(yǎng)中難以解決的問題。 要了解污染的雜菌在什么樣的條件下會(huì)在系統(tǒng)中發(fā)展成為主要的微生物群體。,假設(shè)連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)被外來的生物Y、Z和W污染，這些污染菌的積累速率可用以下物料平衡式表示： 污染菌積累的速率污染菌進(jìn)入的速率污染菌流出的速率污染菌生長(zhǎng)速率,2. 生產(chǎn)菌株突變問題,微生物在復(fù)制過程中難免會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)引起突變，一旦在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中的生產(chǎn)菌細(xì)胞群體中某一個(gè)細(xì)胞發(fā)生了突變，而且突變的結(jié)果使這一細(xì)胞獲得在給定條件下高速生長(zhǎng)的能力，那么它就有可能像雜菌Z一樣，取代系統(tǒng)中原來的生產(chǎn)菌株，而使連續(xù)發(fā)酵過程失敗。,多種基質(zhì)的發(fā)酵作用,在連續(xù)培養(yǎng)中，微生物對(duì)多種碳源的利用是同時(shí)進(jìn)行的。使菌體同時(shí)利用多種碳源的關(guān)鍵因素是維持低濃度的分解代謝物。連續(xù)培養(yǎng)提供了利用多種基質(zhì)的有利條件 。,混合培養(yǎng),多種微生物的聯(lián)合作用構(gòu)成了混合培養(yǎng)技術(shù) 。 在一種穩(wěn)定的混合培養(yǎng)系統(tǒng)中，各種微生物群體的營(yíng)養(yǎng)需求是各不相同的，而且是相互依賴的。 連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)可以建立起這種系統(tǒng)，因?yàn)樗軇?chuàng)造一種具有高度選擇性的只適于某一類微生物生存的條件，而使這類微生物得以積累。,三、補(bǔ)料分批發(fā)酵,補(bǔ)料分批發(fā)酵也叫半連續(xù)發(fā)酵、半連續(xù)培養(yǎng)，流加發(fā)酵（fed-batch fermentation），它是以分批培養(yǎng)為基礎(chǔ)，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的一種發(fā)酵方法。,補(bǔ)料分批發(fā)酵