发酵动力学

rP X
qP
产物的生成速率与微生物的生长速率无关，只 与菌体的生物量积累有关。
分批发酵的优缺点
优点：操作简单、不容易染菌、投资低；
缺点：生产能力低、劳动强度大、而且每批发酵结 果都不完全一样，对后续的产物分离将造成一定的 困难。
分批培养系统属于封闭系统，只能在一段有限 的时间内维持微生物的增殖。微生物处在限制性的 条件下生长，表现出典型的生长周期 。
低基质浓度的优点：
①可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的
菌体浓度，使不致于加剧供氧矛盾。
②避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏。
③不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变
异等问题 。
适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、
酶蛋白、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。
分批、连续、补料操作方式的比较
Part 3
连续发酵动力学
Continuous fermentation kinetics
连续发酵定义及特点
把新鲜的培养基连续地供给均匀混合的发
酵系统，同时又以相同的速度把含有细胞和产
物的发酵液从发酵系统中抽出便可使发酵过程
连续化 ，并且使发酵罐内的液量维持恒定不
变，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方
发酵动力学
CONTENTS
01
论 文 鉴
目录
03
连 续 发
02
分 批 发
04
分 批 补
05
本 章 小
赏
酵
动 力 学
酵
动ห้องสมุดไป่ตู้力 学
料
发 酵 动 力 学
结
Part 1
论文鉴赏
Reference
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X Xmax
u为以细胞浓度表示的比 生长速率
衰亡期:
dx 0 dt
分批发酵动力学

对数生长期的微生物生长速率正比于原有的微生 物数，因此可以直接得出微生物的基本生长动力 学方程：生物数，因此可以直接得出微生物的基 本生长动力学方程：
μ= 。
分批发酵动力学
指数生长期
数生长期
dx dt
x
max
Part 5
本章小结
Summary of this chapter
本章小结
发酵动力学研究的主要对象为微生物群体，而非单个微生物
菌体，即从宏观上研究发酵过程。
通过对最简单的封闭式分批发酵的微生物生长动力学、底物
消耗动力学及产物合成动力学单独建立数学模型开始，找到 三个动力学之间的联系。
基于分批发酵的优缺点，引申出连续发酵和补料分批发酵，
max，此时微生物的生长不受限


对某一钟微生物在某种基质条件下，μmax 和 Ks 是一定值。
不同的微生物有不同的μmax 和Ks 。即使同一 种微生物在不同 的基质种也有不同的μmax 和Ks 。

Ks越大，表示菌体对基质的亲和力越小。
底物消耗动力学

所谓菌体生长动力学是以研究菌体浓度、 限制性基质（培养基中含量最少的基质， 其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、 温度和pH等对菌体生长速率的影响为内容 的。 在分批发酵中，菌体浓度X,产物浓度P和 限制性基质浓度S均随时间t变化
连续发酵中存在的问题

杂菌污染问题 生产菌株突变问题

连续发酵中存在的问题
1、杂菌污染问题
在连续发酵过程中，需要长时间连续不断地向发酵
系统供给无菌的新鲜空气和培养基，这就不可避免 地发生杂菌污染问题。
杂菌污染问题是连续培养中难以解决的问题。
要了解污染的杂菌在什么样的条件下会在系统中发
xt ln max t x0
td ln 2
max
分批发酵动力学
μ在对数期是常数，取得最大值，在其它生长 期不是常数。分析各生长不同时期的μ数值。 延滞期：x无净生长，μ ＝0 ； 加速生长期：x增加，μ2＞μ1 ； 对数期：x对数增加，μ＝常数； 减速生长期：x增加缓慢，μ4＜μ3 ； 衰减期：x无净生长，μ＝0 ； 衰亡期：x减少，μ＜0。
m
1/ µ
底物消耗动力学
底物主要消耗在以下三个方面：一是 用 于合成新的细胞物质；二是用于合成代谢 产物；三是提供细胞生命活动的能量。因 此底物的消耗与微生物的生长繁殖和代谢 产物的合成密切相关。
dS 1 dX 1 dP mX dt YX / S dt YP / S dt
底物消耗动力学
塔式：适合于好氧发酵
连续发酵的类型
四）按培养基质循环方式分：
1、循环式连续发酵：发酵容器中流出的发 酵液再次进入原发酵罐中进行培养发酵。
2、非循环式连续发酵：发酵容器中流出的 发酵液不再次进入原发酵罐中进行培养发 酵。
连续发酵的应用
1、细胞生物量的生产 2、代谢产物生产 3、动物细胞代谢产物生产 4、用于研究工具
定义：表观得率
YX / S
x s
YP / S
p s
专一性得率 YG
x s '
P YP s '
* 专一性用于生长的底物量△ S’ 不含用于维持能 耗及产物形成部分的用量。
底物消耗动力学

图解法求微生物的本征参数YG和m
1/Yx/s m
1/YG
1 YX / S
1 YG
QS

YX
/ S
QP m YP / S
m—维系细胞结构和生命活动所需能量的细
胞维系系数，s-1
基质比消耗率QS=-dS/Xdt
产物比生产率QP=dP/Xdt
代谢产物的合成与微生物生长的动力学关系
Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间 的关系，将产物形成区分为三种类型： Ⅰ型：也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳 酸）
行连续发酵。
连续发酵的类型
三）按培养基质混合方式分： 1、均匀混合连续发酵：发酵容器中微生物与新流入
的培养基均匀混合。

恒化器：培养容器中限制性基质浓度保持恒定

恒浊器：恒定发酵液中的细胞浓度保持恒定
恒化器
恒浊器
连续发酵的类型
2、非均匀混合连续发酵：种子液进入
发酵罐中后不均匀混合。
管道式：适合于厌氧发酵
分批补料培养技术是介于分批培养相
连续培养之间的一种发酵技术。
由于在发酵过程中向发酵罐中补加了
物料，分批补料系统不再是一个封闭 的系统。
分批补料系统并不连续地向罐外放出
发酵液，因而发酵罐内的培养基体积 不再是个常数，而是随时间和物料流 速而变化的变量。
补料分批培养特点
与分批发酵相比，发酵系统可维持很低的基质浓度。
Monod方程
1.2
μ V1
m
0.8 0.6 μ
V
V m /2 0.4 0.2 0 Km 0Ks 200 400 S 600 800 1000
max
S Ks S
μ：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数 μmax: 最大比生长速度
Monod方程的意义

当S« Ks, μ -S是线性关系，μ 与S成正比。 当S» Ks ，μ ≈ μ 制基质的影响。
论文鉴赏
Part 2
分批发酵动力学
Batch fermentation kinetics
微生物生长动力学
微生物生长曲线
减速期 静止期 衰亡期
菌体浓度
延迟期：
dx 0 dt
指数生长期:
max
d 0 dt dx 0 dt
减速期:
指数生长期 延迟期
时间 x为微生物细胞浓度，
静止期：
并以分批发酵动力学为基础，进一步探讨连续和补料分批发 酵的动力学模型。
掌握MONOD方程，熟悉各类发酵动力学的数学模型及其参
数的求解，有利于在发酵过程调控过程中以理论为指导，并 理论结合实际，达到高效、高产和高转化率的发酵目的。
Thank you
End
克P和每个有效电子所生成的细胞克数；
③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克
数。
底物消耗动力学
（2） 产物得率系数：
Yp/s , YP / O2 , YATP / s , YCO2 / s
消耗每克营养物（ s ）或每克分子氧 (O2)生成的产物(P)、ATP或CO2的克数。
底物消耗动力学
连续发酵的类型
一）按细胞流出方式分： 1、开放式连续发酵：微生物随发酵液一起从容器
中流出，细胞流出的速率与新细胞生成速率相等。
2、封闭式连续发酵：只有发酵液从容器中流出， 细胞保留在发酵容器中。 二）按细胞培养容器级数分： 1、单级连续发酵：微生物在单一容器中进行连续
发酵。
2、多级连续发酵：微生物在多个串联的容器中进
rP YP / X rX YP / X X
qP YP / X
代谢产物的合成与微生物生长的动力学关系
Ⅱ型：也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）
rP rX X
qP
式中： α—与菌体生长相关联的产物生成系数 β—与菌体浓度相关联的产物生成系数 Ⅲ型：也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生 素、多糖）
Part 4
分批补料发酵动力学
Fed batch fermentation kinetics
分批补料发酵动力学
补料分批发酵也叫半连续发酵、半连
续培养，流加发酵（fed-batch
fermentation），它是以分批培养为基 础，间歇或连续地补加新鲜培养基的 一种发酵方法。
分批补料发酵动力学
展成为主要的微生物群体。
连续发酵中存在的问题
连续发酵中存在的问题
2、生产菌种突变问题
微生物细胞的遗传物质DNA在复 制过程中出现差错的概率为百万分 之一。尽管自然突变率很低，但是， 一旦连续培养系统中的生产菌出现 某一个细胞得突变，且突变的结果 使得这一细胞获得高生长能力，而 失去生产能力。它会最终取代系统 中原有的生产菌株，使连续发酵过 程失败。

底物消耗动力学
底物消耗动力学
得率系数 指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量。其大 小取决于生物学参数（ µ ,x ）和化学参数（ DO 、 C/N、磷含量等） （1）生长得率系数 ① Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克营养物、每克分子氧以 及每千卡能量所生成的细胞克数；
② Yx/c、 Yx/N、 Yx/p、Yx/Ave- ：消耗每克C、每克N、每
方式 分批发酵 优点
1 一般投资小
缺点
1 因放罐、灭菌等原因，非生 产时间长 2 经常灭菌会降低仪器寿命 3 前培养和种子的花费大 4 需较多的操作人员或自动控 制系统
1 操作不灵活
2 转产、生产灵活 3 分批操作中某一阶段可获得 高的转化率 4 发酵周期短，菌种退易化率 小
连续发酵
1 可实现有规律的机械、自动
补料发酵
化 2 操作人员少 3 反应器体积小、非生产时间 少 4 产品质量稳定 5 操作人员接触毒害物质的可 能性小 6 测量仪器使用寿命长 1 操作灵活 2 染菌、退化几率小 3 可获得高的转化率 4 对发酵过程可实现优化控制 5 因经常灭菌会降低仪器使用 寿命
2 因操作条件不易改变，原料 质量必须稳定 3 若连续灭菌，加上控制系统 和自动化设备，投资较大 4 必须不断地排除一些非溶性 的固型物 5 易染菌，菌种易退化 1 非生产时间长 2 需较多的操作人员或计算机 控制系统 3 操作人员接触一些病原和有 毒产品的可能性大
法。
连续发酵定义及特点
连续培养的特点：
恒定状态可以有效地延长分批培养中的对数生长期。 发酵周期短、设备利用率高、成本低、生产效率高。 便于自动化控制。 发酵产品性能稳定。 适合于微生物生理生化和遗传特性的研究。 易染菌、易发生菌种退化、变异。 操作不当，新加入的培养基与原培养基不易混合。