微生物工程(发酵)第八章技术技术分析.pptx

第八章 发酵动力学 8.1 概述 8.2 工业化发酵的类型 8.3 发酵动力学 8.4 发酵过程的优化 8.1 概述 研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联 反应动力学模型 反应器特性 + 反应器的操作模型 操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程 8.2 工业发酵的类型 分批发酵(Batch fermentation) 补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation) 8.2.1 分批培养 分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分逐渐减少，微生物得到繁殖； 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理、化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程； 8.2.1.1 分批发酵的特点 8.2.1.2 分批发酵的优缺点 优点 操作简单； 操作引起染菌的概率低； 不会产生菌种老化和变异等问题； 缺点 非生产时间较长、设备利用率低； 8.2.1.3 分批发酵的生长曲线 单细胞微生物 丝状真菌和放线菌 7.4.1.3 分批发酵的生长曲线 8.2.1.4 分批发酵的主要类型 按照菌体生长、碳源利用和产物生成间的关系： – 第一类型（生长关联型） – 第二类型（部分生长关联型） – 第三类型（生长无关联型） ① 第一类型（生长关联型） 产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体生长与产物形成不分开； ??例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵； 8.2.1.4 分批发酵的主要类型 ②第二类型（部分生长关联型） 产物来源于能量代谢所消耗的基质，但产物的形成在次级代谢中，菌体生长进入稳定期后，产物形成高峰； ??例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵； 8.2.1.4 分批发酵的主要类型 ③第三类型（生长无关联型） 产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利用中间代谢反应来形成的，即产物的形成和初级代谢是分开的 如抗生素发酵。 8.2.1.4 分批发酵的主要类型 8.2.1.5 分批发酵的分类对实践的指导意义 从上述分批发酵类型可分析得知： ??如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期； ??如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量； 8.2.2 半连续发酵 半连续发酵又称补料分批发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式； 在发酵过程中，只有料液的加入，没有料液的取出，所以在发酵结束时，发酵液的体积比发酵起始时要多； 8.2.2.1 半连续发酵的类型 补料方式 – 连续流加 – 不连续流加 – 多周期流加 ? 补料成分 – 单一组分流加 – 多组分流加 ? 控制方式 – 反馈控制 – 无反馈控制 8.2.2.2 半连续发酵的优缺点 优点 – 发酵系统中维持很低的基质浓度； – 和连续发酵比、不需要严格的无菌条件； – 不会产生菌种老化和变异等问题。 ? 缺点 – 存在一定的非生产时间； – 和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基， – 增加了染菌的危险； 8.2.3 连续发酵 培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式 8.2.3.1 连续发酵的类型 ? 恒化培养 – 使培养基中限制性基质的浓度保持恒定 ? 恒浊培养 – 使培养基中菌体的浓度保持恒定 8.2.3.2 连续发酵的优缺点 优点 – 能维持低基质浓度； – 可以提高设备利用率和单位时间的产量； – 便于自动控制。 ? 缺点 – 菌种发生变异的可能性较大； – 要求严格的无菌条件 8.3 发酵动力学(fermentation kinetics) ??反应动力学：研究反应速度变化规律的学科； ??发酵动力学：研究各种发酵过程变量在活细胞的作用下变化的规律，以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响，并以数学、工程学的原理定量描述； 8.3.1 发酵动力学的研究目的 通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（研究各种物理、化学因素的影响，为调控提供依据） 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势； 控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制； 8.3.2 发酵动力学的研究内容及方法 发酵动力学是以化学热力学（研究反应方向）和化学动力学（研究反应速度）为基础，对发酵过程的物质变化进行描述； 8.3.