第八章-發(fā)酵培養(yǎng)方法及發(fā)酵動力學(xué)課件

第八章發(fā)酵培養(yǎng)方法及發(fā)酵動力學(xué)第八章發(fā)酵培養(yǎng)方法及發(fā)酵動力學(xué)1根據(jù)操作方式不同分為：分批培養(yǎng)：底物一次裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過一定時間后將全部反應(yīng)系取出。連續(xù)培養(yǎng)：反應(yīng)開始后，一方面把底物連續(xù)地供給到反應(yīng)器中，另一方面又把反應(yīng)液連續(xù)不斷地取出，使反應(yīng)條件不隨時間變化。分批補(bǔ)料培養(yǎng)：介于分批與連續(xù)培養(yǎng)之間，又分為。半分批培養(yǎng)（流加培養(yǎng)）反復(fù)分批培養(yǎng)反復(fù)半分批式培養(yǎng)第一節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)的方法根據(jù)操作方式不同分為：第一節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)的方法2一、分批發(fā)酵培養(yǎng)基中接入菌種以后，除了空氣的進(jìn)出，沒有物料的加入和取出。過程中發(fā)酵參數(shù)（菌濃、底物濃度、產(chǎn)物濃度等）都隨時間變化。F(X,P,S,T,...,t)一、分批發(fā)酵培養(yǎng)基中接入菌種以后，除了空氣的進(jìn)出，沒有物料3分批發(fā)酵的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)可進(jìn)行少量多品種的發(fā)酵生產(chǎn)原料要求較粗放操作簡單周期短染菌機(jī)會少缺點(diǎn)產(chǎn)率低不適于測定動力學(xué)數(shù)據(jù)分批發(fā)酵的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)4分批培養(yǎng)中微生物的生長遲滯期對數(shù)生長期穩(wěn)定期衰亡期分批培養(yǎng)中微生物的生長遲滯期對數(shù)生長期穩(wěn)定期衰亡5二、分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)較低濃度底物補(bǔ)加底物底物消耗底物濃度保持在一定范圍維持微生物生長促進(jìn)產(chǎn)物形成避免不利因素產(chǎn)生體積產(chǎn)量、產(chǎn)物濃度和產(chǎn)物得率提高二、分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)較低濃度底物補(bǔ)加底物底物消耗底物濃度保持6優(yōu)點(diǎn)：在于使發(fā)酵系統(tǒng)維持低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點(diǎn)為：①可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不致于加劇供氧的矛盾。②避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物。缺點(diǎn)：增加了染菌機(jī)會；比生產(chǎn)速率下降。適用范圍：補(bǔ)料分批發(fā)酵廣泛應(yīng)用于抗生素、氨基酸、酶、核苷酸、有機(jī)酸等的生產(chǎn)。分批補(bǔ)料培養(yǎng)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：在于使發(fā)酵系統(tǒng)維持低的基質(zhì)濃度。分批補(bǔ)料培養(yǎng)特點(diǎn)7三、連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)連續(xù)進(jìn)出料液，保持發(fā)酵液體積恒定，使培養(yǎng)物在近似恒定狀態(tài)下生長的培養(yǎng)方法。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，整個過程中所有發(fā)酵參數(shù)（X、P、S等）恒定不變。優(yōu)點(diǎn)：高效、可自控、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、降低勞動強(qiáng)度等三、連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)連續(xù)進(jìn)出料液，保持發(fā)酵液體積恒定，使培養(yǎng)物在8

連續(xù)培養(yǎng)過程中的主要問題

易遭雜菌污染生產(chǎn)菌株突變問題（菌種易退化）回復(fù)突變的菌株有可能會取代生產(chǎn)菌株而成為優(yōu)勢菌株，使連續(xù)發(fā)酵過程失敗。培養(yǎng)基質(zhì)量工業(yè)培養(yǎng)基的組成成分，如玉米漿、蛋白胨和淀粉等，批與批之間有時會出現(xiàn)較大變化。

連續(xù)培養(yǎng)過程中的主要問題

易遭雜菌污染9連續(xù)培養(yǎng)裝置均勻混合的生物反應(yīng)器恒化器恒濁器非均勻混合的生物反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器連續(xù)培養(yǎng)裝置均勻混合的生物反應(yīng)器10恒化器(A)、恒濁器(B)和活塞流反應(yīng)器(C)中的連續(xù)發(fā)酵恒化器(A)、恒濁器(B)和活塞流反應(yīng)器(C)中的連續(xù)發(fā)酵11第二節(jié)發(fā)酵動力學(xué)基本概念

發(fā)酵動力學(xué)是研究發(fā)酵過程中菌體生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。第二節(jié)發(fā)酵動力學(xué)基本概念發(fā)酵動力學(xué)是研究發(fā)酵過程中菌體121.常用參數(shù)符號及意義X：細(xì)胞干重（g/L）S：底物濃度（g/L）P：產(chǎn)物濃度（g/L)T：溫度（oC）t：發(fā)酵時間（h）F：補(bǔ)料速率或體積流率（L/h）V：發(fā)酵體積（L）D：稀釋率（F/V，h-1）1.常用參數(shù)符號及意義X：細(xì)胞干重（g/L）132.發(fā)酵動力學(xué)中常用術(shù)語得率(Y)，是指被消耗的物質(zhì)和所合成產(chǎn)物之間的量的關(guān)系，包括生長得率(Yx/s)和產(chǎn)物得率(Yp/s)。生長得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)(一般指碳源)所產(chǎn)生的菌體重(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS。（1）得率2.發(fā)酵動力學(xué)中常用術(shù)語得率(Y)，是指被消耗的物質(zhì)和14產(chǎn)物得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)所合成的產(chǎn)物g數(shù)(或mol數(shù))，即YP/S=P/(S。-S)。轉(zhuǎn)化率：（已經(jīng)反應(yīng)的基質(zhì)量）/（總共加入的基質(zhì)量）*100%

產(chǎn)物得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)所合成的產(chǎn)物g數(shù)15基質(zhì)消耗速率：菌體生長速率：(g·L-1·h-1)(g·L-1·h-1)XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）（2）發(fā)酵過程反應(yīng)速度的描述產(chǎn)物生成速率：(g·L-1·h-1)基質(zhì)消耗速率：菌體生長速率：(g·L-1·h-1)(g·L-16基質(zhì)的消耗比速：（比消耗速率）(qs,h-1)菌體的生長比速：（比生長速率）產(chǎn)物的形成比速：（比生成速率）(qx,h-1)(qp,h-1)單位時間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物（菌體）的量稱為比速，是生物反應(yīng)中用于描述反應(yīng)速度的常用概念基質(zhì)的消耗比速：(qs,h-1)菌體的生長比速：產(chǎn)物的形成17第三節(jié)發(fā)酵動力學(xué)與發(fā)酵過程控制

F0,S0,X0,P0S,X,Xd,V,PF,S,X,P,Xd第三節(jié)發(fā)酵動力學(xué)與發(fā)酵過程控制F0,S0,X0,P181、微生物細(xì)胞的生長動力學(xué)

一、發(fā)酵動力學(xué)

細(xì)胞量的積累速率=細(xì)胞生長速率–細(xì)胞的死亡速率+細(xì)胞的添加速率-細(xì)胞的移去速率死細(xì)胞積累速率1、微生物細(xì)胞的生長動力學(xué)一、發(fā)酵動力學(xué)細(xì)胞量的積累速率19

菌體生長速率與培養(yǎng)基中菌體濃度之比，它與微生物的生命活動有聯(lián)系

在對數(shù)生長期，是一個常數(shù)，這時

（1）比生長速率（μ)如何推導(dǎo)？（1）比生長速率（μ)如何推導(dǎo)？20例題：某微生物的＝0.125h-1，求td。此式可在△t=td（td為倍增時間）時求得，td即在時所需時間，于是td=ln2/μ=0.693/μ。為比生長速率，單位是h-1。此式可在△t=td（td為倍增時間）時求得，td21（2）微生物的生長動力學(xué)、Monod方程微生物的生長速度：

μ＝f(S,P,T,pH,……,)在一定條件下(基質(zhì)限制)：μ＝f(S)（2）微生物的生長動力學(xué)、Monod方程微生物的生長22現(xiàn)代細(xì)胞生長動力學(xué)的奠基人Monod在1942年指出，在培養(yǎng)基中無抑制劑存在的情況下，細(xì)胞的比生長速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系可用下式表示：現(xiàn)代細(xì)胞生長動力學(xué)的奠基人Monod在123μ：菌體的比生長速率S：限制性基質(zhì)濃度Ks：半飽和常數(shù)μmax:最大比生長速率μ單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物中，對微生物的生長起到限制作用的營養(yǎng)物。（Monod方程）μmax/2Ksμ：菌體的比生長速率μ單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生24Monod方程中：比生長速率(h-1)；：最大比生長速率(h-1)S：限制性基質(zhì)濃度(g/L)；Ks：飽和常數(shù)(g/L)，當(dāng)μ等于1/2時的限制性基質(zhì)濃度。

Monod方程中25Monod方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法)：將Monod方程取倒數(shù)可得：或：這樣通過測定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長速率，就可以通過回歸分析計算出Monod方程的兩個參數(shù)。Monod方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法)：將Monod方程取倒數(shù)26例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的μmax，Ks和td?解：將數(shù)據(jù)整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l)27μmax＝1.11(h-1);

Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64hμmax＝1.11(h-1);td＝ln2/282、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-基質(zhì)的移去速率

-生長消耗的基質(zhì)速率-產(chǎn)物合成用去的基質(zhì)速率-維持細(xì)胞活性所消耗的基質(zhì)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-29S1

菌體SS2

產(chǎn)物S3

維持

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）+維持m:維持消耗系數(shù)YP/s:產(chǎn)物對基質(zhì)的理論得率系數(shù)YX/s:細(xì)胞對基質(zhì)的理論得率系數(shù)S1菌體SS2產(chǎn)物S330

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（一般P0=0）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31類型Ⅰ（相關(guān)模型）：產(chǎn)物的形成和菌體的生長相偶聯(lián)，乙醇、葡萄糖酸、乳酸；類型Ⅱ（部分相關(guān)模型）：產(chǎn)物的形成和菌體的生長部分偶聯(lián)，檸檬酸、氨基酸；類型Ⅲ（非相關(guān)模型）：產(chǎn)物的形成和菌體的生長不偶聯(lián)，抗生素、微生物毒素。產(chǎn)物生成與細(xì)胞生長之間的關(guān)系類型Ⅰ（相關(guān)模型）：產(chǎn)物的形成和菌體的生長相偶聯(lián)，乙醇、葡萄32〖類型I〗

α

≠0、β

=0、（類型I）〖類型I〗α≠0、β=0、（類型I）33〖類型II〗

α

≠0、β

≠0、（類型II）〖類型II〗α≠0、β≠0、（類型II）34〖類型III〗xp

α

=0、β

≠0、（類型III）〖類型III〗xpα=0、β≠0、（類型III）35二、發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律

(一)分批發(fā)酵1.菌體生長及基質(zhì)利用動力學(xué)分批發(fā)酵情況下如何簡化？二、發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律(一)分批發(fā)酵分批發(fā)酵情36時間菌體濃度延遲期指數(shù)生長期減速期穩(wěn)定期衰亡期延遲期：指數(shù)生長期:倍增時間：td減速期:穩(wěn)定期：衰亡期:μ=0μ>0μ=0μ<02.分批發(fā)酵過程微生物的生長情況時間菌體濃度延遲期指數(shù)生長期減速期穩(wěn)定期衰亡期延遲期：指數(shù)生37Monod方程的適用范圍。時間菌體濃度延遲期指數(shù)生長期減速期穩(wěn)定期衰亡期Monod方程的適用范圍。時間菌體濃度延遲38

3.分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率

每升發(fā)酵液每小時產(chǎn)生的產(chǎn)物（或菌體）克數(shù)（g/L/h），是對發(fā)酵過程總成果的一種衡量?？偵a(chǎn)率:發(fā)酵總周期為：3.分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率每升發(fā)酵液每小時產(chǎn)生的產(chǎn)物（或39第八章-發(fā)酵培養(yǎng)方法及發(fā)酵動力學(xué)課件40(二)連續(xù)發(fā)酵

F0=F反應(yīng)器內(nèi)(V)全混流溶質(zhì)濃度處處相等F0,S0,X0,P0S,X,Xd,V,PF,S,X,P,Xd(二)連續(xù)發(fā)酵F0=F反應(yīng)器內(nèi)(V)全混流溶質(zhì)濃度411.基于細(xì)胞量（X）的物料平衡

細(xì)胞的進(jìn)入速率－細(xì)胞的流出速率＋細(xì)胞的生長速率－細(xì)胞的死亡速率＝細(xì)胞的積累速率1.基于細(xì)胞量（X）的物料平衡細(xì)胞的進(jìn)入速率－細(xì)胞的流42簡化后：在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，上式可變?yōu)椋?/p>

簡化后：在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時43在連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)中被稱為稀釋速率，用符號“D”表示

（等于培養(yǎng)液在罐中平均停留時間τ的倒數(shù)）在穩(wěn)定狀態(tài)下，細(xì)胞的比生長速率等于稀釋速率。

在連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)中被稱為稀釋速率，用符號“D”表示442.基于限制性營養(yǎng)成分（S）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2.基于限制性營養(yǎng)成分（S）的物料平衡45在穩(wěn)定狀態(tài)下，則以代入上式，得在穩(wěn)定狀態(tài)下，則46

生產(chǎn)率

每升發(fā)酵液每小時產(chǎn)生的產(chǎn)物克數(shù)（g/L/h）b=DX（或DP）請大家自己推導(dǎo)

生產(chǎn)率

每升發(fā)酵液每小時產(chǎn)生的產(chǎn)物克數(shù)（g/L/h）47連續(xù)培養(yǎng)的操作特性連續(xù)培養(yǎng)的操作特性48第四節(jié)發(fā)酵動力學(xué)計算實例1.Monod方程有關(guān)參數(shù)計算例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的μmax，Ks和td?第四節(jié)發(fā)酵動力學(xué)計算實例1.Monod方程有關(guān)參數(shù)計算例49μmax＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h解：將數(shù)據(jù)整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221μmax＝1.11(h-1);td＝ln2/502.假設(shè)通過實驗測定，反應(yīng)基質(zhì)十六烷烴或葡萄糖中有2/3的碳轉(zhuǎn)化為細(xì)胞中的碳。計算下述反應(yīng)的得率系數(shù)YX/S（g干細(xì)胞/g基質(zhì)）和YX/O：十六烷烴：C16H34+12.427O2+2.085NH3→2.42(C4.4H7.3N0.86O1.2)+12.43H2O+5.33CO2葡萄糖：C6H12O6+1.473O2+0.782NH3→0.909(C4.4H7.3N0.86O1.2)+3.854H2O+2CO2解：(a)正十六烷烴91.34YX/S=——×2.42=0.98g干細(xì)胞/g基質(zhì)22691.342.42YX/O=——×———=0.557g干細(xì)胞/g氧3212.4272.假設(shè)通過實驗測定，反應(yīng)基質(zhì)十六烷烴或葡萄糖中有2/3的51(b)葡萄糖91.34YX/S=——×0.909=0.461g干細(xì)胞/g基質(zhì)180

91.340.909YX/O=——×———=1.76g干細(xì)胞/g氧321.473(b)葡萄糖523.酵母在需氧條件下，以乙醇為基質(zhì)進(jìn)行生長可表示下列總反應(yīng)式：

C2H5OH+aO2+bNH3→cCH1.704N0.149O0.408+dCO2+

eH2O試求：（1）當(dāng)RQ=0.66時，a、b、c、d和e的值。（2）確定YX/S和YX/O2的值。注：RQ—呼吸熵，為二氧化碳釋放速率與氧消耗速率的比值。3.酵母在需氧條件下，以乙醇為基質(zhì)進(jìn)行生長可表示下列總反應(yīng)534.在有氧條件下，桿菌在甲醇上生長，在進(jìn)行間歇培養(yǎng)時得到結(jié)果如表所示：時間/hX/(g/L)S/(g/L)時間/hX/(g/L)S/(g/L)00.29.23123.24.620.2119.21145.60.9240.3069.07166.150.07780.988.03186.20101.776.8試求：

（1）μmax值；（2）YX/S值；（3）細(xì)胞倍增時間td值；（4）飽和常數(shù)Ks值；（5）在t=10h時比生長速率μ值。4.在有氧條件下，桿菌在甲醇上生長，在進(jìn)行間歇培養(yǎng)時得到結(jié)545.某一發(fā)酵過程是在一連續(xù)攪拌的釜式反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)基質(zhì)連續(xù)穩(wěn)定地加入，反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)穩(wěn)定流出。假設(shè)其發(fā)酵反應(yīng)可表示為S+X→X+P。

若已知X0=0，P0=0，反應(yīng)器有效體積為1L。現(xiàn)改變加入反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)的流量和濃度，同時測定反應(yīng)器出口未反應(yīng)基質(zhì)和細(xì)菌的濃度，得到的數(shù)據(jù)列于下表。序號F(L/h)S0(mol/L)S(mol/L)X(g/L)τmh122002217.80.524100505.00.2536100851.50.174102502005.00.10

τm：物料在反應(yīng)器內(nèi)平均停留時間，有τm=1/D。

試根據(jù)上述數(shù)據(jù)，確定其速率方程式。5.某一發(fā)酵過程是在一連續(xù)攪拌的釜式反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)基質(zhì)556.間歇培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)過程生產(chǎn)率和最大生產(chǎn)率的計算。（1）間歇培養(yǎng)

對一定反應(yīng)S→P

總生產(chǎn)率為

X（或）P

P=——————

tf+tT+tL+tD

生產(chǎn)率達(dá)到最大時，dP/dtf=0，即

dP(tf+tT+tL+tD)dX/dt-X

——=——————————=0

dt(tf+tT+tL+tD)2

則得到

dXX

—=—————

dttf+tT+tL+tD6.間歇培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)過程生產(chǎn)率和最大生產(chǎn)率的計算。（1）56(2)連續(xù)培養(yǎng)在單級CSTR中進(jìn)行符合Monod模型的簡單細(xì)胞反應(yīng)，其優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)一般以單位體積的細(xì)胞產(chǎn)量X為最大，b一般稱為細(xì)胞的生產(chǎn)率。

b=DX所以，KsD

b=DYX/S(S0－—————)μmax

－D當(dāng)b最大時，有db/dD=0，相應(yīng)稀釋率D稱為最佳稀釋率Dopt，并有KsDopt=μmax（1-———）Ks+S0Dopt(2)連續(xù)培養(yǎng)Dopt577.在甘露糖醇中培養(yǎng)大腸桿菌，其動力學(xué)方程式為

1.2×S

rX=————Xg/(L·min)

2+S

已知S0=6g/L，YX/S=0.1

試問：（1）當(dāng)甘露糖醇溶液以1L/min的流量進(jìn)入體積為5L的CSTR中進(jìn)行反應(yīng)時，其反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞的濃度及其生長速率為多少？

（2）如果尋求使大腸桿菌在CSTR內(nèi)的生長速率達(dá)到最大，試問最佳加料速率是多少？大腸桿菌的生長速率為多大？7.在甘露糖醇中培養(yǎng)大腸桿菌，其動力學(xué)方程式為

58第八章發(fā)酵培養(yǎng)方法及發(fā)酵動力學(xué)第八章發(fā)酵培養(yǎng)方法及發(fā)酵動力學(xué)59根據(jù)操作方式不同分為：分批培養(yǎng)：底物一次裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過一定時間后將全部反應(yīng)系取出。連續(xù)培養(yǎng)：反應(yīng)開始后，一方面把底物連續(xù)地供給到反應(yīng)器中，另一方面又把反應(yīng)液連續(xù)不斷地取出，使反應(yīng)條件不隨時間變化。分批補(bǔ)料培養(yǎng)：介于分批與連續(xù)培養(yǎng)之間，又分為。半分批培養(yǎng)（流加培養(yǎng)）反復(fù)分批培養(yǎng)反復(fù)半分批式培養(yǎng)第一節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)的方法根據(jù)操作方式不同分為：第一節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)的方法60一、分批發(fā)酵培養(yǎng)基中接入菌種以后，除了空氣的進(jìn)出，沒有物料的加入和取出。過程中發(fā)酵參數(shù)（菌濃、底物濃度、產(chǎn)物濃度等）都隨時間變化。F(X,P,S,T,...,t)一、分批發(fā)酵培養(yǎng)基中接入菌種以后，除了空氣的進(jìn)出，沒有物料61分批發(fā)酵的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)可進(jìn)行少量多品種的發(fā)酵生產(chǎn)原料要求較粗放操作簡單周期短染菌機(jī)會少缺點(diǎn)產(chǎn)率低不適于測定動力學(xué)數(shù)據(jù)分批發(fā)酵的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)62分批培養(yǎng)中微生物的生長遲滯期對數(shù)生長期穩(wěn)定期衰亡期分批培養(yǎng)中微生物的生長遲滯期對數(shù)生長期穩(wěn)定期衰亡63二、分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)較低濃度底物補(bǔ)加底物底物消耗底物濃度保持在一定范圍維持微生物生長促進(jìn)產(chǎn)物形成避免不利因素產(chǎn)生體積產(chǎn)量、產(chǎn)物濃度和產(chǎn)物得率提高二、分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)較低濃度底物補(bǔ)加底物底物消耗底物濃度保持64優(yōu)點(diǎn)：在于使發(fā)酵系統(tǒng)維持低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點(diǎn)為：①可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不致于加劇供氧的矛盾。②避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物。缺點(diǎn)：增加了染菌機(jī)會；比生產(chǎn)速率下降。適用范圍：補(bǔ)料分批發(fā)酵廣泛應(yīng)用于抗生素、氨基酸、酶、核苷酸、有機(jī)酸等的生產(chǎn)。分批補(bǔ)料培養(yǎng)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：在于使發(fā)酵系統(tǒng)維持低的基質(zhì)濃度。分批補(bǔ)料培養(yǎng)特點(diǎn)65三、連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)連續(xù)進(jìn)出料液，保持發(fā)酵液體積恒定，使培養(yǎng)物在近似恒定狀態(tài)下生長的培養(yǎng)方法。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，整個過程中所有發(fā)酵參數(shù)（X、P、S等）恒定不變。優(yōu)點(diǎn)：高效、可自控、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、降低勞動強(qiáng)度等三、連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)連續(xù)進(jìn)出料液，保持發(fā)酵液體積恒定，使培養(yǎng)物在66

連續(xù)培養(yǎng)過程中的主要問題

易遭雜菌污染生產(chǎn)菌株突變問題（菌種易退化）回復(fù)突變的菌株有可能會取代生產(chǎn)菌株而成為優(yōu)勢菌株，使連續(xù)發(fā)酵過程失敗。培養(yǎng)基質(zhì)量工業(yè)培養(yǎng)基的組成成分，如玉米漿、蛋白胨和淀粉等，批與批之間有時會出現(xiàn)較大變化。

連續(xù)培養(yǎng)過程中的主要問題

易遭雜菌污染67連續(xù)培養(yǎng)裝置均勻混合的生物反應(yīng)器恒化器恒濁器非均勻混合的生物反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器連續(xù)培養(yǎng)裝置均勻混合的生物反應(yīng)器68恒化器(A)、恒濁器(B)和活塞流反應(yīng)器(C)中的連續(xù)發(fā)酵恒化器(A)、恒濁器(B)和活塞流反應(yīng)器(C)中的連續(xù)發(fā)酵69第二節(jié)發(fā)酵動力學(xué)基本概念

發(fā)酵動力學(xué)是研究發(fā)酵過程中菌體生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。第二節(jié)發(fā)酵動力學(xué)基本概念發(fā)酵動力學(xué)是研究發(fā)酵過程中菌體701.常用參數(shù)符號及意義X：細(xì)胞干重（g/L）S：底物濃度（g/L）P：產(chǎn)物濃度（g/L)T：溫度（oC）t：發(fā)酵時間（h）F：補(bǔ)料速率或體積流率（L/h）V：發(fā)酵體積（L）D：稀釋率（F/V，h-1）1.常用參數(shù)符號及意義X：細(xì)胞干重（g/L）712.發(fā)酵動力學(xué)中常用術(shù)語得率(Y)，是指被消耗的物質(zhì)和所合成產(chǎn)物之間的量的關(guān)系，包括生長得率(Yx/s)和產(chǎn)物得率(Yp/s)。生長得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)(一般指碳源)所產(chǎn)生的菌體重(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS。（1）得率2.發(fā)酵動力學(xué)中常用術(shù)語得率(Y)，是指被消耗的物質(zhì)和72產(chǎn)物得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)所合成的產(chǎn)物g數(shù)(或mol數(shù))，即YP/S=P/(S。-S)。轉(zhuǎn)化率：（已經(jīng)反應(yīng)的基質(zhì)量）/（總共加入的基質(zhì)量）*100%

產(chǎn)物得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)所合成的產(chǎn)物g數(shù)73基質(zhì)消耗速率：菌體生長速率：(g·L-1·h-1)(g·L-1·h-1)XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）（2）發(fā)酵過程反應(yīng)速度的描述產(chǎn)物生成速率：(g·L-1·h-1)基質(zhì)消耗速率：菌體生長速率：(g·L-1·h-1)(g·L-74基質(zhì)的消耗比速：（比消耗速率）(qs,h-1)菌體的生長比速：（比生長速率）產(chǎn)物的形成比速：（比生成速率）(qx,h-1)(qp,h-1)單位時間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物（菌體）的量稱為比速，是生物反應(yīng)中用于描述反應(yīng)速度的常用概念基質(zhì)的消耗比速：(qs,h-1)菌體的生長比速：產(chǎn)物的形成75第三節(jié)發(fā)酵動力學(xué)與發(fā)酵過程控制

F0,S0,X0,P0S,X,Xd,V,PF,S,X,P,Xd第三節(jié)發(fā)酵動力學(xué)與發(fā)酵過程控制F0,S0,X0,P761、微生物細(xì)胞的生長動力學(xué)

一、發(fā)酵動力學(xué)

細(xì)胞量的積累速率=細(xì)胞生長速率–細(xì)胞的死亡速率+細(xì)胞的添加速率-細(xì)胞的移去速率死細(xì)胞積累速率1、微生物細(xì)胞的生長動力學(xué)一、發(fā)酵動力學(xué)細(xì)胞量的積累速率77

菌體生長速率與培養(yǎng)基中菌體濃度之比，它與微生物的生命活動有聯(lián)系

在對數(shù)生長期，是一個常數(shù)，這時

（1）比生長速率（μ)如何推導(dǎo)？（1）比生長速率（μ)如何推導(dǎo)？78例題：某微生物的＝0.125h-1，求td。此式可在△t=td（td為倍增時間）時求得，td即在時所需時間，于是td=ln2/μ=0.693/μ。為比生長速率，單位是h-1。此式可在△t=td（td為倍增時間）時求得，td79（2）微生物的生長動力學(xué)、Monod方程微生物的生長速度：

μ＝f(S,P,T,pH,……,)在一定條件下(基質(zhì)限制)：μ＝f(S)（2）微生物的生長動力學(xué)、Monod方程微生物的生長80現(xiàn)代細(xì)胞生長動力學(xué)的奠基人Monod在1942年指出，在培養(yǎng)基中無抑制劑存在的情況下，細(xì)胞的比生長速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系可用下式表示：現(xiàn)代細(xì)胞生長動力學(xué)的奠基人Monod在181μ：菌體的比生長速率S：限制性基質(zhì)濃度Ks：半飽和常數(shù)μmax:最大比生長速率μ單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物中，對微生物的生長起到限制作用的營養(yǎng)物。（Monod方程）μmax/2Ksμ：菌體的比生長速率μ單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生82Monod方程中：比生長速率(h-1)；：最大比生長速率(h-1)S：限制性基質(zhì)濃度(g/L)；Ks：飽和常數(shù)(g/L)，當(dāng)μ等于1/2時的限制性基質(zhì)濃度。

Monod方程中83Monod方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法)：將Monod方程取倒數(shù)可得：或：這樣通過測定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長速率，就可以通過回歸分析計算出Monod方程的兩個參數(shù)。Monod方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法)：將Monod方程取倒數(shù)84例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的μmax，Ks和td?解：將數(shù)據(jù)整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l)85μmax＝1.11(h-1);

Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64hμmax＝1.11(h-1);td＝ln2/862、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-基質(zhì)的移去速率

-生長消耗的基質(zhì)速率-產(chǎn)物合成用去的基質(zhì)速率-維持細(xì)胞活性所消耗的基質(zhì)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-87S1

菌體SS2

產(chǎn)物S3

維持

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）+維持m:維持消耗系數(shù)YP/s:產(chǎn)物對基質(zhì)的理論得率系數(shù)YX/s:細(xì)胞對基質(zhì)的理論得率系數(shù)S1菌體SS2產(chǎn)物S388

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（一般P0=0）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89類型Ⅰ（相關(guān)模型）：產(chǎn)物的形成和菌體的生長相偶聯(lián)，乙醇、葡萄糖酸、乳酸；類型Ⅱ（部分相關(guān)模型）：產(chǎn)物的形成和菌體的生長部分偶聯(lián)，檸檬酸、氨基酸；類型Ⅲ（非相關(guān)模型）：產(chǎn)物的形成和菌體的生長不偶聯(lián)，抗生素、微生物毒素。產(chǎn)物生成與細(xì)胞生長之間的關(guān)系類型Ⅰ（相關(guān)模型）：產(chǎn)物的形成和菌體的生長相偶聯(lián)，乙醇、葡萄90〖類型I〗

α

≠0、β

=0、（類型I）〖類型I〗α≠0、β=0、（類型I）91〖類型II〗

α

≠0、β

≠0、（類型II）〖類型II〗α≠0、β≠0、（類型II）92〖類型III〗xp

α

=0、β

≠0、（類型III）〖類型III〗xpα=0、β≠0、（類型III）93二、發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律

(一)分批發(fā)酵1.菌體生長及基質(zhì)利用動力學(xué)分批發(fā)酵情況下如何簡化？二、發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律(一)分批發(fā)酵分批發(fā)酵情94時間菌體濃度延遲期指數(shù)生長期減速期穩(wěn)定期衰亡期延遲期：指數(shù)生長期:倍增時間：td減速期:穩(wěn)定期：衰亡期:μ=0μ>0μ=0μ<02.分批發(fā)酵過程微生物的生長情況時間菌體濃度延遲期指數(shù)生長期減速期穩(wěn)定期衰亡期延遲期：指數(shù)生95Monod方程的適用范圍。時間菌體濃度延遲期指數(shù)生長期減速期穩(wěn)定期衰亡期Monod方程的適用范圍。時間菌體濃度延遲96

3.分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率

每升發(fā)酵液每小時產(chǎn)生的產(chǎn)物（或菌體）克數(shù)（g/L/h），是對發(fā)酵過程總成果的一種衡量?？偵a(chǎn)率:發(fā)酵總周期為：3.分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率每升發(fā)酵液每小時產(chǎn)生的產(chǎn)物（或97第八章-發(fā)酵培養(yǎng)方法及發(fā)酵動力學(xué)課件98(二)連續(xù)發(fā)酵

F0=F反應(yīng)器內(nèi)(V)全混流溶質(zhì)濃度處處相等F0,S0,X0,P0S,X,Xd,V,PF,S,X,P,Xd(二)連續(xù)發(fā)酵F0=F反應(yīng)器內(nèi)(V)全混流溶質(zhì)濃度991.基于細(xì)胞量（X）的物料平衡

細(xì)胞的進(jìn)入速率－細(xì)胞的流出速率＋細(xì)胞的生長速率－細(xì)胞的死亡速率＝細(xì)胞的積累速率1.基于細(xì)胞量（X）的物料平衡細(xì)胞的進(jìn)入速率－細(xì)胞的流100簡化后：在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，上式可變?yōu)椋?/p>

簡化后：在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時101在連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)中被稱為稀釋速率，用符號“D”表示

（等于培養(yǎng)液在罐中平均停留時間τ的倒數(shù)）在穩(wěn)定狀態(tài)下，細(xì)胞的比生長速率等于稀釋速率。

在連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)中被稱為稀釋速率，用符號“D”表示1022.基于限制性營養(yǎng)成分（S）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2.基于限制性營養(yǎng)成分（S）的物料平衡103在穩(wěn)定狀態(tài)下，則以代入上式，得在穩(wěn)定狀態(tài)下，則104

生產(chǎn)率

每升發(fā)酵液每小時產(chǎn)生的產(chǎn)物克數(shù)（g/L/h）b=DX（或DP）請大家自己推導(dǎo)

生產(chǎn)率

每升發(fā)酵液每小時產(chǎn)生的產(chǎn)物克數(shù)（g/L/h）105連續(xù)培養(yǎng)的操作特性連續(xù)培養(yǎng)的操作特性106第四節(jié)發(fā)酵動力學(xué)計算實例1.Monod方程有關(guān)參數(shù)計算例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的μmax，Ks和td?第四節(jié)發(fā)酵動力學(xué)計算實例1.Monod方程有關(guān)參數(shù)計算例107μmax＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h解：將數(shù)據(jù)整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221μmax＝1.11(h-1);td＝ln2/1082.假設(shè)通過實驗測定，反應(yīng)基質(zhì)十六烷烴或葡萄糖中有2/3的碳轉(zhuǎn)化為細(xì)胞中的碳。計算下述反應(yīng)的得率系數(shù)YX/S（g干細(xì)胞/g基質(zhì)）和YX/O：十六烷烴：C16H34+12.427O2+2.085NH3→2.42(C4.4H7.3N0.86O1.2)+12.43H2O+5.33CO2葡萄糖：C6H12O6+1.473O2+0.782NH3→0.909(C4.4H7.3N0.86O1.2)+3.854H2O+2CO2解：(a)正十六烷烴91.34YX/S=——×2.42=0.98g干細(xì)胞/g基質(zhì)22691.342.42YX/O=——×———=0.557g干細(xì)胞/g氧3212.4272.假設(shè)通過實驗測定，反應(yīng)基質(zhì)十六烷烴或葡萄糖中有2/3的109(b)葡萄糖91.34YX/S=——×0.909=0.461g干細(xì)胞/g基質(zhì)180

91.340.909YX/O=——×———=1.76g干細(xì)胞/g氧321.473(b)葡萄糖1103.酵母在需氧條件下，以乙醇為基質(zhì)進(jìn)行生長可表示下列總反應(yīng)式：

C2H5OH+aO2+bNH3→cCH1.704N0.149O0.408+dCO2+

eH2O試求：（1）當(dāng)RQ=0.66時，a、b、c、d和e的值。（2）確定YX/S和YX/O2的值。注：RQ—呼吸熵，為二氧化碳釋放速率與氧消耗速率的比值。3.酵母在需氧條件下，以乙醇為基質(zhì)進(jìn)行生長可表示下列總反應(yīng)1114.在有氧條件下，桿菌在甲醇上生長，在進(jìn)行間歇培養(yǎng)時得到結(jié)果如表所示：時間/hX/(g/L)S/