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保兴生物:发酵动力学-批次发酵动力学

时间: 2019-10-11来源: 作者:

分批发酵动力学

微生物分批发酵动力学主要研究微生物在分批发酵过程中的生长动力学、基质消耗动力学和代谢产物生成动力学。



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分批发酵

分批发酵:是指将发酵培养基一次性投入发酵罐,经灭菌、接种和发酵后再一次性的将发酵液放出的一种操作方式。在发酵过程中,除了不断通气和发酵尾气的排出及因调节pH需加酸或碱外,整个系统与外界没有其他物资的交换。

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 。


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生长动力学



生长动力学:分批发酵过程中,根据微生物比生长速率(μ)和生物量(x)可以将整个生长阶段分为延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期(静止期)和衰亡期五个时期。


延迟期:菌体处于适应阶段,比生长速率接近“0”,细胞形态变大(长);细胞内RNA特别是rRNA含量增高;合成代谢活跃,易产生诱导酶;对外界不良条件敏感。影响稳定期时间长短的因素:①菌种,②接种物菌龄(对数生长期)③接种量(大,易形成优势)④培养基成分(合成与天然培养基)。

    当培养基中存在多种碳源,且利用存在先后时,就会出现多个延迟期,也就是所说的二次生长。

对数期:生物量成指数增长,比生长速率μ为最大比生长速率μmax,此时生物量成指数增长,培养基中营养底物浓度迅速下降,有害物质迅速积累。

减速期:由于限制性营养物质的减少和有害物质的累积,μ开始降低,只到为“0”

稳定期:比生长速率为0,生物量维持最大值,次级代谢产物大量合成。很多工艺就是寻求延长稳定期。

衰亡期:生物量迅速下降,由于限制性底物的消耗和有害物质的累积,就导致了细胞的死亡和裂解,从而释放大量胞内酶。



Monod方程

当没有抑制性底物时,可以用Monod方程来描述批次发酵的生长动力学。

KS,半速率常数(half-velocity constant)。在数 值上等于微生物比增长速率最大值一半时的底物浓度。表示微生物对底物的亲和力, Ks越大,亲和力越小, µ越小。

①  当S较高时,(对数期满足S>>10Ks),此时,µ= µm

②  当S较低时,(减速期, S<<10Ks),此时S↓,µ ↓

    ∴   减速期, µ ↓


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基质消耗动力学


基质消耗公式

基质总消耗=基质用于细胞生长消耗(G)+细胞生产产物消耗(P)+维持常数(M)



▼若生长阶段产物生成可以忽略,即

则基质消耗公式转换为


若生产阶段微生物生长可以忽略,即

基质消耗公转换为


Yx/s:基质生长得率系数;YG:专一生长得率系数;m:维持常数;qp:产物比生成速率;YP:产物专一得率系数;Yp/s:产物表观得率系数。



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产物生产动力学


根据发酵时间过程分析,微生物生长与产物合成存在以下三种关系:

与生长相关→生长偶联型

与生长部分相关→生长部分偶联型

与生长不相关→无关联