第六章第六章 发酵动力学发酵动力学一、分批培养、补料分批培养、连续培养的基本概一、分批培养、补料分批培养、连续培养的基本概念、特点和应用念、特点和应用二、分批培养微生物生长过程以及细胞、产物得率二、分批培养微生物生长过程以及细胞、产物得率三、连续培养、补料分批培养动力学三、连续培养、补料分批培养动力学本章学习要点本章学习要点1、掌握分批培养、补料分批培养、连续培养的基本概念、特掌握分批培养、补料分批培养、连续培养的基本概念、特点和应用。理解分批培养微生物生长和产物形成动力学；掌握点和应用。理解分批培养微生物生长和产物形成动力学；掌握补料分批培养技术的应用。补料分批培养技术的应用。2、了解其微生物生长和产物形成动力学；比生长速率、产物了解其微生物生长和产物形成动力学；比生长速率、产物比生产速率、得率系数基本概念；理解分批培养微生物生长过比生产速率、得率系数基本概念；理解分批培养微生物生长过程与特点以及细胞、产物得率得计算。程与特点以及细胞、产物得率得计算。3、了解、了解连续培养、补料分批培养微生物生长动力学。连续培养、补料分批培养微生物生长动力学。n n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 。n n发酵过程动力学包括两个层次的动力学：本征动力学和反应器动力学。1、本征动力学（又称本征动力学（又称微微观动观动力学力学） 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、反应器动力学反应器动力学 （又称宏观动力学）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。 n n由由于于生生物物反反应应过过程程的的复复杂杂性性，给给生生物物反反应应动动力力学学带带来来了了多多样样性性。例例如如对对酶酶催催化化反反应应，反反应应动动力力学学可可表表达达为为分分子子水水平平动动力力学学；对对微微生生物物发发酵酵反反应应，其其动动力力学学可可在在细细胞胞水水平平上上表表达达；对对废废水水的的生生物物处处理理，则则可可表表达达为为群群体体动动力力学学。每每个个表表达达水水平平都都有有其其独独特特特特征征，这这些些特特征征需需要要有有其其特特有有的的动动力力学学处处理理方法。方法。第一节第一节 发酵动力学发酵动力学 n n发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代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谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。科学。用数学模型定量地表达用数学模型定量地表达发发酵酵过过程中各程中各种与生种与生长长、基、基质质代代谢谢、产产物生成有关的因素，物生成有关的因素，是是发发酵酵动动力学研究的重要方法。力学研究的重要方法。 n n研究发酵动力学的目的在于按人们的需要控研究发酵动力学的目的在于按人们的需要控制发酵过程。制发酵过程。发酵动力学的主要参数描述发酵动力学的主要参数描述 n n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 1、细胞的生长速率与比生长速率、细胞的生长速率与比生长速率 X菌体浓度 比生长速率 F0 培养液移走速率 V培养液体积 细胞量的积累速率 = 细胞生长速率细胞的消失速率2 2、底物的消耗速率与比消耗速率、底物的消耗速率与比消耗速率基质的消耗速率 = 补料中基质的添加速率生长消耗基质的速率产物合成用去基质的速率维持所消耗基质的速率基质的移去速率 S基质浓度基质浓度 Fi 补料速率补料速率 以消耗的基质为基准的细胞得率系数（以消耗的基质为基准的细胞得率系数（g细胞细胞/g消耗的消耗的 基质）基质） 以消耗的基质为基准的产物生成系数，即转化率（以消耗的基质为基准的产物生成系数，即转化率（g产产 物物/g消耗的基质）消耗的基质） 产物的比生产速率。它的意义是单位浓度的生产菌细胞产物的比生产速率。它的意义是单位浓度的生产菌细胞 在单位时间形成的产物量。其数学表达式为在单位时间形成的产物量。其数学表达式为 其中：其中：P 产物的浓度产物的浓度； 单位质量细胞生成的产物单位质量细胞生成的产物 量（量（g产物产物/g细胞）。细胞）。 m为维持系数，它表示单位浓度的细胞在单位时间里用于细胞物质的转化、营养物质的运输、产物的分泌等生命活动所消耗的基质量。 3、产物的生成速率与比生成速率、产物的生成速率与比生成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 K产物破坏常数这些方程对稳态和非稳态发酵过程均适用，但在非稳态发酵过程中得到其方程解是困难的。如果过程中不存在补料或产物的移去，即为间歇发酵，那么碳和能源的方程可改为 显而易见，碳源（一般是培养基组分中成本最高的）被用于细胞的合成和生命活动的维持以及产物的合成中。重排上式得 基质利用的比速率基质利用的比速率 时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期倍增时间倍增时间：td延迟期：指数生长期:减速期:静止期：衰亡期:第二节第二节 微生物生长和分批发酵动力学微生物生长和分批发酵动力学 微生物生长曲线About Lag Phase （延迟期）n n在发酵工业生产中，为了提高生产效率，在发酵工业生产中，为了提高生产效率，希望延迟期缩短，要达到该目的，应一般希望延迟期缩短，要达到该目的，应一般遵循下列规则：遵循下列规则： (1).(1).接种的微生物应尽接种的微生物应尽可能是高活力的。可能是高活力的。 要用处于对数期的微要用处于对数期的微生物作种子生物作种子. (2). (2)种子培养基和条件应尽种子培养基和条件应尽可能接近生产上使用的发酵液组成和培养可能接近生产上使用的发酵液组成和培养条件。条件。 (3).(3).建议采用大接种量。建议采用大接种量。 因细胞因细胞内部的某些维生素和辅酶等生长素，向周内部的某些维生素和辅酶等生长素，向周围培养液扩散，从而降低细胞的活性，延围培养液扩散，从而降低细胞的活性，延长延迟期。长延迟期。n nAbout Exponential Phase：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： x = ， = 。指数生长期指数生长期在对数期是常数，取得最大值，在其它生长期在对数期是常数，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不是常数。分析各生长不同时期的数值。数值。Lag Phase ：x无净生长，无净生长， 0 ；加速生长期：加速生长期：x增加，增加，21 ；Exponential Phase ：x对数增加，对数增加，常数；常数；减速生长期：减速生长期：x增加缓慢，增加缓慢，43 ；Stationary Phase：x无净生长，无净生长，0 ；Death Phase：x减少，减少，0。n n所谓菌体生长动力学是以研究菌体浓度、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，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、其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、温度和温度和pHpH等对菌体生长速率的影响为内容等对菌体生长速率的影响为内容的。在分批发酵中，菌体浓度的。在分批发酵中，菌体浓度X X, ,产物浓度产物浓度P P和限制性基质浓度和限制性基质浓度S S均随时间均随时间t t变化变化 三三、微生物生长速率与底物浓度的关系微生物生长速率与底物浓度的关系 n n19491949年年MonodMonod发现，细菌的比生长速率发现，细菌的比生长速率 与单一限制性底物之间存在这样的关与单一限制性底物之间存在这样的关系：系：MonodMonod研究了基质浓度与生长速度的关系研究了基质浓度与生长速度的关系MonodMonod方程方程(1949)(1949)米氏方程:Ks ：菌体的生长比速菌体的生长比速 S：限制性基质浓度限制性基质浓度 Ks：半饱和常数半饱和常数max: 最大比生长速度最大比生长速度单一限制性基质单一限制性基质：就是指：就是指在培养微生物的营养物中，在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制对微生物的生长起到限制作用的营养物。作用的营养物。Ksn n限制性底物限制性底物是培养基中任何一种与微是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该营养物生物生长有关的营养物，只要该营养物相对贫乏时，就可能成为限制微生物生相对贫乏时，就可能成为限制微生物生长的因子，可以是长的因子，可以是C C源、源、N N源、无机或有源、无机或有机因子。机因子。 营养物质相对贫乏的标准（量）？营养物质相对贫乏的标准（量）？ 是指该物质的浓度比生长速率是指该物质的浓度比生长速率达达mm时对应的最低底物浓度以下时的情形。时对应的最低底物浓度以下时的情形。此浓度称为临界底物浓度，任一营养物此浓度称为临界底物浓度，任一营养物质的浓度若高于临界底物浓度则为非限质的浓度若高于临界底物浓度则为非限制性底物，低于临界底物浓度即为限制制性底物，低于临界底物浓度即为限制性底物。性底物。n nMonod Monod Monod Monod 方程是典型的均衡生长模型，其基本假方程是典型的均衡生长模型，其基本假方程是典型的均衡生长模型，其基本假方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：设如下：设如下：设如下： （1 1 1 1）描述细胞生长的唯一变量是细胞浓度）描述细胞生长的唯一变量是细胞浓度）描述细胞生长的唯一变量是细胞浓度）描述细胞生长的唯一变量是细胞浓度X X X X， （2 2 2 2）培养基中只有一种基质是生长限制性基质，）培养基中只有一种基质是生长限制性基质，）培养基中只有一种基质是生长限制性基质，）培养基中只有一种基质是生长限制性基质，其它组分均过量，其它组分均过量，其它组分均过量，其它组分均过量， （3 3 3 3）细胞的生长视为单一反应，细胞得率为常）细胞的生长视为单一反应，细胞得率为常）细胞的生长视为单一反应，细胞得率为常）细胞的生长视为单一反应，细胞得率为常数，当数，当数，当数，当S Ks S Ks S Ks S Ks 时，时，时，时， =mmmm S/Ks S/Ks S/Ks S/Ks， 与与与与S S S S是一级动力学关系，是一级动力学关系，是一级动力学关系，是一级动力学关系， （4 4 4 4） SKsSKsSKsSKs ， =mmmm，与与与与S S S S是零级动力学是零级动力学是零级动力学是零级动力学关系。关系。关系。关系。n n莫诺方程表面上与米氏方程同型。但是莫诺方程表面上与米氏方程同型。但是MonodMonod方程来自于对实验现象的总结，而方程来自于对实验现象的总结，而米氏方程是根据酶促反应机理推导出的。米氏方程是根据酶促反应机理推导出的。前者是经验方程，后者是机理方程。前者是经验方程，后者是机理方程。 Monod方程的参数求解方程的参数求解(双倒数法双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或： 这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。但在低但在低S值时，值时， 的偏差较大，影响的偏差较大，影响Ks值的精度。第二方程值的精度。第二方程好用一些，在低好用一些，在低S值时精度高，也可用回归方法值时精度高，也可用回归方法 。例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l) 6 33 64 153 221(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的max，Ks和td?解：将数据整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221Monod方程的意义方程的意义n n当当S Ks, -SKs, -S是线性关系，是线性关系，与与S S成正比。成正比。n n当当S Ks Ks ， maxmax，此时微生物的生长此时微生物的生长不受限制基质的影响。不受限制基质的影响。n n对某一钟微生物在某种基质条件下，对某一钟微生物在某种基质条件下，max 和和Ks 是一定值。是一定值。n n不同的微生物有不同的不同的微生物有不同的max 和和Ks 。即。即使同一种微生物在不同的基质种也有不使同一种微生物在不同的基质种也有不同的同的max 和和Ks 。n nKs越大，表示菌体对基质的亲和力越小。越大，表示菌体对基质的亲和力越小。三、代谢产物形成的动力学模型三、代谢产物形成的动力学模型 GadenGaden根据产物生成速率与细胞生长速率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：之间的关系，将其分为三种类型：n n类型类型称为生长偶联型，或称伴随生长的称为生长偶联型，或称伴随生长的产物形成模型；产物形成模型；n n类型类型称为部分生长偶联型，或称不完全称为部分生长偶联型，或称不完全伴随生长的产物形成模型；伴随生长的产物形成模型；n n类型类型称为非非生长偶联型或称不伴随生称为非非生长偶联型或称不伴随生长的产物形成模型。长的产物形成模型。 GadenGaden对发酵的三分类与对发酵的三分类与PirtPirt方程：方程：生长偶联型生长偶联型 产物的形成和菌体的生长相偶联产物的形成和菌体的生长相偶联3 3、产物形成动力学模式、产物形成动力学模式如：葡萄糖厌氧发酵生成乙醇如：葡萄糖厌氧发酵生成乙醇xp部分生长偶联型部分生长偶联型产物的形成和菌体的生长部分偶联部分偶联xp如：氨基酸发酵，柠檬酸等有机酸的发酵非生长偶联型产物的形成和菌体的生长非偶联非偶联xp如抗生素，微生物毒素等次级代谢产物的生产 习惯上把与生长无关联的产物称为次级代谢习惯上把与生长无关联的产物称为次级代谢产物，他们的合成发生在生长停止之后。次产物，他们的合成发生在生长停止之后。次级代谢作用的一个重要特征是，产物的生成级代谢作用的一个重要特征是，产物的生成只有在生产菌处于低的生长速率条件下才能只有在生产菌处于低的生长速率条件下才能发生。所以生长速率有可能是分解代谢产物发生。所以生长速率有可能是分解代谢产物的阻抑作用因子，而与营养限制无关。的阻抑作用因子，而与营养限制无关。 分批培养与发酵得率分批培养与发酵得率n n生长得率：消耗单位数量的基质所得到的生长得率：消耗单位数量的基质所得到的菌体，即基质的生长得率。菌体，即基质的生长得率。 Yx/s = 菌体增加的量菌体增加的量/ /消耗基质的量消耗基质的量 = =x-x0/s0-sn n产物得率（生产率）：消耗单位数量的基产物得率（生产率）：消耗单位数量的基质所得到的产物量，即基质的产物得率。质所得到的产物量，即基质的产物得率。 Yp/s = 产物增加的量产物增加的量/ /消耗基质的量消耗基质的量 = =p-p0/s0-s 分批培养发酵生产率分批培养发酵生产率n n生产率：单位时间内菌体细胞浓度或代谢生产率：单位时间内菌体细胞浓度或代谢产物浓度的生成量。产物浓度的生成量。 P = 菌体增加的量菌体增加的量/ /发酵时间发酵时间 = =x-x0/t-t0 P = 产物增加的量产物增加的量/ /发酵时间发酵时间 = =p-p0/t-t0最大生产率最大生产率(Pmax)：发酵时间从对数生长期：发酵时间从对数生长期开始至发酵结束计算得出的生产率。开始至发酵结束计算得出的生产率。平均生产率（平均生产率（P）：包括洗罐、灭菌、发酵、）：包括洗罐、灭菌、发酵、放罐等整个生产时间计算得出的生产率。放罐等整个生产时间计算得出的生产率。第三节第三节 连续培养与发酵动力学连续培养与发酵动力学 把新鲜的培养基连续地供给均匀混合的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酵过程连续化 ，并且使发酵罐内的液量维，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持恒定不变，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。长的培养方法。一、连续发酵定义及特点一、连续发酵定义及特点连续培养的特点：连续培养的特点：连续培养的特点：连续培养的特点：n n恒定状态可以有效地延长分批培养中的对数生长期。恒定状态可以有效地延长分批培养中的对数生长期。n n发酵周期短、设备利用率高、成本低、生产效率高。发酵周期短、设备利用率高、成本低、生产效率高。n n便于自动化控制。便于自动化控制。n n发酵产品性能稳定。发酵产品性能稳定。n n适合于微生物生理生化和遗传特性的研究。适合于微生物生理生化和遗传特性的研究。n n易染菌、易发生菌种退化、变异。易染菌、易发生菌种退化、变异。n n操作不当，新加入的培养基与原培养基不易混合。操作不当，新加入的培养基与原培养基不易混合。二、连续发酵类型二、连续发酵类型一）按细胞流出方式分：一）按细胞流出方式分：1 1、开放式连续发酵：、开放式连续发酵：微生物随发酵液一起从容器微生物随发酵液一起从容器微生物随发酵液一起从容器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。中流出，细胞流出的速率与新细胞生成速率相等。中流出，细胞流出的速率与新细胞生成速率相等。中流出，细胞流出的速率与新细胞生成速率相等。2 2、封闭式连续发酵：只有发酵液从容器中流出，、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。细胞保留在发酵容器中。二）按细胞培养容器级数分：二）按细胞培养容器级数分：1 1、单级连续发酵：、单级连续发酵：微生物在单一容器中进行连续发微生物在单一容器中进行连续发微生物在单一容器中进行连续发微生物在单一容器中进行连续发酵。酵。酵。酵。2 2、多级连续发酵：、多级连续发酵：微生物在多个串联的容器中进行微生物在多个串联的容器中进行微生物在多个串联的容器中进行微生物在多个串联的容器中进行连续发酵。连续发酵。连续发酵。连续发酵。三）按培养基质混合方式分：三）按培养基质混合方式分：1 1、均匀混合连续发酵：、均匀混合连续发酵：发酵容器中微生物与新流入发酵容器中微生物与新流入发酵容器中微生物与新流入发酵容器中微生物与新流入的培养基均匀混合。的培养基均匀混合。的培养基均匀混合。的培养基均匀混合。n n恒化器：培养容器中限制性基质浓度保持恒定n n恒浊器：恒定发酵液中的细胞浓度保持恒定 恒化器恒化器恒浊器恒浊器2 2、非均匀混合连续发酵：种子液进入发酵罐、非均匀混合连续发酵：种子液进入发酵罐中后不均匀混合。中后不均匀混合。n n管道式：适合于厌氧发酵n n塔式：适合于好氧发酵四）按培养基质循环方式分：四）按培养基质循环方式分：1 1、循环式连续发酵：、循环式连续发酵：发酵容器中流出的发酵液再次发酵容器中流出的发酵液再次发酵容器中流出的发酵液再次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。进入原发酵罐中进行培养发酵。进入原发酵罐中进行培养发酵。进入原发酵罐中进行培养发酵。2 2、非循环式连续发酵：、非循环式连续发酵：发酵容器中流出的发酵液发酵容器中流出的发酵液发酵容器中流出的发酵液发酵容器中流出的发酵液不不不不再次进入原发酵罐中进行培养发酵。再次进入原发酵罐中进行培养发酵。再次进入原发酵罐中进行培养发酵。再次进入原发酵罐中进行培养发酵。三、连续发酵微生物生长动力学三、连续发酵微生物生长动力学一）微生物比生长速率与基质浓度的关系：一）微生物比生长速率与基质浓度的关系：符合符合MonodMonod方程方程二）在可逆抑制剂作用下的二）在可逆抑制剂作用下的MonodMonod方程方程1 1 1 1、竞争性抑制剂作用、竞争性抑制剂作用、竞争性抑制剂作用、竞争性抑制剂作用n n最大比生长速率不变，最大比生长速率不变，最大比生长速率不变，最大比生长速率不变，KsKsKsKs增大。增大。增大。增大。2 2 2 2、非竞争性抑制剂作用、非竞争性抑制剂作用、非竞争性抑制剂作用、非竞争性抑制剂作用n n最大比生长速率减小，最大比生长速率减小，最大比生长速率减小，最大比生长速率减小，KsKsKsKs不变。不变。不变。不变。1 1、稀释率、稀释率 稀释率（D）：单位时间内新鲜培养基流入的体积（F）与总体积之比(V)，即四、常见连续发酵系统的动力学四、常见连续发酵系统的动力学一）开放式单级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学一）开放式单级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学一）开放式单级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学一）开放式单级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学培养基在容器中的平均滞留时间t=1/D=V/F2 2、微生物比生长速率与稀释率的关系、微生物比生长速率与稀释率的关系 细胞增加的速率细胞增加的速率=细胞生长速率细胞生长速率细胞流出速细胞流出速率率细胞死亡速率细胞死亡速率 dx/dt=ux-Dx 当连续发酵达到平衡时，当连续发酵达到平衡时， dx/dt=0，即，即u=D3 3、细胞浓度与限制性基质浓度的关系、细胞浓度与限制性基质浓度的关系 基质的消耗速率基质的消耗速率=流入的基质速率流入的基质速率流出的基质流出的基质速率速率细胞生长基质消耗速率细胞生长基质消耗速率细胞维持基质消耗细胞维持基质消耗速率速率产物生成基质消耗速率：产物生成基质消耗速率： dS/dt=DS0DSux/yX/Smxupx/yX/S 当发酵的目的是培养细胞时，细胞维持基质、产物生当发酵的目的是培养细胞时，细胞维持基质、产物生成基质消耗速率忽略：成基质消耗速率忽略： dS/dt=DS0DSux/yX/S 当连续发酵达到平衡时，当连续发酵达到平衡时， dx/dt=0，D=u x=yX/S(S0S)4 4、限限制制性性基基质质浓浓度度、细细胞胞浓浓度度与与稀稀释释率率的的关关系系及及稀稀释释率率对对限限制制性性基基质质浓浓度度、细细胞胞浓浓度度、细细胞生长速率、倍增时间的影响胞生长速率、倍增时间的影响n限制性基质浓度随稀释率的增加而增加，但在很大范围内增限制性基质浓度随稀释率的增加而增加，但在很大范围内增加不明显。（当稀释率等于最大生长比速率时，基质浓度等加不明显。（当稀释率等于最大生长比速率时，基质浓度等于起始浓度，此稀释率为临界稀释率于起始浓度，此稀释率为临界稀释率 ）n细胞浓度随稀释率的增加而细胞浓度随稀释率的增加而 减小，但在很大范围内减小不减小，但在很大范围内减小不明显明显n一定范围内，随稀释率的增加，细胞倍增时间显著缩短一定范围内，随稀释率的增加，细胞倍增时间显著缩短n一定范围内细胞生长速率与稀释率成正比一定范围内细胞生长速率与稀释率成正比5 5、细细胞胞生生产产率率及及其其与与分分批批发发酵酵中中细细胞胞生生产产率率的比较的比较n最大生长比速率越大，连续培养的细胞生产率与分最大生长比速率越大，连续培养的细胞生产率与分批培养的细胞生产率之比越大批培养的细胞生产率之比越大n当最大生长比速率过小时，不宜连续发酵。当最大生长比速率过小时，不宜连续发酵。多级连续培养系统：二）开放式多级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学二）开放式多级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学二）开放式多级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学二）开放式多级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学 如果向第二级发酵罐添加物料液，此液流可以含有限制性营养物质，也可以含有附加的其他营养物质、诱导剂或抑制剂，则这种连续培养系统便可以用来研究微生物的代谢调节作用。在此系统中，第一级为第二级连续提供了生理状况始终如一的微生物细胞群体。 五、连续发酵的应用五、连续发酵的应用1 1、细胞生物量的生产、细胞生物量的生产2 2、代谢产物生产、代谢产物生产3 3、动物细胞代谢产物生产、动物细胞代谢产物生产4 4、用于研究工具、用于研究工具第四节第四节 补料分批发酵补料分批发酵 n n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。n n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。n n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。n n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。n n与分批发酵相比，发酵系统可维持很低的基质浓度。与分批发酵相比，发酵系统可维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：低基质浓度的优点：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的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。菌体浓度，使不致于加剧供氧矛盾。避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏。避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏。不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变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、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。酶蛋白、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。补料分批培养特点补料分批培养特点分批、连续、补料操作方式的比较分批、连续、补料操作方式的比较方式方式优点优点缺点缺点分批发酵分批发酵1 一般投资小一般投资小2 易转产、生产灵活易转产、生产灵活3 分分批批操操作作中中某某一一阶阶段段可可获获得得高的转化率高的转化率4 发酵周期短，菌种退化率小发酵周期短，菌种退化率小1 因因放放罐罐、灭灭菌菌等等原原因因，非非生生产时间长产时间长2 经常灭菌会降低仪器寿命经常灭菌会降低仪器寿命3 前培养和种子的花费大前培养和种子的花费大4 需需较较多多的的操操作作人人员员或或自自动动控控制系统制系统连续发酵连续发酵1 可可实实现现有有规规律律的的机机械械、自自动动化化2 操作人员少操作人员少3 反反应应器器体体积积小小、非非生生产产时时间间少少4 产品质量稳定产品质量稳定5 操操作作人人员员接接触触毒毒害害物物质质的的可可能性小能性小6 测量仪器使用寿命长测量仪器使用寿命长1 操作不灵活操作不灵活2 因因操操作作条条件件不不易易改改变变，原原料料质量必须稳定质量必须稳定3 若若连连续续灭灭菌菌，加加上上控控制制系系统统和自动化设备，投资较大和自动化设备，投资较大4必必须须不不断断地地排排除除一一些些非非溶溶性性的固型物的固型物5 易染菌，菌种易退化易染菌，菌种易退化补料发酵补料发酵1 操作灵活操作灵活2 染菌、退化几率小染菌、退化几率小3 可获得高的转化率可获得高的转化率4 对发酵过程可实现优化控制对发酵过程可实现优化控制5 因因经经常常灭灭菌菌会会降降低低仪仪器器使使用用寿命寿命1 非生产时间长非生产时间长2 需需较较多多的的操操作作人人员员或或计计算算机机控制系统控制系统3 操操作作人人员员接接触触一一些些病病原原和和有有毒产品的可能性大毒产品的可能性大 n n 微生物在具有一定温度和湿度的固体培养基的表面进行生长、繁殖、代谢的发酵过程称作为固态发酵（solid state fermentation）。n n固态发酵主要适合于霉菌。这是由于霉菌细胞内的渗透压比较高，不会因固体基质的高渗透压而致死。固态发酵( (一一) ) 固态发酵的特点固态发酵的特点 1、原料来源广，价格低廉。 2、在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌。 3、能耗低。 4、固态发酵的产物回收一般步骤少，费 用也省。优点优点缺点缺点1.培养基含水量少，废水、废渣少，环培养基含水量少，废水、废渣少，环 境境 污染少，容易处理；污染少，容易处理；1. 菌种限于耐低水活性（菌种限于耐低水活性（aw）的微生的微生 物，菌种选择性少物，菌种选择性少2.消耗低，供能设备简易；消耗低，供能设备简易；2.发酵速度慢，周期较长发酵速度慢，周期较长3.培养基原料多为天然基质或废渣，广培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉泛易得，价格低廉3.天然原料成分复杂，有时变化，影响天然原料成分复杂，有时变化，影响 发酵产物的质和量发酵产物的质和量4.设备和技术较简易，后处理方便。设备和技术较简易，后处理方便。4.工艺参数难检测和控制工艺参数难检测和控制5.产物浓度较高，后处理方便产物浓度较高，后处理方便5.产品少，工艺操作消耗劳力多，强度产品少，工艺操作消耗劳力多，强度 大大n n固态发酵存在一个显著特点，即菌体、固态发酵存在一个显著特点，即菌体、基质、产物均处于一个非均一的发酵系基质、产物均处于一个非均一的发酵系统中，尤其是在一个大规模的固态发酵统中，尤其是在一个大规模的固态发酵系统中，随着发酵的进行，菌体呼吸产系统中，随着发酵的进行，菌体呼吸产热，料芯散热慢，菌体生长、基质利用热，料芯散热慢，菌体生长、基质利用和产物合成都处在一个非均匀的系统之和产物合成都处在一个非均匀的系统之中，致使发酵不能稳定进行。中，致使发酵不能稳定进行。 n n固态发酵存在的主要工程问题是传质和传热受限制，表现在大规模生产时的散热比较困难；模拟和控制较困难，使参数的检测如pH值、温度、菌体增殖量、产物生成量等很难实现。 因此，实现固态发酵的最优化困难重重。固态发酵的应用 1固态发酵在资源环境上的应用 （1）生物燃料(biofuel) （2）生物农药(biopesticide) （3）生物转化(biotransformation) （4）生物解毒(biological detoxification) （5）生物修复(bioremediation) 2生产有价值的物质 固态发酵可用来生产许多有价值的物质，例如谷物或者谷物残余物营养的富集，发酵食品、酶、色素、抗生素、生物杀虫剂、有机酸和风味化合物的生产。 固态发酵设备固态发酵设备n n 按照固态培养方式分为六种形式： 浅盘式反应器 填充床反应器 流化床反应器 转鼓式反应器 搅拌反应器 压力脉动反应器