发酵动力学名词解释

第五章 发酵过程动力学的基本概念 发酵动力学内容
发酵动力学： 是研究发酵过程中菌体生长、 发酵动力学 ： 是研究发酵过程中菌体生长 、 基质消耗、 基质消耗 、 产物生成的动态平衡及其内在规 律 研究内容： 研究内容 ： 包括了解发酵过程中菌体生长速 率 、 基质消耗速率和产物生成速率的相互关 环境因素对三者的影响， 系 ， 环境因素对三者的影响 ， 以及影响其反 应速度的条件
/jpkc/fjgc
微生物生长动力学的基本概念
延滞期解决途径： 延滞期解决途径：
一是尽量选择处于指数生长期的种子 二是扩大接种量。但是，如果要扩大接种量， 二是扩大接种量 。 但是 ， 如果要扩大接种量 ， 又 往往需要多级扩大制种， 往往需要多级扩大制种 ， 这不仅增加了发酵的复 杂程度，又容易造成杂菌污染，故而应从多方面 杂程度， 又容易造成杂菌污染， 考虑
dt
稳定期 稳定期：
时间
dx =0 dt
;
X = X max
dx <0 dt 倍增时间（ 倍增时间（doubling time）：细胞浓度增长一倍所需要的时间 ）
衰亡期: 衰亡期:
/jpkc/fjgc
微生物生长动力学的基本概念 (一) 延滞期 把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的最 初一段时间里，尽管微生物细胞的重量有所增加， 初一段时间里 ， 尽管微生物细胞的重量有所增加 ， 但细胞的数量没有增加。 但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞期
/jpkc/fjgc
发酵过程动力学的基本概念 第一节 发酵过程的反应描述及速度概念
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物） （底物） （菌体） （产物） 发酵研究的内容： 发酵研究的内容： 菌种的来源——找到一个好的菌种 找到一个好的菌种 菌种的来源 发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力 最大限度发挥菌种的潜力 发酵过程的工艺控制

基质消耗动力学 基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成 分，其消耗分为三个方面：
细胞生长，合成新细胞；
细胞维持生命所消耗能量的需求；
合成代谢产物。
发酵动力学
发酵动力学涉及的常规参数
符号 X S P O C Hv 参数 生物量 底物 产物 氧 二氧化碳 发酵热 测量方法 细胞干重，浊度，细胞数 酶法分析，化学法，色谱法 酶法分析、HPLC 或特殊方法 PO－专用电极分析 ＰCO２－专用电极分析 温度、热平衡
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
6.1 分批发酵动力学

分批发酵动力学主要研究微生物在分批发酵过 程中生长动力学、基质消耗动力学和代谢产物
生产动力学。
什么是分批发酵？
分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接
X为菌体浓度， 为针对底物 的细胞得率，初始X0为零； S0为底物初始浓度； St为底物残留浓度。
A～B区：菌体浓度与初 始底物浓度成正比，有： X YX / S (S0 St )
分批发酵动力学-细胞生长动力学
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
(1)若不存在抑制物时
Monod 模型:
μ：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：底物亲和常数 μmax: 最大比生长速度
S Ks S
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。
限制性底物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 相对贫乏时，就可能成为限制微生物生 长的因子，可以是C源、N源、无机或有 机因子。

40
0.31 129
64
0.43 148.8
102
0.53 192.5
S
μ
S/ μ
（mg/L ） （h-1）
122
0.60 203.3
153
0.66 231.8
170
0.69 246.4
221
0.70 311.3
210
0.73 287.7
44
S/ μ
做S/ μ-S
图
350
300
250
200
150
100
X X 0
m0tdt
X X e ln Xt mt
X0
t
mt
0
05年3月
发酵工艺原理
35
比生长速率的图解计算
ln Xt mt
X0
ln Xt mt ln X 0
几种不同微生物的μ max值
微生物
细菌 酵母 霉菌
培养温度（℃） μmax(h-1)
37
0.6～1.0
控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。
3
■发酵动力学研究内容
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
4
具体内容
1. 微生物生长，死亡动力学； 2. 基质消耗动力学； 3. 氧消耗动力学； 4. CO2生成动力学； 5. 产物合成和降解动力学； 6. 代谢热生成动力学。
m m S
以1/S为横坐标，1/μ为 纵坐标，得一条直线， 由直线与x轴和y轴相交， 分别求得：
Ks=0.02(kg/m3)
μ m=0.18(h-1)
计算举例

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。

m S m
1 KS 1 1
max S max
1



1 KS

KS
斜率 max
1
max
1 S
Monod方程式双倒数图
求μm和 Ks。
解：将Monod方程变形：
1 1 Ks 1
m m S
以1/S为横坐标，1/μ为 纵坐标，得一条直线， 由直线与x轴和y轴相交， 分别求得：
分批发酵动力学-产物形成动力学
生长部分相关→生长部分偶联型：
柠檬酸、氨基酸发酵
dP dt

dX dt
X
qP

α: 与菌体生长相关的产物生成系数
β: 与菌体浓度相关的产物生成系数
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）。
相关型
部分相关型
非相关型
产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图
分批培养中的产物形成：
Ⅰ型：生长偶联产物生成 ——菌体生长、碳源利 用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形 成直接与碳源利用有关。
Ⅱ型：生长与产物生成部分偶联——在生长开始后 并无产物生成，在生长继续进行到某一阶段才有 产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。
分批发酵动力学-产物形成动力学
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 dt

X

kd P

qp X

kd P
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。

第八章发酵动力学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科学。

fermentation kinetics生化反应工程的基础内容之一，以研究发酵过程的反应速率和环境因素对速率的影响为主要内容。

通过发酵动力学的研究，可进一步了解微生物的生理特征，菌体生长和产物形成的合适条件，以及各种发酵参数之间的关系，为发酵过程的工艺控制、发酵罐的设计放大和用计算机对发酵过程的控发酵动力学制创造条件。

研究发酵过程中菌的生长速率、培养基的消耗速率和产品形成速率的相互作用和随时间变化的规律。

发酵动力学包括化学热力学(研究反应的方向)和化学动力学(研究反应的速度)并涉及酶反应动力学和细胞生长动力学。

它为发酵过程的控制、小罐试验数据的放大以及从分批发酵过渡到半连续发酵和连续发酵提供了理论基础。

发酵动力学也是计算机模拟发酵过程研究及发酵过程计算机在线控制的基础。

在发酵中同时存在着菌体生长和产物形成两个过程，它们都需要消耗培养基中的基质，发酵动力学因此有各自的动力学表达式，但它们之间是有相互联系的，都是以菌体生长动力学为基础的。

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，其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、温度和pH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X,产物浓度P和限制性基质浓度S均随时间t变化菌体生长可分迟滞、对数、减速、静止、衰退等五个时期。

其中菌体的主要生长期是对数期，它的特点是：随着基质浓度继续下降，菌体的衰老死亡逐步与生长平衡以至超过生长，也即进入静止和衰退期。

发酵动力学J.莫诺于1949年提出了一个μ与S间的经验关联式，此式被称莫诺方程式：μm为最大比生长速率, 即不因基质浓度变化而改变的最大μ值;Ks为饱和常数，即在数量上相当于μ=0.5μm时的S值。

Ks值愈小，说明在低基质浓度范围中，S对μ愈为敏感,而保持μm的临界S值愈低。

• 把它们随时间变化的过程绘制成图，就
成为所说的代谢曲线。
• 比生长速率μ
每小时(单位时间)单位质量的菌体所
增加的菌体量称为菌体比生长速率。
它是表征微生物生长速率的一个参数 ，也是发酵动力学中的一个重要参数。
发酵过程
• 微生物生长
• 底物消耗
• 代谢产物合成
• Gaden's fermentation classification（按照菌体生长，
产物直接来源于产能的初级
第 一 类 型 （ 生 长 关 联 型 ）
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
dP dt
x 或
P
Q

dP Xdt


：生长关联型产物的形 成比例（g产物 / g菌体）
Q ：产物合成的比速率
P
■
第 二 类 型 （ 部 分 生 长 关 联 型 ）
产物合成动力学
• Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的 关系，将产物形成区分为三种类型 • 类型Ⅰ∶也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳 酸）
rP YP / X rX YP / X X
• 类型Ⅱ∶也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）
rP rX X
• 类型Ⅲ∶也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生
补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation)
分批发酵
分批发酵: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减少，微生物得 到繁殖。

求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks?
解：将数据整理：
s
S
100 137.5 192.5 231.8 311.3
6
33
64
153
221
S


S
m

m
Ks
s
400
S
300


S
m

m
Ks
/s
200
1
100
m 0.9
ks
0 0
m 108.4
100 200
μmax＝1.11 (h-1); Ks＝97.6 mg/L
⑴ YG的计算
例：以碳水化合物为碳源，通风培养饲料酵母，建立以下平衡： 6.67 CH2O+ 2.10 O2 → C3.92H6.5O1.94 + 2.75 CO2 + 3.42 H2O
200
67.2
84.6≈100（加上N、S和无机盐等）
（2）产物的比形成速率（μp ）
单位时间单位菌体产生的产物的量。 1 dp p x dt
式中，μp ——产物的比形成速率[（h－1）或者mol/（g菌体· h）] ；
2 分批发酵动力学
2.1 微生物生长动力学 2.2 产物形成的动力学
2.1 微生物生长动力学
延滞期 = 0 加速期 0＜ ＜max 对数期 = max 减速期 0＜ ＜max 图1 单细胞生物分批培养生长曲线
＝ max
式中，s ——限制性基质浓度；
s Ks s
Ks —— 饱和常数，数值上等于当 = 1μmax 时的基 质浓度，是生物对某种基质的亲和力大小的量 度。Ks越大，表示生物对该基质的亲和力越小；

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

发酵动力学的概念和研究内容
发酵动力学是研究发酵过程中微生物生长和代谢的速率和规律
的科学，是微生物发酵工程的重要组成部分。

发酵动力学的研究内容包括发酵过程中的微生物生长动力学、底物代谢动力学和产物生成动力学。

微生物生长动力学是研究微生物在发酵过程中生长的速率和规律。

在发酵过程中，微生物对培养基中的营养物质进行吸收和利用，生长并繁殖。

微生物的生长速率受到多种因素的影响，如温度、pH值、氧
气浓度、营养物质浓度等。

通过实验和数学模型，可以了解微生物的生长速率与这些因素之间的关系，为优化发酵过程提供理论依据。

底物代谢动力学是研究微生物在发酵过程中对底物的利用速率和规律。

微生物通过代谢途径将底物转化为产物，同时产生能量和细胞所需的物质。

底物的利用速率受到微生物的生长速率和代谢途径的调控。

通过研究底物代谢动力学，可以了解微生物对底物的利用效率，为优化底物供应策略和产物生成提供指导。

产物生成动力学是研究发酵过程中产物的生成速率和规律。

在发酵过程中，微生物通过代谢途径将底物转化为产物。

产物的生成速率受到微生物的生长速率和底物的利用速率的影响，同时也受到产物对微生物生长的抑制效应。

通过研究产物生成动力学，可以了解产物的积累
速率和抑制效应，为优化发酵过程和产物纯化提供理论指导。

综上所述，发酵动力学的研究内容涵盖微生物生长动力学、底物代谢动力学和产物生成动力学三个方面，通过研究这些内容，可以深入了解发酵过程中微生物的生长和代谢规律，为优化发酵工艺和提高产物产量提供理论支持。

dP dt
YP / X
dX dt
YP / X X
或
QP YP / X
根据细胞生长与产物形成的关系
非相关型
细胞生长时无产物；细胞停止生长后，则有大量
产物积累。产物的形成速率只与细胞积累量有关， 产物的合成发生在细胞停止生长之后，习惯上把这 类与细胞生长无关联的产物称为次级代谢产物。如 大多数抗生素和微生物毒素的发酵。
Contois方程式 前面的方程中都没有出现X，即菌体浓度。 当菌浓很高，发酵液黏度很大时，采用如下 方程 ：
u um s KX X s
其中KX是考虑了菌浓的饱和常数
多种底物现象
同时使用型 优先使用型
其它
K1s K2s
K1s s K2s s
K1
maxs1 s2
s1K2
s2
dX X
dt
营养物质限制生长微生物的典型生长形式 符合Monod方程
u um s Ks s
Monod方程
u um s Ks s
μ 为比生长速率(s-1)； μmax为最大比生长速率(s-1)， s为限制性底物浓度(g／L)。 Ks为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率恰为最大比生长
max
s1 Ka1
s1Biblioteka s2 Ka2 s2
分批发酵-底物消耗动力学
实际产物得率与菌体生长得率的关系
-ΔS = (-ΔS)M + (-ΔS)G + (-ΔS)P
生长得率
YX / S
X S
理论生长得率
Ygs
X (S )G
同样，对于产物得率
实际产物得率
P YP / S S
理论产物得率 （产物最大得率）

X m e max t Xm X m X 0 X 0 e max t P X 0 X X X e max t 1 ln Xm max 0 0 m A(t ) B (t )
根据实验数据，以[P-B(t)]~A(t)作图，其斜率为。
对产物生成动力学，采用Luedeking-Piret方程。在 平衡期，即dX/dt = 0，则可用下式求得：
dP dX X 则Luedeking-Piret方程两边乘以dt得： dt dt
( dp / dt) st Xm
dP dX Xdt
将Logistic方程的积分式代入上式，并以t=0, P=0， X=X0为边界条件，积分后得：
X 0 X me X max t X m X 0 X 0e
利用Origin的非线性回归功能，首先编辑其积分 式函数，然后根据Xm和实验数据，进行非线性回 归，便可方便地求取动力学参数，并将模型计算 值与实验值进行比较，以评价模型的正确性。
max t
因此, X0=P1=0.42 g/L Xm=P2=2.40 g/L
产物生成速率rP
dP rP dt
氧的消耗速率rO 、CO2生成速率rCO2
4.
比速率
1 dX X dt
比生长速率 比消耗速率qS
1 dS qS X dt
1 dP qP X dt
比生成速率qP
维持系数m S
1 S mS ( )M X t
9.2 细胞生长动力学模型
无抑制的细胞生 长动力学模型 细胞生 长动力 学模型 有抑制的细胞生 长动力学模型
两边除于X，则
qS mS
1 YX / S
*

微生物比生长速率与底物之间有一定的关系
�
a表示一样物质浓 线段 线段a 度很低时。 b为符合 Monod 方程 线段 线段b 为符合Monod Monod方程 段。 c表示营养物质浓 线段 线段c 度很高时。
�
�
Monod方程的参数求解(双倒数法)：
µ = µ max S Ks + S
将Monod方程取倒数可得：
或 Q P＝αµ＋β
式中：α —与生长偶联的产物形成系数，g / g细胞；
β —非生长偶联的比生产速率，g /( g细胞 • h )。
说明：代谢产物收率
�
定义：生成的代谢产物量ΔP对底物的消耗量 ΔS（g）之比定义为代谢产物收率（YP/S）。
YP / S
∆P =− ( g / g或mol / mol ) ∆S
− υS =
υX YX / S
=-
YX / S —菌体得率系数，g / g
υ υ＝ S X
µ YX/S
当基质既是能源又是碳源时：
碳源总消耗速率＝用于生长的消耗速率＋用于维持代谢的消耗速率
基质的消耗速率
1 − υS = υX + m • X YG
m —基质维持代谢系数，mol /( g, 菌体 • h) －υS —碳源总消耗速率，mol /( L • h)
�
其动力学方程可表示为：
d [P] = β X 或 Q P = β dt
式中：β —非生长偶联的比生产速率，g /( g 细胞 • h)。
�
(3)类型Ⅱ（混合型）
产物的形成与细胞生长部分相关或具有间接关 系，例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。 其动力学方程可表示为：
d [ P] dX =α + β X = αµ X + β X dt dt

非结构模型
最理想情况
结构模型
均衡 生长 细胞之间无差异， 是均一的，细胞内 有多个组分存在。
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一 细胞群体做为一种溶质
A
不考虑细胞内部结构 均衡 生长
B 实际情况：
概率论模型 各种细胞不均一
C 对细胞群体的描述模型
细胞内多组分；
细胞之间不均一 D

（2） 宏观处理法




(3) 发酵周期

实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时 间。 工业生产周期，计算劳动生产率时则应把发酵 罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间计算 在内，以反映发酵设备的利用效率。即从第一 罐接种经发酵结束至第二次接种为止这段时间 为一个发酵周期。

2. 有机化合物中的化合能 ① 完全燃烧需氧量

6. 发酵动力学与过程优化控制 发酵动力学通过对微生物生长率、基质 和氧消耗率、产物合成率的动态研究， 实现发酵条件参数的在线检测，确定发 酵动力学模型，实现动态过程优化控制， 取得发酵产物最大量。

第 2节
发酵动力学分类
1. 根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类
细胞浓度 (x) 或产物浓度对时间作图时， 两者密切平行，其最大的比生长速率和 最大的产物合成比速率出现在同一时刻。 一般来说在这种类型的发酵生产中，控 制好最佳生长条件就可获得产物合成的 最适条件。
〖Ⅰ型发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
p x

（2）生长产物合成半偶联类型：亦称Ⅱ型
它是介于生长产物合成偶联型与生长产物合成非偶联 之间的中间类型，产物的合成存在着与生长相联和不 相联两个部分。
该类型的动力学产物合成比速率的最高时刻要迟于比 生长速率最高时刻的到来。 如柠檬酸、谷氨酸、赖氨酸、依康酸、丙酮、丁醇发 酵

的中间类型，产物的合成存在着与生长相联和不相联两个 部分。 • 该类型的动力学产物合成比速率的最高时刻要迟于比生长 速率最高时刻的到来。
• 如柠檬酸、谷氨酸、赖氨酸、依康酸、丙酮、丁醇发酵
（3）生产与产物合成非偶联类型：Ⅲ型
特点
• 多数次生代谢产物的发酵属这种类型，如各种抗生素和
微生物毒素等物质的生产速率很难与生长相联系。产物
• 产物的形成与生长是平行的。
• 产物合成速度与微生物生长速度呈线性关系，而且生长与
营养物的消耗成准定量关系。
• 这种类型的产物主要是葡萄糖代谢的初级中间产物， • 如酒精、葡萄糖酸、乳酸发酵就属于此类型。
（2）生长产物合成半偶联类型：亦称Ⅱ型
特点
• 它是介于生长产物合成偶联型与生长产物合成非偶联之间
dying:
a
x xme
(比死亡速率 ，s-1)
ln x ln xm at
at
分批发酵动力学-细胞生长动力学
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：
0 µm µ=
m s
K0 s s
x0 （0<t<t1) x0e µm t (t1<t<t2) x= x0e µ (t -t ) e µt
(3) 类型Ⅲ • 产物的形成显然与基质 (糖类)的消耗无关，例如青霉
素、链霉素等抗生素发酵。
• 即产物是微生物的次级代谢产物，其特征是产物合成
与利用碳源无定量关系。产物合成在菌体生长停止及
底物被消耗完以后才开始。此种培养类型也叫做无生 长联系的培养。
3.
根据反应形式分类
(1) 简单反应型
• 营养成分以固定的化学量转化为产物，没有中间物积聚。

第11章 发酵动力学

发酵动力学：研究发酵过程中菌体生长、基质消 耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。 内容：微生物生长过程中的质量和能量平衡，发 酵工程中菌体生长速率、基质消耗速率产物生成 速率的相互关系，环境因素对三者的影响及反应 速度的条件。 目的：通过发酵动力学的研究，进行最佳工艺条 件的控制。如菌体浓度、基质浓度、温度、pH、 溶解氧以及各种发酵参数之间的关系，为发酵过 程的工艺控制、发酵罐的设计放大和用计算机对 发酵过程的控制提供依据。
（4） 衰亡期(decline phase)

细胞生活力衰退，死亡率增加，细菌总数急剧 下降。 细胞出现多形态，有的微生物出现自溶现象；


有的会进一步合成或释放对人类有益的抗生素 等次生代谢物；
11.1.2 分批培养的生长动力学方程


比生长速率和限制性营养物浓度的关系的模型表 3-1 1942年Monod提出的Monod方程(莫诺方程)。 比生长速率作为常数条件：特定温度、pH、营养 物的种类、营养物质的浓度条件下

生产实践中缩短迟缓期的常用手段

①通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟
缓期缩短；


②利用对数生长期的细胞作为种子；
③尽量使接种前后所使用的培养基组成不
要相差太大；

④适当扩大接种量
（2） 指数期（对数生长期，exponential phase）

①菌数以几何级数增加；生长速率常 数最大，代时最短而且稳定；
产物，产物合成与利用碳源无准量关系，产物合
成在菌体生长停止才开始。
微生物细胞生长和产物生成关系

生长相关型：合成的产物通常是分解代谢的直接 产物，这类初级代谢产物的生产速率与生长直接 相关； 生长部分相关型：生长与产物形成部分相关。 生长非相关型：细胞生长时无产物形成，但细胞 停止生长后，有大量产物积累，产物的形成量只 与细胞的积累量有关；

学习好资料欢迎下载C初级代谢产物：微生物合成在它们生长和繁殖过程中所必须的物质（如糖、氨基酸、脂肪、核苷酸及其聚合物）的过程；所合成的物质称为初级代谢产物。

次级代谢产物：微生物在生长和繁殖过程中合成对微生物的生长、繁殖无关或功能不明确的化合物的过程；这些化合物称为次级代谢产物。

F发酵：任何通过扩大规模培养生物细胞（含动、植物细胞和微生物细胞）来生产产品的过程。

发酵机制：微生物通过其代谢活动，利用基质合成人们所需要的产物的内在规律。

分批培养：在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物进行培养的方法。

发酵动力学：研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律的科学。

H呼吸强度：指单位质量干菌株在单位时间内的吸氧量。

耗氧速率：指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量。

J静置培养法：又称厌气培养，即将培养基盛于发酵罐中，在接种后，不通空气进行培养。

绝对过滤：是介质之间的空隙小于被滤除的微生物，当空气流过介质后，空气中的微生物被滤除的过滤方式。

L连续培养：又称连续发酵，是指以一定速度向发发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。

M灭菌：用物理或化学的方法杀死物料或设备中所有有生命的有机体的技术或工艺过程；它既能杀死营养细胞又能杀死细菌芽孢。

P培养基：微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的、按一定比例配制的、多种营养物质的混合物。

Q前体：产物的生物合成过程中，被菌体直接用于产物合成而自身结构无显著变化的物质。

T通气培养法：又称好气性发酵，这种发酵在培养过程中必须通入空气，以维持一定的溶氧水平，菌体才能迅速进行生长发酵。

同功酶：能催化相同的生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶。

调节组成酶：酶的合成不依赖于环境中的物质存在而存在的一类酶。

调节诱导酶：细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶。

调节突变株：指菌株因外界条件影响，而产生不受终产物及其结构类似物反馈抑制或阻遏的突变株，此时终产物能够大量积累。