发酵动力学与发酵 过程控制发酵动力学是研究生物反应过程的速率及其影响因素，是生物反应工程学的理论基础之一。发酵过程动力学包括两个层次的动力学1、本征动力学（又称微观动力学）在没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。该速率除反应本身的特性外，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。2、反应器动力学（又称宏观动力学）在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。第一节发酵动力学发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。研究发酵动力学的目的在于按人们的需要控制发酵过程。一、产物合成动力学在连续培养的条件下，由生长、基质利用和产物形成的物料平衡方程，可以看出产物的形成与生长和细胞浓度的关系1、细胞的生长2、基质的利用 3 、产物的形成二、代谢产物形成的动力学模型 Gaden 根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种类型：类型Ⅰ称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模型；类型Ⅱ称为部分相关模型，或称不完全伴随生长的产物形成模型；类型Ⅲ称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成模型。类型Ⅰ是指产物的生成与细胞的生长相关的过程(上图a) ，此时产物通常是基质的分解代谢产物，代谢产物的生成与细胞的生长是同步的。动力学方程为：类型Ⅱ反应产物的生成与细胞生长仅有间接关系（上图b）。在细胞生长期内，基本无产物生成。动力学方程为：											 或																																																	 类型Ⅲ产物的生成与细胞的生长无直接联系(上图c) 。它的特点是当细胞处于生长阶段时，并无产物积累，而当细胞停止生长后，产物却大量生成。与μ之间的关系图第二节发酵过程的代谢变化规律一、分批发酵1. 概念分批发酵是指在一封闭培养系统内具有初始限制量基质的一种发酵方式2. 分批发酵过程的典型类型 简单反应a 、生长型：如产气杆菌（Aerobacter Cloacae ）的生长b 、非生长型：如黑曲霉（Aspegillus niger ）转化葡萄糖成为葡萄糖酸并行反应：如粘红酵母（Rhodotoruba glutirus ）相继反应：如假单孢菌（Pseudomonoas Oualis ）分段反应：。如大肠杆菌（E.Coli ）的二阶段式生长3. 分批发酵过程的生产率体积生产率是以每升发酵液每小时产生的产物克数（g/Lh ）表示的，是对发酵过程总成果的一种衡量。丝状微生物发酵的产物产率和基质的利用霉菌和其它丝状微生物的发酵产物产率和基质利用的动力学是很复杂的，典型的例子是青霉素发酵丝状微生物发酵过程获得高产的一般规律 (1) 在一固定的分批发酵时间内，存在一种得到最佳产率的最适的基质起始浓度。如果基质浓度太高，菌丝体生长过度，消耗大量基质导致“短周期发酵”现象的出现，造成产物生成量减少；如果基质浓度太低，菌丝体生长差，到产物生产期便没有足够的菌丝体制造产物。（2）为了提高产物形成速率，对菌丝分枝程度也须加以优化。如果菌丝体分枝过少，停滞期和发酵周期均延长。目前已知菌丝体的分枝程度与种子的生长状况有关，因此需寻找最适的种子培养条件。（3）为了提高氧的传递速率，对深层发酵过程似乎宜采用剧烈的搅拌，但是对于青霉素等利用丝状微生物的发酵过程来说，中等程度的搅拌对高产有利。对此有几种解释，普遍的认为是剧烈的搅拌所施加的剪切力会影响霉菌的形态，促进菌丝过多分枝，而使产量下降。二、连续发酵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在连续培养系统中，微生物细胞的浓度、比生长速率和环境条件（如营养物质浓度和产物浓度），均处于不随时间而变化的稳定状态之下连续培养的原理1、基于细胞量的物料平衡简化后：在连续培养技术中被称为稀释速率，用符号“D”表示（等于培养液在罐中平均停留时间的倒数）在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。2、基于限制性营养成分的物料平衡养分进入系统的速率－养分流出系统的速率－用于生长的养分消耗的速率－用于维持的养分消耗的速率－用于产物形成的养分消耗的速率＝养分在系统中积累的速率在稳定状态下，则以代入上式，得上式须符合以下假定细胞的得率系数假定与生长速率或稀释速率无关假定细胞浓度的绝对值与除限制性营养成分以外的所有营养成分无关限制性营养成分的细胞得率系数只受限制性养分的影响，但是其它环境因素如pH 、温度和溶解氧必须维持恒定产率 达到最大的细胞产率的稀释率，并不等于达到最大的细胞得率时的稀释率。因此，过程的最佳化往往必须采取折衷的方法，要同时考虑到产率、转化率和流出液的残留基质浓度。分批培养过程与连续培养过程产率的比较分批和连续培养产率的比较恒化器的实际运行情况与理论状态的对比 碳源限制性恒化器受N或硫酸盐限制的恒化器受K、Mg 或磷酸盐限制的恒化器非恒化连续培养连续培养过程中的主要问题 杂菌污染问题生产菌株突变问题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展成为主要的微生物群体。假设连续培养系统被外来的生物Y、Z和W污染，这些污染菌的积累速率可用以下物料平衡式表示：污染菌积累的速率＝污染菌进入的速率－污染菌流出的速率＋污染菌生长速率2. 生产菌株突变问题 微生物在复制过程中难免会出现差错引起突变，一旦在连续培养系统中的生产菌细胞群体中某一个细胞发生了突变，而且突变的结果使这一细胞获得在给定条件下高速生长的能力，那么它就有可能像杂菌Z一样，取代系统中原来的生产菌株，而使连续发酵过程失败。多种基质的发酵作用  在连续培养中，微生物对多种碳源的利用是同时进行的。使菌体同时利用多种碳源的关键因素是维持低浓度的分解代谢物。连续培养提供了利用多种基质的有利条件。混合培养多种微生物的联合作用构成了混合培养技术。在一种稳定的混合培养系统中，各种微生物群体的营养需求是各不相同的，而且是相互依赖的。连续培养技术可以建立起这种系统，因为它能创造一种具有高度选择性的只适于某一类微生物生存的条件，而使这类微生物得以积累。三、补料分批发酵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。补料分批发酵的特点使发酵系统中维持很低的基质浓度。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。四、固态发酵  固态发酵是微生物在固态培养基上生长和代谢的一种发酵方式。1.5 0.40 9.5 1.2 0.53 0.20 6.8 1.0 0.21 0.10 4.6 0.80 0.09 0.05 分批培养中最大比生长速率（h）分批培养中最大比生长速率（h）* * 细胞量的积累速率= 细胞生长速率－细胞的消失速率基质的消耗速率= 补料中基质的添加速率－生长消耗的基质速率－产物合成用去的基质速率－维持所消耗的基质速率－基质的移去速率产物形成的速率= 产物合成速率－产物移去速率－产物被破坏速率或或总生产率:  总生产率: 其中发酵过程总的运转周期为：细胞的进入速率－细胞的流出速率＋细胞的生长速率－细胞的死亡速率＝细胞的积累速率在连续培养系统达到稳定状态时，上式可变为：*