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发酵操作方式及其动力学特征

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第九章 发酵动力学

第九章 发酵动力学
合成、吸能 合成、吸能 分解、放能
S（基质）
X（菌体） + P（产物） + 维持
化工常用：

传质模型：系统质量守恒； 传热模型： 热量守恒；
群体平衡模型：动态（生物、结晶）。
一、基本概念
1、菌体生长率
1）菌体生长率（g/h）：
x：菌丝干重，g t：发酵时间，h
2）基质消耗率（g/h）：
3、产物得率（g/g）：消耗每克营养物（s）生成的产物（p）。

p：产物量，mol、g

推导：
例：

2.14 C6H12O6 + 2 NH4+ + SO42- + C8H3O2 + 3.34 O2
（苯乙酸）
（葡萄糖）


C16H18O4N2S + 4.84 CO2 + 11.84 H2O
（青霉素G）
二、微生物生长动力学
1、微生物在一个密闭系统中的生长情况：
2、研究基质浓度与生长速度的关系---Monod方程：


μm：最大比生长率，1/h
S：限制性基质浓度，g/L

Ks：饱和常数（底物亲和常数），表示微生物对底物 的亲和力，g/L。 （Ks越大，亲和力越小，μ越小）
当S= Ks时，μ=1/2 μm 当S较高时，（对数期满足S＞＞ Ks），μ=μm 当S较低时，（中后期S＜＜ Ks），S↓，μ↓，μ→ 0
td＝l生长速度
3、Contois方程：
适用于菌浓较高、发酵液粘度大，特别是丝状菌的生长。
Kx： Contois饱和常数，g/g
三、产物合成动力学

p：产物量，mol、g； k1、k2：产物合成常数， k1与生长率有关，g/g.h k2与生长量有关，g/g

生物发酵过程中动力学研究

生物发酵过程中动力学研究

生物发酵过程中动力学研究生物发酵是一种利用微生物或其代谢产物对某些原料进行有机化学反应，从而在生产或制造过程中产生一系列的物质或产物的过程。

在生物发酵过程中，微生物要通过吸收有机物等营养物质，转化成有机酸或酒精等有价值的产品，同时产生CO2等废弃物质。

生物发酵过程中的各项参数和变量如何影响产生的产物，最多产生多少产物，又需要多少时间呢？这些问题的回答，取决于一个重要的主题：生物发酵过程的动力学研究。

动力学研究中最重要的就是生长动力学。

根据微生物学理论，微生物的生长可以根据它们的繁殖周期被描述，这个描述与植物光合作用中的光能收集、生产等原理相似。

这个描述通过一个叫做生长曲线的图表来体现，生长曲线中通常有件事是相同的，那就是代表微生物转化物质的可被感应光学繁殖因子，简单称为生长因子。

由生长因子产生的生长曲线的形状，直接决定了细胞的生长特性和许多反应限制。

生长曲线的形状决定生物发酵中的许多参数如何随时间变化，而扩展到整个生物发酵过程，这些参数是多变的，如微生物数量、代谢产物的浓度、废弃物体积等。

在动力学的框架下，一个真正的生物发酵模型应该是能够描述这些参数如何随时间变化的模型。

现代生物工程正在迅猛发展，用于建立和优化生物发酵模型的计算工具也越来越先进。

对于发酵工艺的优化，必须对发酵过程的参数进行实时监测，并且通过模型预测生物发酵系统的行为，从而可以实时优化反应参数。

对于发酵的实时监测，最常见的方法是对反应器中的pH值、温度、氧气曲线、利用反应器的体积实时计算细胞浓度等参数进行记录。

对于模型的建立，通常会将生物反应分为两个阶段：生长和生产。

首先，要对生长阶段中的生长动力学方程进行数据整理，包括微生物数量、物质浓度、pH值和温度等数据。

而生产阶段的研究则需要将生产过程中的产物分析，从而确定最优的生产条件，并预测生产的最终产量。

在废物控制和生产优化中，动力学模型的正确性和稳健性对实验结果至关重要。

显然，模型的正确性和稳健性也直接影响着反应器的优化和产物的质量。

第六章发酵动力学

第六章发酵动力学

发酵装置-细胞回流式
F Se
(1 ) F X
F Xe
F , cX
细胞回流的单级连续发酵示意图
a: 再循环比率（回流比） c: 浓缩因子
2.2连续发酵动力学-理论
2.2.1单级恒化器连续发酵
定义： ① 稀释率 将单位时间内连续流入发酵罐中的新鲜培养基体积与 发酵罐内的培养液总体积的比值 D=F/V (h-1) F—流量（m3/h） V—培养液体积（m3） ② 理论停留时间
μ
残留的限制性底物浓度对微生物
比生长率的影响
Ks—底物亲和常数，速度 等于处于1/2μm时的底物浓 度，表征微生物对底物的亲 和力，两者成反比。
酶促反应动力学－米氏方程：
Vm [ s ] v K m [ s]
受单一底物酶促反应限制的微生物 生长动力学方程－Monod方程：

m s
Ks s
克P和每个有效电子所生成的细胞克数； ③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。
基质消耗动力学 产物得率系数：
Yp/s , YP / O2 , YATP / s , YCO2 / s
：
消耗每克营养物（s）或每克分 子 氧 (O2) 生 成 的 产 物 (P) 、 ATP 或
CO2的克数。
细胞生长动力学
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
若不存在抑制物时
Monod 模型:

m s
Ks s
m s
Ks s
t
ln x ln x0
t
x x0e
细胞生长动力学
式中: S—限制性基质浓度，mol/m3 Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生 物对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力越 小， µ 越小。

第六章 发酵动力学

第六章 发酵动力学

率的上升而增加，而实际产物得率YP/S随的上升而减少。
发酵过程的化学计量式 质量平衡 能量平衡
1、分批发酵时生产菌的生长周期三个时期
三个时期:
菌体生长期 产物合成期 菌体自溶期
2、发酵的操作方式 三种:
分批发酵 补料分批发酵 连续发酵
第二节 分批发酵
分批培养 所谓分批培养的是一次投料， 一次接种，一次收获的间歇 培养方式。这种培养方式操 作简单，发酵液中的细胞浓 度、基质浓度和产物浓度均 随时间而不断变化。就细胞 的浓度X的变化而言，在分批 培养中要经历延迟期、对数 生长期、减速期、稳定期和 衷亡期各阶段。
X
X（菌体） ＋ P（产物）
S1 菌体 (Biomass)
维持消耗(m) ：
指维持细胞最低活性所需消 耗的能量，一般来讲，单位 重量的细胞在单位时间内用 于维持消耗所需的基质的量 是一个常数。
S
S2 S3
产物 (Products) 维持(Maintain)
S（底物）
X
X（菌体） ＋ P（产物）+维持
（一）维持因数
“维持”是指细胞群体没有实质性的生长（更确切地说是 生长和死亡处于动态平衡状态）和没有胞外代谢产物 合成情况下的生命活动，如细胞的运动、细胞内外各 种物质的交换、细胞物质的转运和更新等，所需能量 由细胞物质的氧化或降解产生。 “维持”的物质代谢称为维持代谢，也叫内源代谢，代谢 释放的能叫维持能。
细胞 营养物→ → →新细胞+代谢产物
一、细胞反应的元素衡算
如果细胞的代谢产物就是细胞、CO2和水时， Meteles根据细胞的主要元素组成，提出了预测 发酵过程中微生物需要氧数量的计算公式： 32 C + 8 H + 16 O - 1 .34 Q= Y ·M

发酵动力学模式和发酵培养方法

发酵动力学模式和发酵培养方法
柠檬酸、衣糠酸、乳酸和部分氨基酸为这种类型产物的典型代表。
3．Ⅲ型（生长与产物合成非偶联类型）
物质的生产速率很难与生长相联系。产物合成速度与 碳源利用也不存在定量关系。
一般产物的合成是在菌体的浓度接近或达到最高之后 才开始的，此时比生长速率已不处于最高速率。 多数次生代谢产物的发酵属这种类型，如青霉素、链霉 素等各种抗生素和微生物毒素等
单一限制性基质：就是 指在培养微生物的营养 物中，对微生物的生长 起到限制作用的营养物。
＃ b段为适合Monod方程段，
＃ c 段为S»Ks，由于底物浓度过高导致的底物抑制或代谢产
物产生抑制，不符合Monod方程，对于前者，有下列公式描述：
营养物质的 抑制，如G
代谢产物产 生的抑制， 如乙醇
＃当底物浓度很高时且无抑制现象发生,即d 段，S »Ks,
2. 基质消耗速率 因为 细胞和产物的生成：-ds/dt=µX/Yx/s 因为 细胞、产物和能量
-ds/dt=µX/YG+mX+dP/dtYp 3. 基质比消耗速率、产物比形成速率
ds
dt X
=µ/Yx/s 或者=µ/YG+m+π/Yp
dp
dt X
4. 产物形成动力学 Ⅰ型： Ⅱ型：
微生物在一个密闭系统中的生长情况：
菌体浓度
减速期
静止期 衰亡期
延迟期
指数生长期
时间
延迟期： dx 0
dt
指数生长期: max 倍增时间：td
减速期: d 0
dt
静止期： dx 0
dt
; X Xmax
衰亡期: dx 0
dt
二、分批培养的动力学
1. 得率 Yx/s=ΔX／-ΔS； Yp/s=ΔP／-ΔS

发酵工程_6发酵动力学

发酵工程_6发酵动力学

首先研究微生物生长和产物合成限制因子；


建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；
确定模型参数；
实验验证模型的可行性与适用范围；
根据模型实施最优控制。
本章主要内容
分批发酵动力学 连续发酵动力学 补料分批发酵动力学
什么是分批发酵？

分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种 直到发酵结束，属典型的非稳态过程。 分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延滞 期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止期） 和衰亡期五个时期。
菌体浓度X t1
dx 0， 0, x xmax dt
（浓度最大）
t5
t2
t3 时间 t
t4
图6-1 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线
此阶段次级代谢活跃，次级代谢物大量合成。
dying:
a
(比死亡速率 ，s-1)

假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则微生物生长动 力学可用阶段函数表示如下：

反应器层次（过程工程）
基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应
采用一系列优化反应器发酵条件的方法
针对微生物发酵的表观动力学，通过研究微生物群 体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体 系的宏观变化速率，主要包括：
细胞生长动力学 底物消耗动力学 产物合成动力学
发酵动力学研究的基本过程
Y*X/S表示底物的细胞绝对得率，也称理论细胞得率； m为细胞维持系数
扣除细胞量的影响，
qS
将qS用µ表示，可得
1 Y
* X /S
m

YX / S

1 Y
* X /S
m
1 YX / S

微生物的发酵方式

微生物的发酵方式

• 1.
2.
连续发酵的特点： 简化了装料、灭菌、出料、投料、清洗、消毒等许多单 元操作，从而减少了非生长时间和提高了设备的利用率 ，缩短了发酵运转周期，提高了生产率。 连续培养始终使得细胞处于生长旺盛的对数生长期，可 以明显的提高生产率。
3.连续发酵生产过程比较稳定、均衡，发酵罐内的微生物、 基质、产物、溶氧浓度、冷却要求以及pH值的控制等各 种参数均维持在一定的水平上便于利用各种仪表进行自 动控制。 4.由于连续化发酵采用管道化和自动化生产，明显降低了劳 动强度，节约了大量的动力、人力、水和蒸汽 5.产品稳定，产量比较高
• • 1.
2.
半偶联型：是介于偶联与非偶联之间的一种类型。产物 的形成存在生长偶联与非偶联两部分。 半偶联的特点： 产物的形成间接的与基质（糖类）的消耗有关，虽然不 是碳源的直接氧化得来，却是菌体内氧化过程的主要代 谢流程。糖分既是供应菌体生长所需要的能量，又是充 当产物合成碳源。 产物比生成速率的最高时期要迟于菌体的比生长速率的 最高期。
• • 1.
2.
非偶联型：产物的合成发生在生长停止以后。 非偶联型的特点 发酵产物的生成速率只与现有的菌体量有关，而产物的 比生长速率为一常数，与菌体的比生长速率没有直接的 关系。产物的浓度高低取决于细胞生长结束时的细胞浓 度。 产物的生成是在菌体的浓度接近或者达到最大值后，才 开始的，产物的合成高峰要比菌体的生长高峰滞后。
• 1. 2. 3. 4. 5.
连续发酵的缺点： 一次生代谢产物为发酵产品的发酵，发酵过程中的生理 生化特性，发酵动力学等均未充分了解。 连续发酵对基质利用率比较低，造成成本增加 生产菌株容易退化 菌种容易受到污染 工业培养基的组成成分波动比较大，严重制约了连续发 酵。

发酵过程动力学的基本概念

发酵过程动力学的基本概念
最佳的发酵条件。
特点
流加发酵模型可以减少原材料 的浪费，提高发酵效率，但需 要精确控制流加速率和浓度。
应用
适用于大规模、长周期的发酵 生产，如某些酶制剂的生产。
分批补料发酵模型
定义
分批补料发酵模型是指在发酵过程中，反应物料分批 加入，以控制最佳的发酵条件。
特点
分批补料发酵模型结合了批式发酵和流加发酵的特点， 既可提高发酵效率，又可减少原材料的浪费。
此外，随着环保意识的提高，未来研究应关注发 酵过程的环保和可持续发展问题，探索如何降低 能耗、减少废弃物排放，实现绿色、低碳的生物 技术发展。
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感谢您的观看
发酵过程动力学的重要性
01
发酵过程动力学研究有助于深 入理解微生物生长、基质消耗 和产物生成的相互关系和变化 规律。
02
通过动力学模型，可以预测不 同操作条件下的发酵行为，为 发酵过程的优化和控制提供指 导。
03
动力学研究还有助于发现新的 发酵策略和工艺改进，提高发 酵效率和产物纯度，降低副产 物的生成。
未来研究方向
随着生物技术的不断发展，发酵过程动力学的研 究将更加深入和广泛，需要不断探索新的动力学 模型和方法，以适应不同类型和规模的发酵过程 。
针对不同微生物种类的发酵过程动力学研究也是 未来的一个重要研究方向，将有助于发现新的微 生物资源，拓展生物技术的应用领域。
未来研究应加强与计算机科学、数据科学等领域 的交叉融合，利用先进的数据分析技术和计算机 模拟技术，对发酵过程进行更加精准和深入的研 究。
1
通过优化补料策略，可以控制发酵过程中的物质 流和能量流，从而降低能耗和减少废气排放。
2
开发新型的传感器和控制系统可以帮助实现精确 的补料控制，从而降低能耗和减少废气排放。

发酵动力学

发酵动力学

产物形成与生长有 关，如酒精、某些 酶等。
5、部分生长关联型
➢产 物也来 源于能 量代谢所消耗的基质， 但产物的形成在与初 级代谢分开的次级代 谢中，出现两个峰， 菌体生长进入稳定期， 出现产物形成高峰。
➢例如，柠檬酸和某 些氨基酸的发酵。
6、非生长关联型
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。
无抑制的细胞生长动力学 ——Monod方程
现代细胞生长动力学的奠基人Monod 在1942年便指出，在培养基中无抑制剂存 在的情况下，细胞的比生长速率与限制性 基质浓度的关系可用下式表示：
式中： —— 比生长速率；
—— 最大比生长速率， S —— 限制性基质浓度(g/L)； Ks —— 饱和常数(g/L)，其值等于比生长 速率为最大比生长速率一半时的限制性基质浓度。
细胞生长的比速率为： 1 dx
x dt
底物消耗的比速率为qs∶
qs
1 ds x dt
产物形成的比速率为qp：
qp
1 x
dp dt
5.2 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。 5.2.1 微生物生长动力学
在对数生长期的时候，微生物的生长速率 达到最大并维持恒定值，其生长速率可用数 学式表示为：
连续发酵是指以一定的速度向发酵罐内添 加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液， 从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳 定状态下生长。 优点：长期连续进行，生产能力可达间歇发
酵的数倍。 缺点：操作控制要求高，设备投资高，杂菌
污染和菌种变异较严重，原料利用率 低，产物浓度低。

发酵工程工艺原理：5微生物发酵动力学

发酵工程工艺原理：5微生物发酵动力学
Ks=0.02(kg/m3)
μm=0.18(h-1)
微生物在一个密闭系统中的生长情况：
菌体浓度
减速期
平衡期 衰亡期
延迟期
对数生长期
时间
延迟期：dx 0 dt
对数生长期: max
倍增时间：td 减速期: d 0
dt 平衡期：dx 0 ; X Xmax
dt
衰亡期: dx 0 dt
二、分批培养中基质消耗动力学
基，接种微生物，通过其代谢活动，使发酵原料转化成发 酵产品。有表面发酵和深层发酵两种形式。
深层发酵：是微生物的菌体或菌丝体均匀分散在液体培养
基中，通过向培养液强制通气或不通气以及搅拌进行产物 合成。
优点：设备占地面积少，生产规模大；发酵速度快，生产
效率高；生产机械化，易于自动控制，劳动生产率高；发 酵设备密闭，传热传质良好，生产便于管理；副产物少， 有利于产品提取，所得产品质量高。
若D＞μ，则dX/dt＜0，系统内细胞浓度不断减
少，营养物的消耗也减少，从而S增大，μ随之
上升，直至μ= D。
二、限制性营养物的物料衡算
流入的 流出的 用于菌体合 积累的 营养物 － 营养物 － 成的营养物 = 营养物
F S 0 F S X dS
V
V
YX / S dt
S0、S—流入和流出的营养物浓度（g/L） YX/S—细胞得率系数（g/g营养）
固态发酵
优点：设备简单，能耗低，原料粗放，不易污染， 产物回收所耗溶剂和所生废水均少。
缺点：设备占地面积多，劳动强度大，传质和传 热困难，副产物多，培养过程中进行检测困难。
现状：随着设备和技术改善更新，问题逐步被解 决，以上缺陷已不是严重问题。
2．液体发酵生产 液体发酵是将发酵原料制成液体培养

发酵工程-发酵动力学

发酵工程-发酵动力学
或
S S Ks
max max
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。
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 μ (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μ max，Ks和
发酵动力学
一、分批发酵 分批发酵的操作最为简单，在培养基中接
种后只需维持一定的温度，对于好氧培养过程 则还需进行通气搅拌。向发酵罐内一次性投入 发酵培养基和菌种，中间除了空气进行和尾气 排出，与外部没有任何物料交换，放料后再重 复投料、灭菌、接种和发酵等操作。
采用分批发酵操作简单、周期短、染菌的 机会减少，而且生产过程、产品质量容易控制。 但分批发酵不利于测定其生长过程动力学，因 使用复合培养基，底物限制或抑制问题非常复 杂；对底物类型及初始浓度敏感的次级代谢物 如一些抗生素等不适合采用分批发酵。
maxS
Ks S
式中，μ max最大比生长速率，h-1；Ks为底物饱和
常数，g/L。
饱和常数Ks的物理意义是Ks为比生长速率等
最大比生长速率的一半时的底物浓度。 Monod方程的参数求解(双倒数法)：
将Monod方程取倒数可得：
1 1 Ks 1
max max S
dP X
dt
二、补料分批发酵
由于分批发酵中养分会很快耗竭，无法 维持微生物继续生长和生产，因此工业 发酵又发展了补料分批发酵技术（也称 为流加发酵）和连续发酵技术。
补料分批发酵是在分批发酵过程中 补入新鲜的料液，以克服由于养分的不 足而导致发酵过程的过早结束，延长对 数生长期，增加生物量。由于只有料液 的输入，没有输出，因此，发酵液的体 积在增加，到了一定时候即需结束培养， 或者将部分培养液取出，剩下的培养液 继续进行补料分批发酵。

发酵原理及操作方法

发酵原理及操作方法

发酵原理及操作方法发酵是指有机物在无氧或微氧条件下，通过微生物酶的作用转化为其他有机物的过程。

发酵具有重要的工业、农业和食品加工应用，如酒精发酵、面包发酵和乳酸发酵等。

本文将详细介绍发酵的原理和操作方法。

发酵的原理：发酵是由微生物酶催化引起的一系列化学反应。

常见的发酵微生物包括细菌、酵母菌和真菌等。

发酵常用的基质有糖类、蛋白质和脂肪等。

发酵是一种无氧过程，其最终产物通常是醇类、有机酸、气体和二氧化碳等。

发酵的步骤：发酵一般包括以下几个步骤：物料准备、接种、培养和收获。

1. 物料准备：根据发酵的要求，选择合适的基质和微生物菌株。

基质可以是糖类、蛋白质和脂肪等有机物，需要保证基质的纯度和浓度。

2. 接种：将所选的微生物菌株接种到含有基质的培养基中。

接种需要注意无菌操作，以防止污染。

通常使用勺子、滴管或注射器等工具将菌株转移到培养基中。

3. 培养：将培养基加热灭菌，然后放入合适的培养容器中。

培养条件包括温度、湿度、pH值和氧气浓度等。

这些条件可以根据菌株的需要进行调整。

在培养过程中，需要定期检测和调整培养基的成分和条件，以促进微生物生长和代谢产物形成。

4. 收获：根据发酵的要求，在微生物生长到最佳状态时进行收获。

收获的方式可以是离心或过滤等，以分离微生物和发酵产物。

发酵的注意事项：1. 保持无菌操作：发酵过程中，要注意保持所有器具和培养环境的无菌状态，以防止污染物进入发酵体系，从而影响发酵效果。

2. 控制发酵条件：温度、湿度、pH值和氧气浓度等发酵条件对微生物的生长和代谢产物的形成都有重要影响。

需要根据菌株的要求，调整这些因素，以获得最佳的发酵效果。

3. 检测和调整培养基成分：在培养过程中，需要定期检测和调整培养基中的成分，以满足微生物的生长需求。

这可以通过检测培养物的营养物消耗和代谢产物形成情况来实现。

4. 控制发酵时间：发酵时间的长短对发酵产物的生成和累积有重要影响。

需要根据微生物菌株的特点和发酵产物的要求，控制发酵时间。

简述发酵培养的四种操作方式的概念及特点

简述发酵培养的四种操作方式的概念及特点

简述发酵培养的四种操作方式的概念及特点下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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发酵操作方式及发酵动力学

发酵操作方式及发酵动力学
决定论模型不考虑每个细胞的差异，而是取菌 体性质及数量的平均值进行数学处理。
B-1a 均相模型
微生物群体 是一种认为菌体均匀分散于培养液中，可作为
均相处理的决定论模型
B-1b生物相分离模型 微生物群体
是将菌体作为与培养液（连续相）分离的生物 相处理所建立的决定论模型。这种模型需说明 培养液与菌体间的物质传递及分配效应。
B-2a 结构模型 B-2b 非结构模型
微生物群体 微生物群体
考虑菌体组成的变化，将活菌体和死菌体分别 处理。均相模型和生物相分离模型均可分别构 成结构模型。
这种模型与结构模型的主要区别在于它不考虑 细胞组成的变化
二、建立数学模型的一般原则
1）明确建立模型的目的。 除为了深入研究微生物生长这一复杂现象外，
2、按发酵培养基物理状态分
1）固体发酵
根据物料堆放的厚薄分为: 薄层发酵 ：
木盘或苇帘，1～2cm，培养箱或曲室内 厚层发酵 ：
深槽或池，架设帘，30cm以上，接种后通气
通风厚层发酵
固 体 发 酵 罐
固体发酵罐
固体发酵优点：
可直接采用农副产品为原料，生产成本和能量消耗都较低； 发酵培养基含水分低，有时产物浓度大大高于液体培养。
连续不断地补加新鲜培养基，连续不断地排出培养物
连续培养的类型：
罐式连续培养
恒化连续培养
◇ 同据的设多情备级况类连。型续培养管特式别连适续用培于养细胞据生控长制和方产法物合成恒的浊最连佳续条培件养不
例如用葡萄糖循-环半式乳连糖续培培养养基培养Monascus生产-半乳糖苷酶时，
葡据萄菌糖种有利于菌体的生长，而酶的生产则受半乳糖的诱导，但 葡萄糖又对◇半非经乳循连糖环续的式培利连养用续后产培，生养流阻出遏的作培用养。液根进据行这固一液特分点离，，靠经考 虑采用二级浓连缩续后培的养细。胞第悬一浮级液用再葡被萄送糖回作发为酵碳罐源；，以获得大量 菌据体级，数第二◇级也单加称级入为连半细续乳胞培糖回养，流促连进续酶培的养生；产。

第八章发酵培养方法及发酵动力学

第八章发酵培养方法及发酵动力学
解：将数据整理：
S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221
S S Ks
m m
/s
400
300
200
100
0 0
ks m 108.4
100
s
S S Ks
m m
1 m
0.9
200
μmax＝1.11 (h-1); Ks＝97.6 mg/L
遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧 的矛盾。②避免培养基积累有毒代谢物。 • 缺点：增加了染菌机会；比生产速率下降。 • 适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、 酶、核苷酸、有机酸等的生产。
三、连续培养技术
• 连续进出料液，保持发酵液体积恒定，使培养物在近似恒 定状态下生长的培养方法。
4. 在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间歇培养 时得到结果如表所示：
时间/h X/(g/L) S/(g/L)
时间/h X/(g/L) S/(g/L)
0
0.2
9.23
12
3.2
4.6
2
0.211
9.21
14
5.6
0.92
4
0.306
9.07
16
6.15
0.077
8
0.98
8.03
18
6.2
0
10
• 缺点
– 产率低 – 不适于测定动力学数据
分批培养中微生物的生长
迟滞期
对数生长期
稳 定期
衰亡期
二、分批补料培养技术
补加底物
较低浓度底物
底物消耗
底物浓度保持 在一定范围
维持微生 物生长
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1 dX X dt
ln x ln x0
m s
Ks s
t
式中: S—限制性基质浓度，mol/L Ks—底物亲和常数, mol/L ； 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 =µ m ② 当S较低时，(减速期， S<<10Ks)，此时S↓，µ ↓ ∴ 减速期， µ ↓
式中，Kis为抑制常数，抑制作用越强，Kis越小
② 高浓度产物抑制的情况下
A: m B: m C: m
B
C
S (1 kP) 线性 KS S
S exp(kP) 指数 KS S
A
初 始 底 物 浓 度 S0
S k1 ( P k 2 ) 产物积累一定量才有抑制 KS S 作用
产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直接结果，菌体生长速率的变 化与产物生成速率的变化相平行。
与生长部分相关→生长部分偶联型：柠檬酸、氨基酸发酵
dP dx x qP dt dt
产物间接由能量代谢生成，不是底物的直接氧化产物， 而是菌体内生物氧化过程的主流产物（与初生代谢紧密 关联）。
d 1 2 dt t
5、补料发酵的优点
• 可以解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏 效应。 • 避免在分批发酵中因一次性投糖过多造成细胞大量生长， 耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。 • 菌体可被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来作为 控制细胞质量的手段。
三、连续发酵(continuous fermentation)
其中：k，k1，k2为常数
培养基中存在多种限制性营养物
Monod方程可修整为
K1S1 K 2 S2 KnSn 1 max K S K S Kn Sn Ki 2 2 1 1 i 1
B、基质消耗动力学
①
②
d PV qP xV dt
V：补料体积，L；F：补料流量，L/min
③
• 细胞总量的变化率为 d xV dx dV •
dt V dt x dt
④
若为恒速流加，培养基流量为F， 则 合并①、④、⑤式 得
dV F dt
⑤
dx xV V xF dt dx F ( ) x ( D) x dt V
dx lag: x不变, 即 dt 0, 0
X t X 0e X 0
t
exp:(假定无抑制作用存在)
m
1 dx m x dt ln x ln x0 mt x x0 e
mt
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
如果不存在抑制物时 Monod 模型: m s Ks s
1、定义
当发酵过程启动到一定阶段（产物合成最适时期）一边 连续补充发酵培养液，一边又以相同的流速放出发酵液， 维持发酵液的原先体积的操作方式。
• 2、特点
添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生产过 程，获得相对稳定的连续发酵状态。
• 3、类型
单级
多级连续发酵
4、连续发酵类型及装置
（1） 罐式连续发酵
qP m qS YG YP

qS

YX / S
ds 1 dp dt YP / S dt

YX / S
qp qs YP / S
qP qP m = YG YP YP / S
若生长阶段产物生成可以忽略，即
1 YX / S

1 m YG
qP 0 YP
图解法求微生物的本征参数YG和m m
发酵菌种的选育
获得特定代谢特征的微生物
发酵培养基设计
发 酵 过 程 进 程
提供满足代谢要求的基质组合
营造适应纯培养的环境 维持无菌状态及耗氧的需求 制备符合发酵需要的催化剂
灭菌工程 无菌空气制备 发酵种子扩大
发酵操作方式
发酵过程控制 发酵反应器
发酵操作方式及其动力学特征
教学内容参见教材p95-119
D
细胞的物料衡算（µ 和D的关系）
积累的细胞（净增量）= 流入的细胞-流出的细胞+生长的细 胞-死亡的细胞
dx F F dx x0 x x dt V V dt G Dx0 Dx x x
• 得率系数：指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量。
其大小取决于生物学参数（µ , x ）和化学参数（DO,C/N, 磷含量等）
生长得率系数
① Yx/s 、 Yx/o 、 Yx/kcal ：消耗每克营养物、每克分子氧以及 每千卡能量所生成的细胞克数；
② Yx/c、 Yx/N、 Yx/p、Yx/Ave- ：消耗每克C、每克N、每克P 和每个有效电子所生成的细胞克数； ③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。
d PV dV dP dP P V FP V qP xV dt dt dt dt
拟稳态时
这时
• 对于恒速流加，细胞的比生长速率对时间的变化率为：
d d F F2 F2 2 2 dt dt V V V0 Ft
• 长时间流加培养之后
分批发酵
补料分批 发酵
连续发酵
发酵过程按操作方式区别一般分为3个基本类型
一、分批发酵（Batch fermentation)
• 1、定义：将发酵培养基一次性投入发酵罐，接
种发酵后再一次性地将发酵液放出的一种间歇
式发酵操作方式。
2、特点
准封闭式的系统 非稳定的过程 使用最广泛的方式
灭菌
配料
种 子 菌种 活化 摇瓶 发 酵 空气 除菌 发酵液
基质浓度、菌体深度/g/L
产物浓度/g/mL
（2）发酵动力学研究的基本过程
• 寻找过程变化的理化参数。 • 分析参数变化与发酵代谢之间的规律。
• 建立数学模型描述参数间变化的关系。
• 在线控制，验证和修饰模型。
（3）分批发酵动力学
a. 细胞生长动力学 b. 基质消耗动力学 c. 产物形成动力学
a、细胞生长动力学
1/Yx/s
1/YG
1 YX / S

m


1 YG
1/ µ
若生产阶段微生物生长可以忽略，即

YG
0

YX / S
qP qP m = YG YP YP / S


YG

0
1 YP / S
1 m YP qP
图解法求微生物的本征参数Yp和m m
1/Yp/s
1/YP
1 YP / S

x x0e
t
Stationary（不生长或生长率与死亡率相等）:
1 dx 0，x xmax （浓度最大） x dt
dying:
a
1 dX X dt
(比死亡速率 ，s-1)
ln x ln xm at
x xme
at
假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则分批发酵过程 中微生物生长动力学可用阶段函数表示如下： 0 µ m µ=


a.单级
b.多级串联
单级连续发酵示意图

多级罐式连续发酵装置示意图
C. 细胞回流式
细胞回流的单级连续发酵示意图
α: 再循环比率（回流比） c: 浓缩因子
(2)塞流式
培养基流入
培养物流出
发酵罐
单级恒化器连续发酵
定义： ① 稀释率 D=F/V (h-1) F—流量（m3/h） V—培养液体积（m3） 1 ② 理论停留时间 TL
二、补料分批发酵（Fed-batch culture）
• 1、定义：指在分批发酵过程中，间歇或连续地以某种方式向培养系
统中补加一定物料不从发酵体系中排出发酵液，使发酵液的体积随着
发酵时间逐渐增加的发酵生产技术。
• 2、特点：
稀释率、比生长速率以及其它与代谢有关的参数都将发生周期性
的变化。
3、补料分批发酵类型
专一性：
ds x 1 dp m x dt YG YP dt
m为维持因子
•为了扣除细胞量的影响， •基质比消耗速率
1 ds qS x dt
1 dP 产物比生成速率 q P x dt
ds x 1 dp m x dt YG YP dt
ds 1 dx x dt YX / S dt YX / S
* 专一性用于生长的底物量△S` ，不含用于维持能耗及 产物形成部分的用量。
基质消耗速率与生长、合成关系： 表观：
dx ds ds 1 dx x YX / S dt dt dt YX / S dt YX / S
dp ds ds 1 dp YP / S dt dt dt YP / S dt
连续流加 补料方式 不连续流加 多周期流加
补加的培 养基成分 单一组分补料 多组分补料 快速流加 流加方式 恒速流加 变速流加
4、补料分批发酵动力学
• 整个发酵罐中细胞、限制性基质和产物总量的变化速
率可用下式表示：
d xV xV dt
d SV 1 d xV FS0 dt YX / S dt
与生长不相关→无关联：抗生素发酵
dP x dt
qp
若考虑到产物可能存在分解时，则
dP x k d P q p x k d P dt
产物生成与能量代谢不直接相关，通过细胞
进行的独特的生物合成反应而生成。
5、分批发酵的优缺点
优点： 操作简单、投资少 运行周期短 染菌机会减少 生产过程、产品质量较易控制 缺点： 不利于测定过程动力学，存在底物限制或抑制问题， 会出现底物分解阻遏效应及二次生长现象。 对底物类型及初始高浓度敏感的次级代谢物如一些 抗生素等不适合用分批发酵. 养分耗竭快，无法维持微生物继续生长和生产 非生产时间长，生产率较低