模块四 微生物反应动力学.ppt

模块四模块四 微生物反应动力学微生物反应动力学从宏观的角度，从宏观的角度，定量分析定量分析菌体的生长、基质的消耗、产物的形成。菌体的生长、基质的消耗、产物的形成。研究对象：在各种环境因素下，微生物代谢活动（生命活动）研究对象：在各种环境因素下，微生物代谢活动（生命活动）随时间随时间 而变化而变化的规律。的规律。研究方法：用数学模型研究方法：用数学模型 研究目的：研究目的：达到对发酵过程达到对发酵过程有效控制有效控制，提高产品的产率及降低生产成本的目的。，提高产品的产率及降低生产成本的目的。一、分批培养（一、分批培养（P198-205P198-205）1.细胞生长细胞生长：由物料平衡得：由物料平衡得：比生长速率比生长速率（P198）在微生物在微生物分批培养分批培养的的对数生长对数生长阶段，菌体的生长不受限阶段，菌体的生长不受限制，菌体制，菌体 浓度随培养时间呈浓度随培养时间呈指数增长指数增长，菌体浓度的变化率菌体浓度的变化率（dX/dt）与菌体浓度（与菌体浓度（X）成正比，即成正比，即dX/dt=X。称为比生长速率，反映的是称为比生长速率，反映的是单位体积的菌量单位体积的菌量（干重）在（干重）在单位培养时间单位培养时间内所收获的菌量（干重）。内所收获的菌量（干重）。指数生长期指数生长期：=减速期：减速期：0 但呈下降但呈下降趋势，细胞生长受到营养物质的，细胞生长受到营养物质的 限制，生长的典型形式限制，生长的典型形式 Monod方程方程：（P202）静止期：静止期：dx/dt=0，表观，表观 =02.基质消耗基质消耗：得率系数（：得率系数（P204）：Yx/s，Yx/o3.产物生成产物生成：Gaden 将分批培养分成三种类型将分批培养分成三种类型（1 1）生产生长相关型（）生产生长相关型（型发酵）型发酵）分批工艺中各种分批工艺中各种比速率比速率（生长速率生长速率、基质消耗基质消耗qk和和产物形成产物形成qp）之间关系）之间关系 （a）生长生产联动型）生长生产联动型在在类型的发酵中，类型的发酵中，菌体的生长菌体的生长、碳水化合物的利用碳水化合物的利用 和和产物的形成产物的形成几乎是平行进行的。几乎是平行进行的。酒精，葡萄糖酸和大部分氨基酸、单细胞蛋白酒精，葡萄糖酸和大部分氨基酸、单细胞蛋白都属于都属于类型（菌体生长和代谢产物）。类型（菌体生长和代谢产物）。对于快速获得目标产物、对于快速获得目标产物、缩短发酵周期十分有利。缩短发酵周期十分有利。调整发酵工艺数，调整发酵工艺数，使微生物保持高的使微生物保持高的比生长速率比生长速率2.生产生长部分相关型生产生长部分相关型（型发酵）型发酵）分批发酵中各种比速率（分批发酵中各种比速率（生长速率生长速率、基质消耗基质消耗qk和和产物形成产物形成qp）之间关系）之间关系 （b）部分生长连动型）部分生长连动型型发酵特点：型发酵特点：发酵第一时期菌体迅速生长，发酵第一时期菌体迅速生长，而产物形成很少或全无；而产物形成很少或全无；第二时期产物高速形成，第二时期产物高速形成，生长也可能出现第二高峰。生长也可能出现第二高峰。碳源利用在这两个时期都很高碳源利用在这两个时期都很高代代谢谢产产物物一类是经过连锁反应如丙酮丁醇；一类是经过连锁反应如丙酮丁醇；一类是不经过中间产物的积累，如柠檬酸等。一类是不经过中间产物的积累，如柠檬酸等。结论结论型发酵产物的形成速率既型发酵产物的形成速率既和细胞的比生长速率和细胞的比生长速率有关，有关，也与细胞的浓度有关。也与细胞的浓度有关。3.生产生长不相关型生产生长不相关型 （型发酵）型发酵）分批发酵中各种比速率（分批发酵中各种比速率（生长速率生长速率、基质消耗基质消耗qk和和产物形成产物形成qp）之间关系）之间关系 （c）非生长联动型）非生长联动型 型发酵特点型发酵特点在分批发酵中，在分批发酵中，类型产物的形成分成两个极限：类型产物的形成分成两个极限：起初，微生物消耗大量底物用于产能代谢和生长，起初，微生物消耗大量底物用于产能代谢和生长，而产物形成很缓慢，甚至根本不形成；而产物形成很缓慢，甚至根本不形成；此后，此后，当培养基中的营养物质消耗殆尽，当培养基中的营养物质消耗殆尽，微生物的生长速率开始减慢后，微生物的生长速率开始减慢后，产物形成启动，中间体或前体进入次级代谢途径。产物形成启动，中间体或前体进入次级代谢途径。产物形成与碳源利用无准量关系，产量远低于碳源的消耗量。产物形成与碳源利用无准量关系，产量远低于碳源的消耗量。代谢代谢产物产物大多数是微生物的次级代谢产物：大多数是微生物的次级代谢产物：抗生素和生物毒素，以及维生素类。抗生素和生物毒素，以及维生素类。对于对于型发酵，只要能保证获得足够高浓度的生物量，型发酵，只要能保证获得足够高浓度的生物量，就可以获得高速率的产物合成。就可以获得高速率的产物合成。图图6.3 纳他霉素发酵代谢曲线纳他霉素发酵代谢曲线二、连续培养（二、连续培养（P205P205）1、单级连续培养，菌体的物料平衡关系：、单级连续培养，菌体的物料平衡关系：某一时间存在的或积累的某一时间存在的或积累的 =流入的流入的+增长的增长的-流出的流出的F流加的新鲜培养基流量（流加的新鲜培养基流量（L/min）；）；X某一时间新鲜培养基所含的菌体浓度（某一时间新鲜培养基所含的菌体浓度（g/L）；）；X0新鲜培养基初始所含的菌体浓度（新鲜培养基初始所含的菌体浓度（g/L）；）；V罐内培养基体积（罐内培养基体积（L）；）；D=F/V，D为稀释率（小时为稀释率（小时-1），其定义：），其定义：在微生物的连续培养中，进入产物合成期后，在微生物的连续培养中，进入产物合成期后，开始以恒定的流量向发酵罐流加培养基，单位时间内加入开始以恒定的流量向发酵罐流加培养基，单位时间内加入的培养基体积占发酵罐内培养基体积的分率。的培养基体积占发酵罐内培养基体积的分率。稀释速率与菌体生长速率的关系稀释速率与菌体生长速率的关系（1）若）若D，则，则dx/dt0，培养液中菌体浓度随时间而增加；，培养液中菌体浓度随时间而增加；（2）若）若D，dx/dt0，菌体浓度因培养物被菌体浓度因培养物被“洗出洗出”罐外而减少；罐外而减少；（3）若）若D=，dx/dt=0，培养液中菌体浓度不随时间而变化，达到稳态。培养液中菌体浓度不随时间而变化，达到稳态。2、连续培养的应用（、连续培养的应用（P210216）（1）细胞的生产；）细胞的生产；（2）代谢产物的生产；）代谢产物的生产；（3）细胞生理特性的研究；）细胞生理特性的研究；（5）培养基的改进；）培养基的改进；（4）发酵动力学的研究；）发酵动力学的研究；（6）菌种的筛选和富集；）菌种的筛选和富集；（7）微生物遗传稳定性的研究。）微生物遗传稳定性的研究。3.补料（流加）分批培养（补料（流加）分批培养（P216）补料分批培养是介于分批培养和连续补料分批培养是介于分批培养和连续培养之间的操作方式培养之间的操作方式补料分批培养与连续培养之间的区别：随着补料操作的进行补料分批培养与连续培养之间的区别：随着补料操作的进行培养液的体积是逐渐增大的，到一定时候即须结束陪。培养液的体积是逐渐增大的，到一定时候即须结束陪。反复反复补料补料分批分批培养培养随着补料的进行，培养液体积不断增大，达到一定随着补料的进行，培养液体积不断增大，达到一定程度时，将部分培养液从反应器中放出，剩下部分程度时，将部分培养液从反应器中放出，剩下部分继续进行补料分批培养，如此反复进行。继续进行补料分批培养，如此反复进行。带带放放工工艺艺在培养过程的中间放出部分培养液的操作，在培养过程的中间放出部分培养液的操作，放掉的发酵液与其他正常放罐的发酵液一起送去提炼工段。放掉的发酵液与其他正常放罐的发酵液一起送去提炼工段。流加方式：流加方式：间歇流加间歇流加连续流加连续流加恒速流加恒速流加指数流加指数流加 恒速流加的特点恒速流加的特点（1）初始阶段：随着补料的进行，培养液中的细胞浓度逐渐增大，）初始阶段：随着补料的进行，培养液中的细胞浓度逐渐增大，限制性基质浓度逐渐降低，细胞总量随时间指数增加；限制性基质浓度逐渐降低，细胞总量随时间指数增加；（2）拟稳态：随着补料的进行，限制性基质的添加速度跟不上细胞）拟稳态：随着补料的进行，限制性基质的添加速度跟不上细胞 的消耗，限制性的消耗，限制性基质趋向于基质趋向于0，细胞浓度也接近于定值，细胞浓度也接近于定值，细胞总量细胞总量 随时间线性增加；随时间线性增加；（3）拟稳态下，）拟稳态下，与与 D 近似；由于培养液体积不断增大，近似；由于培养液体积不断增大，与与 D 逐渐减小。逐渐减小。要使限制性基质浓度保持一定，须进行变速流加，加料速率要使限制性基质浓度保持一定，须进行变速流加，加料速率随时间指数增长，使随时间指数增长，使保持恒定。保持恒定。指数流加的特点指数流加的特点4.培养与分离的耦合（培养与分离的耦合（P220）使培养过程中的某些有害物质除去，使培养过程中的某些有害物质除去，改善细胞的生长和有关产物的继续形成。改善细胞的生长和有关产物的继续形成。透析、电渗析、过滤、离子交换、吸附、蒸发、萃取等。透析、电渗析、过滤、离子交换、吸附、蒸发、萃取等。4.1 连续培养连续培养 连续透析；连续透析；4.2 分批培养分批培养 分批透析；分批透析；4.3 分批培养分批培养 连续透析；连续透析；4.4 过滤与培养耦合过滤与培养耦合