第六章發(fā)酵動力學(xué)發(fā)酵動力學(xué)：研究發(fā)酵過程中菌體生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。研究內(nèi)容：1）微生物生長過程中的質(zhì)量和能量平衡；2）發(fā)酵過程中菌體生長速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生成速率的相互關(guān)系；3）環(huán)境因素對三者的影響；4）工藝條件的控制。

研究目的：通過發(fā)酵動力學(xué)的研究來進行最佳發(fā)酵工藝條件的控制。發(fā)酵過程中菌體濃度、基質(zhì)濃度、溫度、pH值、溶解氧等工藝參數(shù)的控制方案，也需要在這些研究基礎(chǔ)上進行優(yōu)選。

研究內(nèi)容：研究目的：發(fā)酵動力學(xué)1第六章發(fā)酵動力學(xué)發(fā)酵動力學(xué)：研究發(fā)酵過程中菌體生長、第一節(jié)發(fā)酵過程動力學(xué)描述符號：基質(zhì)（S），菌體（X），產(chǎn)物（P）▲一、得率系數(shù)（Y）和維持常數(shù)1.生長得率系數(shù)定義：菌體的生長量相對于基質(zhì)消耗量的收得率。體現(xiàn)的是一時間段內(nèi)的總體變化情況。（1）——干菌體的生長量（以下同）定義式為：2第一節(jié)發(fā)酵過程動力學(xué)描述符號：基質(zhì)（S），菌體（X），在分批培養(yǎng)中，M的組成時刻都在變化，因此一般不為常數(shù)，某一時刻的稱為生物體的瞬時得率，其定義式為：3在分批培養(yǎng)中，M的組成時刻都在變化，因此2.產(chǎn)物得率系數(shù)定義：代謝產(chǎn)物合成量相對于基質(zhì)消耗量的收得率。分為實際產(chǎn)物得率和理論產(chǎn)物得率兩種。定義式分別為：（2）（3）例如：10g葡萄糖中有5g轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物（3g），另5g生成了2g干菌體，則實際產(chǎn)物得率為

，理論產(chǎn)物得率為

。30%(3/10)60%(3/5)YP/S<YPS(-△S)P—用于合成產(chǎn)物所消耗的基質(zhì)量42.產(chǎn)物得率系數(shù)定義：代謝產(chǎn)物合成量相對于基質(zhì)消耗量的收得以上的得率系數(shù)是基于底物完全用于細(xì)胞生長和產(chǎn)物生成的假設(shè)，但實際過程中人們發(fā)現(xiàn)底物進入細(xì)胞體后，還要用于細(xì)胞的維持代謝。5以上的得率系數(shù)是基于底物完全用于細(xì)胞生長和產(chǎn)物生成3.維持常數(shù)▲維持：指活細(xì)胞群體在沒有實質(zhì)性的生長（生長和死亡處于動態(tài)平衡）和沒有胞外代謝產(chǎn)物合成情況下的生命活動（如細(xì)胞的運動、細(xì)胞內(nèi)外各種物質(zhì)的交換、細(xì)胞物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和更新等）。維持常數(shù)：單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)因維持代謝消耗的能量。（4）m

越小，菌株的能量代謝效率越。高63.維持常數(shù)▲維持：指活細(xì)胞群體在沒有實質(zhì)性的生長（生長和1.菌體比生長速率（μ）菌體生長速率：

g/h或g/(L·h)

菌體比生長速率：h-1

▲二、比速率71.菌體比生長速率（μ）菌體生長速率：g/h或g/(L但是，在分批發(fā)酵的對數(shù)生長期，μ一般為常數(shù)。μ越大，說明這種M.B生長越快。一般情況下，μ值并非常數(shù)，它受菌種特性、T、pH值、M組成及濃度等條件的影響。8但是，在分批發(fā)酵的對數(shù)生長期，μ一般為常數(shù)。2.基質(zhì)比消耗速率（qs）基質(zhì)消耗速率:

g/h或g/(L·h)

基質(zhì)比消耗速率:h-1

92.基質(zhì)比消耗速率（qs）基質(zhì)消耗速率:g/h或g/(3.產(chǎn)物比生成速率（qp）產(chǎn)物生成速率:產(chǎn)物比生成速率:一般qP是μ

的函數(shù)，（后詳）103.產(chǎn)物比生成速率（qp）產(chǎn)物生成速率:產(chǎn)物比生成速率:基質(zhì)中的碳菌體中的碳＋產(chǎn)物中的碳＋CO2中的碳三、質(zhì)量與能量平衡1.碳元素平衡（5）—第i項基質(zhì)的含碳量

—每1g干菌體內(nèi)的碳含量—第j項產(chǎn)物的含碳量—CO2的含碳量11基質(zhì)中的碳菌體中的碳＋產(chǎn)物中的碳＋CO2中的基質(zhì)中的氮菌體中的氮+產(chǎn)物中的氮2.氮元素平衡（6）—第i項基質(zhì)含氮量—干菌體含氮量—第j項產(chǎn)物含氮量12基質(zhì)中的氮菌體中的氮+產(chǎn)物中的氮3.基質(zhì)平衡▲發(fā)酵中的基質(zhì)消耗通常用于菌體生長、活細(xì)胞維持、產(chǎn)物合成三方面：－ΔS＝(－ΔS)G＋(－ΔS)M＋(－ΔS)P

（7）取對發(fā)酵時間的微分形式，有：（8）

設(shè)YG為細(xì)胞(菌體)的生長得率系數(shù)：YP為產(chǎn)物得率系數(shù)：若產(chǎn)物生成可以忽略（即以生產(chǎn)細(xì)胞為目的）則－ΔS＝(－ΔS)G＋(－ΔS)M133.基質(zhì)平衡▲發(fā)酵中的基質(zhì)消耗通常用于菌體生長、活細(xì)胞維持YX/S和YP/S是針對總消耗的碳源而言的，而YG和YP分別是對用于細(xì)胞生長和產(chǎn)物形成所消耗的基質(zhì)而言的。因此，后兩者比前兩者稍大。

將YG和YP帶入（8）式得到：（9）取比速率形式（除以X）得：（10）14YX/S和YP/S是針對總消耗的碳源而言的，而YG和YP分別4.能量平衡物質(zhì)代謝的同時也伴隨著能量代謝。154.能量平衡物質(zhì)代謝的同時也伴隨著能量代謝。15第二節(jié)生物反應(yīng)模式與發(fā)酵方法▲一、生物反應(yīng)動力學(xué)分類1.根據(jù)產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長是否耦聯(lián)進行分類發(fā)酵產(chǎn)物的生成速率與菌體生長速率之間大致存在三種不同類型的關(guān)聯(lián)。（1）生長耦聯(lián)型有緊密聯(lián)系16第二節(jié)生物反應(yīng)模式與發(fā)酵方法▲一、生物反應(yīng)動力學(xué)分類1—以菌體細(xì)胞量為基準(zhǔn)的產(chǎn)物生成得率—產(chǎn)物比生成速率—菌體（細(xì)胞）比生長速率代謝產(chǎn)物的生成速率與細(xì)胞生長速率直接有關(guān)。通常是初級代謝產(chǎn)物。主要供給細(xì)胞生長的一類物質(zhì)，如乙醇、氨基酸、核苷酸等?！?7—以菌體細(xì)胞量為基準(zhǔn)的產(chǎn)物生成得率—產(chǎn)物比生成速率—（2）非生長耦聯(lián)型qP

∝

Xβ—非生長耦聯(lián)的比生產(chǎn)速率（常數(shù)

）此類型中產(chǎn)物的生成速率只與已有的菌體量有關(guān)，產(chǎn)物產(chǎn)率和濃度高低取決于細(xì)胞生長期結(jié)束時的生物量。該模式中，細(xì)胞生長時無產(chǎn)物；細(xì)胞停止生長后，產(chǎn)物大量積累。大分子類次級代謝產(chǎn)物，對細(xì)胞的代謝功能沒有明顯的影響，一般是在穩(wěn)定期形成。如抗生素等。但不是所有次級代謝產(chǎn)物一定是與生長無關(guān)聯(lián)的18（2）非生長耦聯(lián)型qP∝Xβ—非生長耦聯(lián)的比生產(chǎn)速（3）混合型/部分生長耦聯(lián)型α—與生長耦聯(lián)的產(chǎn)物形成系數(shù)β—非生長耦聯(lián)的比生產(chǎn)速率產(chǎn)物生成速率不但與菌體生長速率部分耦聯(lián)，還與菌體積累量有關(guān)。如乳酸、檸檬酸、Glu等的發(fā)酵。19（3）混合型/部分生長耦聯(lián)型α—與生長耦聯(lián)的產(chǎn)物形成系數(shù)生長耦聯(lián)型非生長耦聯(lián)型混合型/

部分生長耦聯(lián)型分批培養(yǎng)中產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長的關(guān)系20生長耦聯(lián)型非生長耦聯(lián)型混合型/部分生長耦聯(lián)型分批培養(yǎng)中產(chǎn)2.根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗的關(guān)系分類即碳源利用與產(chǎn)物形成速率的關(guān)系3種表6-1發(fā)酵過程的動力學(xué)分類類型特定的速率關(guān)系Ⅰ產(chǎn)物形成與碳源消耗直接有關(guān)Ⅱ產(chǎn)物形成與碳源消耗間接有關(guān)Ⅲ產(chǎn)物形成與碳源消耗無關(guān)212.根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗的關(guān)系分類即碳源利用與產(chǎn)物形成速比生長速率；糖消耗速率；產(chǎn)物比生長速率（1）第Ⅰ型第Ⅰ型又稱生長相關(guān)型。特點：是菌體生長、碳源利用和產(chǎn)物形成幾乎都在相同的時間出現(xiàn)高峰，即表現(xiàn)出產(chǎn)物形成直接與碳源利用有關(guān)。與碳源消耗有化學(xué)計量關(guān)系又分為兩種情況：菌體生長類型和代謝產(chǎn)物類型。平行進行22比生長速率；糖消耗速率；產(chǎn)（2）第Ⅱ型第Ⅱ型也稱生長部分相關(guān)型。特點：是M.B的生長和產(chǎn)物的形成是分開的，碳源的利用在這兩個時期都很高。這類產(chǎn)物一般產(chǎn)量較高。比生長速率；糖消耗速率；產(chǎn)物比生長速率23（2）第Ⅱ型第Ⅱ型也稱生長部分相關(guān)型。特點：是M.B的（3）第Ⅲ型第Ⅲ型又稱與生長不相關(guān)型。特點：是產(chǎn)物形成是在菌體生長停止后。產(chǎn)物形成與碳源利用無準(zhǔn)量關(guān)系。

次級代謝產(chǎn)物如抗生素、維生素多屬于此類，最高產(chǎn)量一般不超過碳源消耗量的10%。比生長速率；糖消耗速率；產(chǎn)物比生長速率24（3）第Ⅲ型第Ⅲ型又稱與生長不相關(guān)型。次第Ⅰ型第Ⅱ型第Ⅲ型abc

圖6-1按Gaden觀點而進行發(fā)酵類型的分類t/h比生長速率；糖消耗速率；產(chǎn)物比生長速率25第Ⅰ型第二、發(fā)酵方法▲發(fā)酵方法有分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵（流加發(fā)酵）等多種形式。1.分批發(fā)酵法（batchfermentation

）最為廣泛使用▲定義：在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)一次投料，一次接種，經(jīng)過若干時間的發(fā)酵后再將發(fā)酵液一次放出的發(fā)酵操作類型.單罐深層分批發(fā)酵法26二、發(fā)酵方法▲發(fā)酵方法有分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵（非恒態(tài)/非穩(wěn)態(tài)

發(fā)酵液中的細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均隨時間而不斷發(fā)生變化。如下圖所示：分批發(fā)酵過程中細(xì)菌的生長，可分為遲滯期、對數(shù)生長期、穩(wěn)定期和衰亡期。M.B經(jīng)歷著由生到死的一系列變化。27非恒態(tài)/非穩(wěn)態(tài)發(fā)酵液中的細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度培養(yǎng)時間（h）比生長速率活菌數(shù)非恒態(tài)/非穩(wěn)態(tài)

28培養(yǎng)時間（h）比生長速率活菌數(shù)非恒態(tài)/非穩(wěn)態(tài)282.連續(xù)發(fā)酵法（continuousfermentation）定義：當(dāng)微生物培養(yǎng)到對數(shù)生長期的后期時，以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮的無菌培養(yǎng)基，同時以相同速度從發(fā)酵罐中排出含有產(chǎn)物的培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，使培養(yǎng)物在近似恒定狀態(tài)下生長的培養(yǎng)方法。開放系統(tǒng)、F292.連續(xù)發(fā)酵法（continuousfermentati連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點：p150表6-3連續(xù)發(fā)酵所使用的設(shè)備因此，M.B的生長和代謝終保持旺盛的穩(wěn)定狀態(tài)，能達到穩(wěn)定高速培養(yǎng)微生物或產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物的目的。

同時，pH值、溫度、M濃度、溶解氧等都保持恒定，因此菌體的生長速率是恒定的。從定義知：當(dāng)微生物培養(yǎng)到對數(shù)生長期時······恒態(tài)30連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點：p150表6-3連續(xù)發(fā)酵所使用的設(shè)備和分批培養(yǎng)相比，連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)點有：①可以維持穩(wěn)定的操作條件，所以產(chǎn)品質(zhì)量相對穩(wěn)定；②能實現(xiàn)機械化和自動化，降低了勞動強度，減少了染菌機會；③減少設(shè)備清洗、準(zhǔn)備和滅菌等非生產(chǎn)時間，提高了設(shè)備利用效率；④容易對過程進行優(yōu)化。31和分批培養(yǎng)相比，連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)點有：31連續(xù)培養(yǎng)法的缺點：①需要專門儀器，投資高；②由于是開放系統(tǒng)，加上反應(yīng)周期長，容易染菌；③在長周期連續(xù)培養(yǎng)中，菌種易于退化；④營養(yǎng)物的利用率一般低于單批培養(yǎng)；⑤新加入的培養(yǎng)基與原有的培養(yǎng)基不易完全混合，影響培養(yǎng)和營養(yǎng)物質(zhì)的利用。32連續(xù)培養(yǎng)法的缺點：32連續(xù)培養(yǎng)器的類型同樣很多，如下表：連續(xù)培養(yǎng)重要特征是使微生物增殖速度和代謝活性處于穩(wěn)定狀態(tài)。連續(xù)培養(yǎng)方法按控制方法可分為恒濁器法和恒化器法。33連續(xù)培養(yǎng)器的類型同樣很多，如下表：33操作：通過光電管檢測恒濁器中培養(yǎng)物的吸光值，M流速可自動調(diào)節(jié)，使培養(yǎng)物濁度或細(xì)胞密度保持在一個預(yù)先設(shè)定值（內(nèi)控制）。原理：維持細(xì)胞（或菌）濃度不變（反映細(xì)胞濃度的濁度）。特點：基質(zhì)過量，菌以最高速率生長；但工藝復(fù)雜，煩瑣。主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。（1）恒濁培養(yǎng)34操作：通過光電管檢測恒濁器中培養(yǎng)物的吸光值，M流速可自動調(diào)節(jié)（2）恒化培養(yǎng)35（2）恒化培養(yǎng)35概念：利用恒化器進行連續(xù)培養(yǎng)時，向其中加入無菌新鮮M的速度（外控制）與排出含菌培養(yǎng)液的速度相同，將M中的某種生長限制因子（如碳源、氮源、生長因子、無機鹽等）的濃度控制在恒定范圍。原理：恒化器內(nèi)M.B生長速度由向容器中加入新鮮M的速度決定，最終細(xì)胞濃度依賴于限制性營養(yǎng)物的濃度。特點：維持營養(yǎng)成分的低濃度，控制微生物生長速率（低于最高速率）。主要應(yīng)用在實驗室。營養(yǎng)物質(zhì)更新的速度叫稀釋率（D）36概念：利用恒化器進行連續(xù)培養(yǎng)時，向其中加入無菌新鮮M的速度（37373.補料分批發(fā)酵法（fed-batchfermentation）又稱半連續(xù)發(fā)酵法或流加發(fā)酵法▲定義：在微生物的分批培養(yǎng)過程中，向發(fā)酵罐中間歇或連續(xù)地補加一種或多種無菌的限制性底物，直到培養(yǎng)結(jié)束后才排出培養(yǎng)液的一種發(fā)酵操作方式。流加發(fā)酵操作能使發(fā)酵系統(tǒng)中保持低的營養(yǎng)物濃度。一方面可解除底物的抑制、產(chǎn)物的反饋抑制和Glc分解阻遏效應(yīng)；另一方面又避免了培養(yǎng)基積累某些有毒代謝物，而且還可以起到稀釋發(fā)酵液以降低粘度的作用。383.補料分批發(fā)酵法（fed-batchfermentat由于流加發(fā)酵可以延長細(xì)胞對數(shù)生長期和平衡期的持續(xù)時間，增加生物量和細(xì)胞代謝產(chǎn)物的積累，因此發(fā)酵工業(yè)中廣泛采用這種培養(yǎng)方式進行生產(chǎn)。GSH的分批發(fā)酵過程高濃度葡萄糖恒速流加下GSH發(fā)酵過程39由于流加發(fā)酵可以延長細(xì)胞對數(shù)生長期和平衡期的按補料方式分： 連續(xù)補料、不連續(xù)補料和多周期補料等；按補料速率分： 快速補料、恒速補料、指數(shù)速度補料和變速補料；按反應(yīng)器中發(fā)酵液體積分： 變體積補料和恒體積補料；按反應(yīng)器數(shù)目分： 單級補料和多級補料；按補加的培養(yǎng)基分： 單一組分補料和多組分補料等。補料分批發(fā)酵的類型40按補料方式分：補料分批發(fā)酵的類型40第三節(jié)微生物發(fā)酵動力學(xué)一、分批發(fā)酵動力學(xué)1.分批發(fā)酵的不同階段（1）遲滯期適應(yīng)新環(huán)境X幾乎沒有增加細(xì)胞個體增大合成有關(guān)水解酶來利用營養(yǎng)物質(zhì)遲滯期長短與……有關(guān)。（2）對數(shù)生長期活力旺盛快速分裂繁殖顯示對數(shù)生長41第三節(jié)微生物發(fā)酵動力學(xué)一、分批發(fā)酵動力學(xué)1.分批發(fā)酵在此階段，培養(yǎng)基成分雖然發(fā)生改變，但細(xì)胞的生長速率維持恒定且達到最大。當(dāng)培養(yǎng)基中營養(yǎng)物過量時，生長速度與營養(yǎng)物濃度無關(guān)：積分得：如果細(xì)胞數(shù)量倍增，X2＝2X1，則所需要的倍增時間td

為：42在此階段，培養(yǎng)基成分雖然發(fā)生改變，但細(xì)胞的生長一般說來，細(xì)菌的倍增時間為15~60min，酵母為45~120min，霉菌為2~8h。p155表6-6（3）穩(wěn)定期營養(yǎng)物消耗或有毒物質(zhì)形成，生長速度下降直至停止。這時細(xì)胞增加速度和死亡速度達到平衡，進入穩(wěn)定期。DCW基本恒定，細(xì)胞性能相對穩(wěn)定。二次生長由于細(xì)胞的自溶作用，胞內(nèi)的一些物質(zhì)可以作為尚存活細(xì)胞的營養(yǎng)物質(zhì)而繼續(xù)緩慢地生長43一般說來，細(xì)菌的倍增時間為15~60m（4）衰亡期能量耗完和有毒物質(zhì)積累，細(xì)胞開始自溶而死亡。時間長短取決于M.B的種類和M的類型。

二次生長的生長曲線44（4）衰亡期能量耗完和有毒物質(zhì)積累，細(xì)胞開時間菌體濃度延遲期對數(shù)生長期穩(wěn)定期衰亡期延遲期：對數(shù)生長期:穩(wěn)定期：;衰亡期:45時間菌體濃度延遲期對數(shù)生長期穩(wěn)定期衰亡期延遲期：對數(shù)生長期:★（1）Monod方程式1942年，Monod最先發(fā)現(xiàn)，μ與[S]符合以下方程：——菌體最大比生長速率h-1[S]——生長限制性基質(zhì)的濃度g/L或mol/L——飽和常數(shù)g/L或mol/L2.微生物分批培養(yǎng)的生長動力學(xué)46★（1）Monod方程式1942年，Monod最先發(fā)現(xiàn)，μ與Monod方程式與酶學(xué)中的米氏方程十分相似，但屬于經(jīng)驗式。Monod方程式是目前應(yīng)用最為普遍的微生物生長動力學(xué)方程式，表達了微生物比生長速率與生長限制性基質(zhì)（一般為C源）濃度之間的定量關(guān)系。47Monod方程式與酶學(xué)中的米氏方程十分相似，是當(dāng)比生長速率μ達到最大比生長速率μm一半時的生長限制性基質(zhì)濃度。當(dāng)

時，KS=[S]可見，飽和常數(shù)KS的物理意義的大小表示了微生物對基質(zhì)吸收親和力的強弱。48

大多數(shù)M.B的KS是很小的（一般為0.1~120mg/L或0.01~3.0mmol/L），表明M.B對營養(yǎng)物有較高的吸收親和力。μm

隨M.B的種類和培養(yǎng)條件而異。種類：比如細(xì)菌的μm大于真菌的μm。培養(yǎng)條件：對同一M.B而言，T升高，μm增大；營養(yǎng)物質(zhì)容易被利用時μm較大。49大多數(shù)M.B的KS是很小的（一般為0.1~1!Monod方程成立是基于以下假設(shè)：只適用于單一基質(zhì)限制及不存在抑制性物質(zhì)的情況。也就是說，除了一種生長限制性基質(zhì)外，其它必需營養(yǎng)都是過量的，但是這種過量又不致引起對生長的抑制，在生長過程中也沒有抑制性產(chǎn)物生成。i）當(dāng)限制性基質(zhì)濃度[S]很低時，[S]<<KSμ

∝[S]

KS+[S]≈KS，Monod方程可以簡化為：50!Monod方程成立是基于以下假設(shè)：只適用于單一基質(zhì)限制及ii）當(dāng)限制性基質(zhì)濃度[S]很大時，[S]>>KSKS+[S]≈[S]，Monod方程可以簡化為：但實際中通常并非如此，因為[S]很大時，容易產(chǎn)生基質(zhì)抑制或產(chǎn)物抑制。實際中的μ~[S]曲線如課本p156圖6-9所示。51ii）當(dāng)限制性基質(zhì)濃度[S]很大時，[S]>>KSKS（2）動力學(xué)參數(shù)的確定利用雙倒數(shù)作圖法可求出KS和μm。將Monod方程兩邊同時取倒數(shù)，有：[S]已知，μ可由實驗計算得出：

~的關(guān)系圖52（2）動力學(xué)參數(shù)的確定利用雙倒數(shù)作圖法可求出例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，測得實驗數(shù)據(jù)如下：S(mg/L)613334064102122153170221μ(h-1)0.060.120.240.310.430.530.600.660.690.70求在該培養(yǎng)條件下，大腸桿菌的μm、Ks和td?53例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，測得實驗數(shù)據(jù)如下：S(mg/Monod方程式是在假設(shè)的基礎(chǔ)上成立的，沒有考慮很多因素（比如維持代謝、延滯期等），實際上除了Monod方程式，還有許多有關(guān)細(xì)胞比生長速率（μ）與限制性基質(zhì)濃度（[S]）關(guān)系的方程式。當(dāng)存在多種限制性基質(zhì)時，方程可改寫為：54Monod方程式是在假設(shè)的基礎(chǔ)上成立的，沒有（3）其它生長動力學(xué)方程式①菌體自身抑制（種群競爭）菌體濃度的增加對自身生長也會產(chǎn)生抑制作用，此時可以用Logistic方程較好地進行描述。②基質(zhì)抑制生長動力學(xué)55（3）其它生長動力學(xué)方程式①菌體自身抑制（種群競爭）Ki’—產(chǎn)物抑制常數(shù)L/g或L/mol[P]—產(chǎn)物濃度g/L或mol/L當(dāng)微生物生長被其自身代謝產(chǎn)物抑制時，有以下幾種動力學(xué)方程式可以表達：③產(chǎn)物抑制生長動力學(xué)56Ki’—產(chǎn)物抑制常數(shù)L/g或L/m3.微生物分批培養(yǎng)的基質(zhì)消耗動力學(xué)∵∴或通常YG和m很難測定所以由曲線雙倒數(shù)作圖可求出YG

和m

P165573.微生物分批培養(yǎng)的基質(zhì)消耗動力學(xué)∵∴或通常YG和mLeudeking和Piret模型。這一經(jīng)典模型用于描述微生物代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)。它把產(chǎn)物形成速率看作是菌體生長速率和菌體量的函數(shù)。用數(shù)學(xué)式表示為：4.分批培養(yǎng)的產(chǎn)物形成速率取比速率形式：——與菌體生長速率關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物合成常數(shù)——與菌體生長量關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物合成常數(shù)58Leudeking和Piret模型。這一經(jīng)典模型用于描述微生按不同的α和β常數(shù)值可將上述產(chǎn)物合成動力學(xué)分為以下幾種類型：①當(dāng)α>0，β

=0時，為生長耦聯(lián)型；②當(dāng)α>

0，β>

0時，為部分生長耦聯(lián)型；③當(dāng)α=0，β

>0時，為非生長耦聯(lián)型。59按不同的α和β常數(shù)值可將上述產(chǎn)物合成動力學(xué)分5.分批培養(yǎng)的細(xì)胞死亡動力學(xué)—細(xì)胞比死亡率h-1—細(xì)胞最大比死亡率h-1—細(xì)胞死亡常數(shù)605.分批培養(yǎng)的細(xì)胞死亡動力學(xué)—細(xì)胞比死亡率6.分批培養(yǎng)的生產(chǎn)率（生產(chǎn)強度）（g·h-1·L-1）

生產(chǎn)時間在計算時間時，不僅包括發(fā)酵時間，還應(yīng)包括放罐、清洗、裝料和消毒時間以及遲滯期所消耗的時間。

616.分批培養(yǎng)的生產(chǎn)率（生產(chǎn)強度）（g·h-1·L-1）生二、連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)1、單罐（級）連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)F：培養(yǎng)基的流速（L·h-1）X0

=0、F62二、連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)1、單罐（級）連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)F前提和假設(shè)：a）在穩(wěn)定狀態(tài)下單罐連續(xù)發(fā)酵的物料平衡，各參數(shù)變化為0；b）假定培養(yǎng)基中每一點濃度都沒有差別，即完全均勻混合或勻態(tài)，也指連續(xù)發(fā)酵過程中菌體、基質(zhì)、氧等在培養(yǎng)基中均是混合均勻的；c）假定細(xì)胞完全沒有死亡（比死亡速率μd＝0），即連續(xù)發(fā)酵物料平衡中的死亡菌數(shù)量為0。63前提和假設(shè)：63（1）

細(xì)胞的物料平衡積累的細(xì)胞＝流入－流出＋生長－死亡的細(xì)胞即

式中，X0、X—分別表示流入和流出發(fā)酵罐的細(xì)胞濃度(g/L);F—培養(yǎng)基流速(L/h)；V—罐內(nèi)發(fā)酵液體積(L)

μ和μd分別為比生長速率和比死亡速率（h-1）以及罐內(nèi)、F64（1）細(xì)胞的物料平衡積累的細(xì)胞＝流入－流出＋生長－死亡的細(xì)對于普通單級恒化器發(fā)酵而言，料液為新鮮培養(yǎng)基，即X0＝0；在大多數(shù)連續(xù)培養(yǎng)中，μ>>μd，則上式可簡化為：定義稀釋率（h-1），在恒定狀態(tài)時，則有：μ＝F/V

★即在恒定狀態(tài)時（或者說連續(xù)發(fā)酵時），μ＝D在一定范圍內(nèi)，人為調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的流加速率F（因D＝F/V，而V一般不變），可使細(xì)胞按所希望的比生長速率μ來生長。65對于普通單級恒化器發(fā)酵而言，料液為新鮮培養(yǎng)稀釋率D的單位與比生長速率μ的單位相同，都為h-1，其含義為單位時間內(nèi)新進入的培養(yǎng)基體積（F）占罐內(nèi)培養(yǎng)液總體積（V）的分?jǐn)?shù)。

D的倒數(shù)（1/D），表示培養(yǎng)液在罐中的平均停留時間（h）。66稀釋率D的單位與比生長速率μ的單位相同，都為若μ>D，則dX/dt>0，培養(yǎng)液中微生物濃度將隨時間而增加；若μ<D，則dX/dt<0，即細(xì)胞濃度因培養(yǎng)物被“洗出”發(fā)酵罐而減少；只有當(dāng)μ＝D時，dX/dt＝0，培養(yǎng)物中菌體的濃度不隨時間而變化，即微生物在單罐連續(xù)發(fā)酵時達到穩(wěn)定狀態(tài)。67若μ>D，則dX/dt>0，培養(yǎng)液中微生物濃度將隨時間而增加（2）限制性營養(yǎng)物的物料平衡積累的營養(yǎng)物＝流入―流出―生長消耗―維持所需―形成產(chǎn)物消耗的營養(yǎng)物S0、S—分別表示流入和流出發(fā)酵罐的營養(yǎng)物濃度(g/L)；F—培養(yǎng)基流速(L/h)；V—罐內(nèi)發(fā)酵液體積(L)；YX/S為細(xì)胞的得率系數(shù)；YP/S為產(chǎn)物的得率系數(shù)；qp為產(chǎn)物的比生成速率。以及罐內(nèi)、F68（2）限制性營養(yǎng)物的物料平衡積累的營養(yǎng)物＝流入―流出―生長消通常，對限制性基質(zhì)的維持需求往往是很低的（即mX<<μX/YX/S），而且形成的產(chǎn)物也可忽略。故在恒定狀態(tài)下（dS/dt＝0），上式可簡化為：因為恒定狀態(tài)時D＝μ，所以（1）因為D＝μ，一直處于對數(shù)生長期。所以主要用于生產(chǎn)菌體或細(xì)胞要求會推導(dǎo)此式69通常，對限制性基質(zhì)的維持需求往往是很低的（為了使細(xì)胞濃度X、營養(yǎng)物濃度S和稀釋率D關(guān)聯(lián)起來，需要利用Monod方程（3）細(xì)胞濃度與稀釋率的關(guān)系把D＝μ代入得：DC為臨界稀釋率，即在恒化器中可能達到的最大稀釋率DC通常相當(dāng)于分批發(fā)酵中細(xì)胞的最大比生長速率μm，即μm=DC（2）70為了使細(xì)胞濃度X、營養(yǎng)物濃度S和稀釋率D關(guān)聯(lián)可見，（3）式和（4）式分別表示了S和X對稀釋率D（或培養(yǎng)基流速）的依賴關(guān)系。具體情況是：將μm=DC帶入（2）式得：將（3）式帶入（1）式可得到：（3）細(xì)胞濃度X為：∴（4）要求會推導(dǎo)此式71可見，（3）式和（4）式分別表示了S和X對稀釋率D（或培養(yǎng)（3）（4）（2）當(dāng)D增加時，對X來說，起初X呈線性慢慢下降，當(dāng)D＝DC＝μm時，X→0，即達到清洗點，培養(yǎng)液中微生物全部被沖出；可見：（1）當(dāng)D很小時，S→0，營養(yǎng)物全部被細(xì)胞利用，而細(xì)胞濃度X＝S0YX/S；而對S來說，起初S隨D的增加而緩慢增加，但當(dāng)D＝μm時，S→S0，營養(yǎng)物幾乎沒利用。72（3）（4）（2）當(dāng)D增加時，對X來說，起初X呈線性慢慢下降稀釋率（D）對營養(yǎng)物濃度（S）和細(xì)胞濃度（X）的影響73稀釋率（D）對營養(yǎng)物濃度（S）和細(xì)胞濃度（X）的影響732.連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)率與分批發(fā)酵生產(chǎn)率的比較在工業(yè)生產(chǎn)中，連續(xù)培養(yǎng)主要用于生產(chǎn)微生物菌體或細(xì)胞。連續(xù)培養(yǎng)的生產(chǎn)率：通常，μm越大，采用連續(xù)培養(yǎng)越有利。將（4）式帶入（5）式得：（5）（6）為得到最大生產(chǎn)率Pm，可求（6）式的一階導(dǎo)數(shù)并使其為零，由此得到Dm，將Dm代入（4）式可得到Xm，從而得到Pm。742.連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)率與分批發(fā)酵生產(chǎn)率的比較在工業(yè)生產(chǎn)三、發(fā)酵工藝最優(yōu)化控制

1、明確控制目標(biāo)三高：產(chǎn)量、產(chǎn)率、效率2、明確影響因素qP3、確定實現(xiàn)目標(biāo)值的方法4、確定最佳工藝5、實施最佳工藝影響qP的主要因素：理化因素、生物因素目標(biāo)值包括qPm和μm營養(yǎng)條件和環(huán)境條件75三、發(fā)酵工藝最優(yōu)化控制1、明確控制目標(biāo)三高：產(chǎn)量、產(chǎn)第六章發(fā)酵動力學(xué)發(fā)酵動力學(xué)：研究發(fā)酵過程中菌體生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。研究內(nèi)容：1）微生物生長過程中的質(zhì)量和能量平衡；2）發(fā)酵過程中菌體生長速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生成速率的相互關(guān)系；3）環(huán)境因素對三者的影響；4）工藝條件的控制。

研究目的：通過發(fā)酵動力學(xué)的研究來進行最佳發(fā)酵工藝條件的控制。發(fā)酵過程中菌體濃度、基質(zhì)濃度、溫度、pH值、溶解氧等工藝參數(shù)的控制方案，也需要在這些研究基礎(chǔ)上進行優(yōu)選。

研究內(nèi)容：研究目的：發(fā)酵動力學(xué)76第六章發(fā)酵動力學(xué)發(fā)酵動力學(xué)：研究發(fā)酵過程中菌體生長、第一節(jié)發(fā)酵過程動力學(xué)描述符號：基質(zhì)（S），菌體（X），產(chǎn)物（P）▲一、得率系數(shù)（Y）和維持常數(shù)1.生長得率系數(shù)定義：菌體的生長量相對于基質(zhì)消耗量的收得率。體現(xiàn)的是一時間段內(nèi)的總體變化情況。（1）——干菌體的生長量（以下同）定義式為：77第一節(jié)發(fā)酵過程動力學(xué)描述符號：基質(zhì)（S），菌體（X），在分批培養(yǎng)中，M的組成時刻都在變化，因此一般不為常數(shù)，某一時刻的稱為生物體的瞬時得率，其定義式為：78在分批培養(yǎng)中，M的組成時刻都在變化，因此2.產(chǎn)物得率系數(shù)定義：代謝產(chǎn)物合成量相對于基質(zhì)消耗量的收得率。分為實際產(chǎn)物得率和理論產(chǎn)物得率兩種。定義式分別為：（2）（3）例如：10g葡萄糖中有5g轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物（3g），另5g生成了2g干菌體，則實際產(chǎn)物得率為

，理論產(chǎn)物得率為

。30%(3/10)60%(3/5)YP/S<YPS(-△S)P—用于合成產(chǎn)物所消耗的基質(zhì)量792.產(chǎn)物得率系數(shù)定義：代謝產(chǎn)物合成量相對于基質(zhì)消耗量的收得以上的得率系數(shù)是基于底物完全用于細(xì)胞生長和產(chǎn)物生成的假設(shè)，但實際過程中人們發(fā)現(xiàn)底物進入細(xì)胞體后，還要用于細(xì)胞的維持代謝。80以上的得率系數(shù)是基于底物完全用于細(xì)胞生長和產(chǎn)物生成3.維持常數(shù)▲維持：指活細(xì)胞群體在沒有實質(zhì)性的生長（生長和死亡處于動態(tài)平衡）和沒有胞外代謝產(chǎn)物合成情況下的生命活動（如細(xì)胞的運動、細(xì)胞內(nèi)外各種物質(zhì)的交換、細(xì)胞物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和更新等）。維持常數(shù)：單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)因維持代謝消耗的能量。（4）m

越小，菌株的能量代謝效率越。高813.維持常數(shù)▲維持：指活細(xì)胞群體在沒有實質(zhì)性的生長（生長和1.菌體比生長速率（μ）菌體生長速率：

g/h或g/(L·h)

菌體比生長速率：h-1

▲二、比速率821.菌體比生長速率（μ）菌體生長速率：g/h或g/(L但是，在分批發(fā)酵的對數(shù)生長期，μ一般為常數(shù)。μ越大，說明這種M.B生長越快。一般情況下，μ值并非常數(shù)，它受菌種特性、T、pH值、M組成及濃度等條件的影響。83但是，在分批發(fā)酵的對數(shù)生長期，μ一般為常數(shù)。2.基質(zhì)比消耗速率（qs）基質(zhì)消耗速率:

g/h或g/(L·h)

基質(zhì)比消耗速率:h-1

842.基質(zhì)比消耗速率（qs）基質(zhì)消耗速率:g/h或g/(3.產(chǎn)物比生成速率（qp）產(chǎn)物生成速率:產(chǎn)物比生成速率:一般qP是μ

的函數(shù)，（后詳）853.產(chǎn)物比生成速率（qp）產(chǎn)物生成速率:產(chǎn)物比生成速率:基質(zhì)中的碳菌體中的碳＋產(chǎn)物中的碳＋CO2中的碳三、質(zhì)量與能量平衡1.碳元素平衡（5）—第i項基質(zhì)的含碳量

—每1g干菌體內(nèi)的碳含量—第j項產(chǎn)物的含碳量—CO2的含碳量86基質(zhì)中的碳菌體中的碳＋產(chǎn)物中的碳＋CO2中的基質(zhì)中的氮菌體中的氮+產(chǎn)物中的氮2.氮元素平衡（6）—第i項基質(zhì)含氮量—干菌體含氮量—第j項產(chǎn)物含氮量87基質(zhì)中的氮菌體中的氮+產(chǎn)物中的氮3.基質(zhì)平衡▲發(fā)酵中的基質(zhì)消耗通常用于菌體生長、活細(xì)胞維持、產(chǎn)物合成三方面：－ΔS＝(－ΔS)G＋(－ΔS)M＋(－ΔS)P

（7）取對發(fā)酵時間的微分形式，有：（8）

設(shè)YG為細(xì)胞(菌體)的生長得率系數(shù)：YP為產(chǎn)物得率系數(shù)：若產(chǎn)物生成可以忽略（即以生產(chǎn)細(xì)胞為目的）則－ΔS＝(－ΔS)G＋(－ΔS)M883.基質(zhì)平衡▲發(fā)酵中的基質(zhì)消耗通常用于菌體生長、活細(xì)胞維持YX/S和YP/S是針對總消耗的碳源而言的，而YG和YP分別是對用于細(xì)胞生長和產(chǎn)物形成所消耗的基質(zhì)而言的。因此，后兩者比前兩者稍大。

將YG和YP帶入（8）式得到：（9）取比速率形式（除以X）得：（10）89YX/S和YP/S是針對總消耗的碳源而言的，而YG和YP分別4.能量平衡物質(zhì)代謝的同時也伴隨著能量代謝。904.能量平衡物質(zhì)代謝的同時也伴隨著能量代謝。15第二節(jié)生物反應(yīng)模式與發(fā)酵方法▲一、生物反應(yīng)動力學(xué)分類1.根據(jù)產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長是否耦聯(lián)進行分類發(fā)酵產(chǎn)物的生成速率與菌體生長速率之間大致存在三種不同類型的關(guān)聯(lián)。（1）生長耦聯(lián)型有緊密聯(lián)系91第二節(jié)生物反應(yīng)模式與發(fā)酵方法▲一、生物反應(yīng)動力學(xué)分類1—以菌體細(xì)胞量為基準(zhǔn)的產(chǎn)物生成得率—產(chǎn)物比生成速率—菌體（細(xì)胞）比生長速率代謝產(chǎn)物的生成速率與細(xì)胞生長速率直接有關(guān)。通常是初級代謝產(chǎn)物。主要供給細(xì)胞生長的一類物質(zhì)，如乙醇、氨基酸、核苷酸等?！?2—以菌體細(xì)胞量為基準(zhǔn)的產(chǎn)物生成得率—產(chǎn)物比生成速率—（2）非生長耦聯(lián)型qP

∝

Xβ—非生長耦聯(lián)的比生產(chǎn)速率（常數(shù)

）此類型中產(chǎn)物的生成速率只與已有的菌體量有關(guān)，產(chǎn)物產(chǎn)率和濃度高低取決于細(xì)胞生長期結(jié)束時的生物量。該模式中，細(xì)胞生長時無產(chǎn)物；細(xì)胞停止生長后，產(chǎn)物大量積累。大分子類次級代謝產(chǎn)物，對細(xì)胞的代謝功能沒有明顯的影響，一般是在穩(wěn)定期形成。如抗生素等。但不是所有次級代謝產(chǎn)物一定是與生長無關(guān)聯(lián)的93（2）非生長耦聯(lián)型qP∝Xβ—非生長耦聯(lián)的比生產(chǎn)速（3）混合型/部分生長耦聯(lián)型α—與生長耦聯(lián)的產(chǎn)物形成系數(shù)β—非生長耦聯(lián)的比生產(chǎn)速率產(chǎn)物生成速率不但與菌體生長速率部分耦聯(lián)，還與菌體積累量有關(guān)。如乳酸、檸檬酸、Glu等的發(fā)酵。94（3）混合型/部分生長耦聯(lián)型α—與生長耦聯(lián)的產(chǎn)物形成系數(shù)生長耦聯(lián)型非生長耦聯(lián)型混合型/

部分生長耦聯(lián)型分批培養(yǎng)中產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長的關(guān)系95生長耦聯(lián)型非生長耦聯(lián)型混合型/部分生長耦聯(lián)型分批培養(yǎng)中產(chǎn)2.根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗的關(guān)系分類即碳源利用與產(chǎn)物形成速率的關(guān)系3種表6-1發(fā)酵過程的動力學(xué)分類類型特定的速率關(guān)系Ⅰ產(chǎn)物形成與碳源消耗直接有關(guān)Ⅱ產(chǎn)物形成與碳源消耗間接有關(guān)Ⅲ產(chǎn)物形成與碳源消耗無關(guān)962.根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗的關(guān)系分類即碳源利用與產(chǎn)物形成速比生長速率；糖消耗速率；產(chǎn)物比生長速率（1）第Ⅰ型第Ⅰ型又稱生長相關(guān)型。特點：是菌體生長、碳源利用和產(chǎn)物形成幾乎都在相同的時間出現(xiàn)高峰，即表現(xiàn)出產(chǎn)物形成直接與碳源利用有關(guān)。與碳源消耗有化學(xué)計量關(guān)系又分為兩種情況：菌體生長類型和代謝產(chǎn)物類型。平行進行97比生長速率；糖消耗速率；產(chǎn)（2）第Ⅱ型第Ⅱ型也稱生長部分相關(guān)型。特點：是M.B的生長和產(chǎn)物的形成是分開的，碳源的利用在這兩個時期都很高。這類產(chǎn)物一般產(chǎn)量較高。比生長速率；糖消耗速率；產(chǎn)物比生長速率98（2）第Ⅱ型第Ⅱ型也稱生長部分相關(guān)型。特點：是M.B的（3）第Ⅲ型第Ⅲ型又稱與生長不相關(guān)型。特點：是產(chǎn)物形成是在菌體生長停止后。產(chǎn)物形成與碳源利用無準(zhǔn)量關(guān)系。

次級代謝產(chǎn)物如抗生素、維生素多屬于此類，最高產(chǎn)量一般不超過碳源消耗量的10%。比生長速率；糖消耗速率；產(chǎn)物比生長速率99（3）第Ⅲ型第Ⅲ型又稱與生長不相關(guān)型。次第Ⅰ型第Ⅱ型第Ⅲ型abc

圖6-1按Gaden觀點而進行發(fā)酵類型的分類t/h比生長速率；糖消耗速率；產(chǎn)物比生長速率100第Ⅰ型第二、發(fā)酵方法▲發(fā)酵方法有分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵（流加發(fā)酵）等多種形式。1.分批發(fā)酵法（batchfermentation

）最為廣泛使用▲定義：在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)一次投料，一次接種，經(jīng)過若干時間的發(fā)酵后再將發(fā)酵液一次放出的發(fā)酵操作類型.單罐深層分批發(fā)酵法101二、發(fā)酵方法▲發(fā)酵方法有分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵（非恒態(tài)/非穩(wěn)態(tài)

發(fā)酵液中的細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均隨時間而不斷發(fā)生變化。如下圖所示：分批發(fā)酵過程中細(xì)菌的生長，可分為遲滯期、對數(shù)生長期、穩(wěn)定期和衰亡期。M.B經(jīng)歷著由生到死的一系列變化。102非恒態(tài)/非穩(wěn)態(tài)發(fā)酵液中的細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度培養(yǎng)時間（h）比生長速率活菌數(shù)非恒態(tài)/非穩(wěn)態(tài)

103培養(yǎng)時間（h）比生長速率活菌數(shù)非恒態(tài)/非穩(wěn)態(tài)282.連續(xù)發(fā)酵法（continuousfermentation）定義：當(dāng)微生物培養(yǎng)到對數(shù)生長期的后期時，以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮的無菌培養(yǎng)基，同時以相同速度從發(fā)酵罐中排出含有產(chǎn)物的培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，使培養(yǎng)物在近似恒定狀態(tài)下生長的培養(yǎng)方法。開放系統(tǒng)、F1042.連續(xù)發(fā)酵法（continuousfermentati連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點：p150表6-3連續(xù)發(fā)酵所使用的設(shè)備因此，M.B的生長和代謝終保持旺盛的穩(wěn)定狀態(tài)，能達到穩(wěn)定高速培養(yǎng)微生物或產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物的目的。

同時，pH值、溫度、M濃度、溶解氧等都保持恒定，因此菌體的生長速率是恒定的。從定義知：當(dāng)微生物培養(yǎng)到對數(shù)生長期時······恒態(tài)105連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點：p150表6-3連續(xù)發(fā)酵所使用的設(shè)備和分批培養(yǎng)相比，連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)點有：①可以維持穩(wěn)定的操作條件，所以產(chǎn)品質(zhì)量相對穩(wěn)定；②能實現(xiàn)機械化和自動化，降低了勞動強度，減少了染菌機會；③減少設(shè)備清洗、準(zhǔn)備和滅菌等非生產(chǎn)時間，提高了設(shè)備利用效率；④容易對過程進行優(yōu)化。106和分批培養(yǎng)相比，連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)點有：31連續(xù)培養(yǎng)法的缺點：①需要專門儀器，投資高；②由于是開放系統(tǒng)，加上反應(yīng)周期長，容易染菌；③在長周期連續(xù)培養(yǎng)中，菌種易于退化；④營養(yǎng)物的利用率一般低于單批培養(yǎng)；⑤新加入的培養(yǎng)基與原有的培養(yǎng)基不易完全混合，影響培養(yǎng)和營養(yǎng)物質(zhì)的利用。107連續(xù)培養(yǎng)法的缺點：32連續(xù)培養(yǎng)器的類型同樣很多，如下表：連續(xù)培養(yǎng)重要特征是使微生物增殖速度和代謝活性處于穩(wěn)定狀態(tài)。連續(xù)培養(yǎng)方法按控制方法可分為恒濁器法和恒化器法。108連續(xù)培養(yǎng)器的類型同樣很多，如下表：33操作：通過光電管檢測恒濁器中培養(yǎng)物的吸光值，M流速可自動調(diào)節(jié)，使培養(yǎng)物濁度或細(xì)胞密度保持在一個預(yù)先設(shè)定值（內(nèi)控制）。原理：維持細(xì)胞（或菌）濃度不變（反映細(xì)胞濃度的濁度）。特點：基質(zhì)過量，菌以最高速率生長；但工藝復(fù)雜，煩瑣。主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。（1）恒濁培養(yǎng)109操作：通過光電管檢測恒濁器中培養(yǎng)物的吸光值，M流速可自動調(diào)節(jié)（2）恒化培養(yǎng)110（2）恒化培養(yǎng)35概念：利用恒化器進行連續(xù)培養(yǎng)時，向其中加入無菌新鮮M的速度（外控制）與排出含菌培養(yǎng)液的速度相同，將M中的某種生長限制因子（如碳源、氮源、生長因子、無機鹽等）的濃度控制在恒定范圍。原理：恒化器內(nèi)M.B生長速度由向容器中加入新鮮M的速度決定，最終細(xì)胞濃度依賴于限制性營養(yǎng)物的濃度。特點：維持營養(yǎng)成分的低濃度，控制微生物生長速率（低于最高速率）。主要應(yīng)用在實驗室。營養(yǎng)物質(zhì)更新的速度叫稀釋率（D）111概念：利用恒化器進行連續(xù)培養(yǎng)時，向其中加入無菌新鮮M的速度（112373.補料分批發(fā)酵法（fed-batchfermentation）又稱半連續(xù)發(fā)酵法或流加發(fā)酵法▲定義：在微生物的分批培養(yǎng)過程中，向發(fā)酵罐中間歇或連續(xù)地補加一種或多種無菌的限制性底物，直到培養(yǎng)結(jié)束后才排出培養(yǎng)液的一種發(fā)酵操作方式。流加發(fā)酵操作能使發(fā)酵系統(tǒng)中保持低的營養(yǎng)物濃度。一方面可解除底物的抑制、產(chǎn)物的反饋抑制和Glc分解阻遏效應(yīng)；另一方面又避免了培養(yǎng)基積累某些有毒代謝物，而且還可以起到稀釋發(fā)酵液以降低粘度的作用。1133.補料分批發(fā)酵法（fed-batchfermentat由于流加發(fā)酵可以延長細(xì)胞對數(shù)生長期和平衡期的持續(xù)時間，增加生物量和細(xì)胞代謝產(chǎn)物的積累，因此發(fā)酵工業(yè)中廣泛采用這種培養(yǎng)方式進行生產(chǎn)。GSH的分批發(fā)酵過程高濃度葡萄糖恒速流加下GSH發(fā)酵過程114由于流加發(fā)酵可以延長細(xì)胞對數(shù)生長期和平衡期的按補料方式分： 連續(xù)補料、不連續(xù)補料和多周期補料等；按補料速率分： 快速補料、恒速補料、指數(shù)速度補料和變速補料；按反應(yīng)器中發(fā)酵液體積分： 變體積補料和恒體積補料；按反應(yīng)器數(shù)目分： 單級補料和多級補料；按補加的培養(yǎng)基分： 單一組分補料和多組分補料等。補料分批發(fā)酵的類型115按補料方式分：補料分批發(fā)酵的類型40第三節(jié)微生物發(fā)酵動力學(xué)一、分批發(fā)酵動力學(xué)1.分批發(fā)酵的不同階段（1）遲滯期適應(yīng)新環(huán)境X幾乎沒有增加細(xì)胞個體增大合成有關(guān)水解酶來利用營養(yǎng)物質(zhì)遲滯期長短與……有關(guān)。（2）對數(shù)生長期活力旺盛快速分裂繁殖顯示對數(shù)生長116第三節(jié)微生物發(fā)酵動力學(xué)一、分批發(fā)酵動力學(xué)1.分批發(fā)酵在此階段，培養(yǎng)基成分雖然發(fā)生改變，但細(xì)胞的生長速率維持恒定且達到最大。當(dāng)培養(yǎng)基中營養(yǎng)物過量時，生長速度與營養(yǎng)物濃度無關(guān)：積分得：如果細(xì)胞數(shù)量倍增，X2＝2X1，則所需要的倍增時間td

為：117在此階段，培養(yǎng)基成分雖然發(fā)生改變，但細(xì)胞的生長一般說來，細(xì)菌的倍增時間為15~60min，酵母為45~120min，霉菌為2~8h。p155表6-6（3）穩(wěn)定期營養(yǎng)物消耗或有毒物質(zhì)形成，生長速度下降直至停止。這時細(xì)胞增加速度和死亡速度達到平衡，進入穩(wěn)定期。DCW基本恒定，細(xì)胞性能相對穩(wěn)定。二次生長由于細(xì)胞的自溶作用，胞內(nèi)的一些物質(zhì)可以作為尚存活細(xì)胞的營養(yǎng)物質(zhì)而繼續(xù)緩慢地生長118一般說來，細(xì)菌的倍增時間為15~60m（4）衰亡期能量耗完和有毒物質(zhì)積累，細(xì)胞開始自溶而死亡。時間長短取決于M.B的種類和M的類型。

二次生長的生長曲線119（4）衰亡期能量耗完和有毒物質(zhì)積累，細(xì)胞開時間菌體濃度延遲期對數(shù)生長期穩(wěn)定期衰亡期延遲期：對數(shù)生長期:穩(wěn)定期：;衰亡期:120時間菌體濃度延遲期對數(shù)生長期穩(wěn)定期衰亡期延遲期：對數(shù)生長期:★（1）Monod方程式1942年，Monod最先發(fā)現(xiàn)，μ與[S]符合以下方程：——菌體最大比生長速率h-1[S]——生長限制性基質(zhì)的濃度g/L或mol/L——飽和常數(shù)g/L或mol/L2.微生物分批培養(yǎng)的生長動力學(xué)121★（1）Monod方程式1942年，Monod最先發(fā)現(xiàn)，μ與Monod方程式與酶學(xué)中的米氏方程十分相似，但屬于經(jīng)驗式。Monod方程式是目前應(yīng)用最為普遍的微生物生長動力學(xué)方程式，表達了微生物比生長速率與生長限制性基質(zhì)（一般為C源）濃度之間的定量關(guān)系。122Monod方程式與酶學(xué)中的米氏方程十分相似，是當(dāng)比生長速率μ達到最大比生長速率μm一半時的生長限制性基質(zhì)濃度。當(dāng)

時，KS=[S]可見，飽和常數(shù)KS的物理意義的大小表示了微生物對基質(zhì)吸收親和力的強弱。123

大多數(shù)M.B的KS是很小的（一般為0.1~120mg/L或0.01~3.0mmol/L），表明M.B對營養(yǎng)物有較高的吸收親和力。μm

隨M.B的種類和培養(yǎng)條件而異。種類：比如細(xì)菌的μm大于真菌的μm。培養(yǎng)條件：對同一M.B而言，T升高，μm增大；營養(yǎng)物質(zhì)容易被利用時μm較大。124大多數(shù)M.B的KS是很小的（一般為0.1~1!Monod方程成立是基于以下假設(shè)：只適用于單一基質(zhì)限制及不存在抑制性物質(zhì)的情況。也就是說，除了一種生長限制性基質(zhì)外，其它必需營養(yǎng)都是過量的，但是這種過量又不致引起對生長的抑制，在生長過程中也沒有抑制性產(chǎn)物生成。i）當(dāng)限制性基質(zhì)濃度[S]很低時，[S]<<KSμ

∝[S]

KS+[S]≈KS，Monod方程可以簡化為：125!Monod方程成立是基于以下假設(shè)：只適用于單一基質(zhì)限制及ii）當(dāng)限制性基質(zhì)濃度[S]很大時，[S]>>KSKS+[S]≈[S]，Monod方程可以簡化為：但實際中通常并非如此，因為[S]很大時，容易產(chǎn)生基質(zhì)抑制或產(chǎn)物抑制。實際中的μ~[S]曲線如課本p156圖6-9所示。126ii）當(dāng)限制性基質(zhì)濃度[S]很大時，[S]>>KSKS（2）動力學(xué)參數(shù)的確定利用雙倒數(shù)作圖法可求出KS和μm。將Monod方程兩邊同時取倒數(shù)，有：[S]已知，μ可由實驗計算得出：

~的關(guān)系圖127（2）動力學(xué)參數(shù)的確定利用雙倒數(shù)作圖法可求出例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，測得實驗數(shù)據(jù)如下：S(mg/L)613334064102122153170221μ(h-1)0.060.120.240.310.430.530.600.660.690.70求在該培養(yǎng)條件下，大腸桿菌的μm、Ks和td?128例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，測得實驗數(shù)據(jù)如下：S(mg/Monod方程式是在假設(shè)的基礎(chǔ)上成立的，沒有考慮很多因素（比如維持代謝、延滯期等），實際上除了Monod方程式，還有許多有關(guān)細(xì)胞比生長速率（μ）與限制性基質(zhì)濃度（[S]）關(guān)系的方程式。當(dāng)存在多種限制性基質(zhì)時，方程可改寫為：129Monod方程式是在假設(shè)的基礎(chǔ)上成立的，沒有（3）其它生長動力學(xué)方程式①菌體自身抑制（種群競爭）菌體濃度的增加對自身生長也會產(chǎn)生抑制作用，此時可以用Logistic方程較好地進行描述。②基質(zhì)抑制生長動力學(xué)130（3）其它生長動力學(xué)方程式①菌體自身抑制（種群競爭）Ki’—產(chǎn)物抑制常數(shù)L/g或L/mol[P]—產(chǎn)物濃度g/L或mol/L當(dāng)微生物生長被其自身代謝產(chǎn)物抑制時，有以下幾種動力學(xué)方程式可以表達：③產(chǎn)物抑制生長動力學(xué)131Ki’—產(chǎn)物抑制常數(shù)L/g或L/m3.微生物分批培養(yǎng)的基質(zhì)消耗動力學(xué)∵∴或通常YG和m很難測定所以由曲線雙倒數(shù)作圖可求出YG

和m

P1651323.微生物分批培養(yǎng)的基質(zhì)消耗動力學(xué)∵∴或通常YG和mLeudeking和Piret模型。這一經(jīng)典模型用于描述微生物代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)。它把產(chǎn)物形成速率看作是菌體生長速率和菌體量的函數(shù)。用數(shù)學(xué)式表示為：4.分批培養(yǎng)的產(chǎn)物形成速率取比速率形式：——與菌體生長速率關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物合成常數(shù)——與菌體生長量關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物合成常數(shù)133Leudeking和Piret模型。這一經(jīng)典模型用于描述微生按不同的α和β常數(shù)值可將上述產(chǎn)物合成動力學(xué)分為以下幾種類型：①當(dāng)α>0，β

=0時，為生長耦聯(lián)型；②當(dāng)α>

0，β>

0時，為部分生長耦聯(lián)型；③當(dāng)α=0，β

>0時，為非生長耦聯(lián)型。134按不同的α和β常數(shù)值可將上述產(chǎn)物合成動力學(xué)分5.分批培養(yǎng)的細(xì)胞死亡動力學(xué)—細(xì)胞比死亡率h-1—細(xì)胞最大比死亡率h-1—細(xì)胞死亡常數(shù)1355.分批培養(yǎng)的細(xì)胞死亡動力學(xué)—細(xì)胞比死亡率6.分批培養(yǎng)的生產(chǎn)率（生產(chǎn)強度）（g·h-1·L-1）

生產(chǎn)時間在計算時間時，不僅包括發(fā)酵時間，還應(yīng)包括放罐、清洗、裝料和消毒時間以及遲滯期所消耗的時間。

1366.分批培養(yǎng)的生產(chǎn)率（生產(chǎn)強度）（g·h-1·L-1）生二、連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)1、單罐（級）連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)F：培養(yǎng)基的流速（L·h-1）X0

=0、F137二、連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)1、單罐（級）連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)F前提和假設(shè)：a）在穩(wěn)定狀態(tài)下單罐連續(xù)發(fā)酵的物料平衡，各參數(shù)變化為0；b）假定培養(yǎng)基中每一