1、发酵动力学：发酵动力学：是对微生物生长和产物形成过程的定量描述，是对微生物生长和产物形成过程的定量描述，研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系动态定量关系，定量描述定量描述微生物微生物 生长生长 和和 产物形成产物形成 过程过程。主要研究主要研究：1、发酵动力学、发酵动力学参数特征参数特征：微生物生长：微生物生长速率速率、发酵产物合成、发酵产物合成速率速率、底物消耗、底物消耗速率速率及其及其转化率、效率转化率、效率等；等；2、影响发酵动力学参数的、影响发酵动力学参数的各种理化因子各种理化因子；3、发酵动力学的、发酵动力学的数学模型数学模型。认识
2、发酵过程的规律优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧，等等提高发酵产量、效率和转化率等研究发酵动力学的目的研究发酵动力学的目的l首先研究微生物生长和产物合成限制因子；首先研究微生物生长和产物合成限制因子；l建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；l确定模型参数确定模型参数；l实验验证模型实验验证模型的可行性与适用范围；的可行性与适用范围；l根据模型实施最优控制根据模型实施最优控制。分批发酵动力学分批发酵动力学连续发酵动力学连续发酵动力学补料分批发酵动力学补料分批发酵动力学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
3、中生长动力学、基质消耗动力学和代谢产物生产动力学。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。典型的分批发酵工艺流程图分批发酵过程细胞生长动力学细胞生长动力学底物消耗动力学底物消耗动力学产物形成动力学产物形成动力学微生物细胞倍增时间与群体生长动力学细菌：典型倍增时间1hr酵母：典型倍增时间2hr放线菌和丝状真菌：典型倍增时间48hr 微生物细胞群体生长动力学是反映整个群体的生长特征，而不是单个微生物生长倍增的特征。因此，菌龄是指一个群体的表观状态。关于关于菌龄菌龄的描述的描述所谓细胞生长动力学是以研究菌体浓度、所谓细胞生长动力学是以研究菌体浓度、限制性基质（培养基
4、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。的。在分批发酵中，菌体浓度在分批发酵中，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、微生物生长速率与底物浓度的关系三、微生物生长速率与底物浓度的关系 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。t1 t2 t3 t4 t5 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线 菌体
5、浓度X时间 t分批发酵动力学-细胞生长动力学ABOUT LAG PHASE（延迟期）About Exponential Phase：对数生长期：对数生长期的微生物生长速率正比于原有的微生物数，的微生物生长速率正比于原有的微生物数，微生物生长特性通常以细胞浓度或细胞数微生物生长特性通常以细胞浓度或细胞数量倍增所需的时间来表示，因此可以直接量倍增所需的时间来表示，因此可以直接得出微生物的基本生长动力学方程：得出微生物的基本生长动力学方程：x=dtdxXdtdx 1.maxdxdtxmax0lntxtxmaxln2dt指数生长期指数生长期微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细胞数量倍增所需要的时间来表
6、示（、n）：dtdXX1dtdNNn1或tteXX0ttneNN0或X细胞浓度（g/L）；N细胞个数；t生长时间；X0、Xt初始微生物浓度和t时细胞浓度；N0、Nt初始细胞个数和t时细胞个数；以细胞浓度表示的比生长速率以细胞浓度表示的比生长速率；以细胞数量表示的比生长速率以细胞数量表示的比生长速率。n分批发酵动力学-细胞生长动力学经过一段时间的培养后，由于营养的限制，微生物生长速率逐渐衰减，即进入生长衰减期，最终出现微生物净生长速率为零，微生物进入静止期。稳定期细胞生长和死亡处于动态平衡，净生长速率为0.衰亡期，比死亡速率大于比生长速率。在对数期是常数，取得最大值，在其它生长期不是在对数期是常
7、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。在分批发酵体系中，可以通过探究在一定底物浓度范围内的微生物生长情况，来了解微生物微生物生长受底物浓度限值的特性生长受底物浓度限值的特性。CBAXS0初 始 底 物 浓 度菌 体 浓 度分批发
8、酵中初始底物浓度对稳定期分批发酵中初始底物浓度对稳定期菌体浓度的影响菌体浓度的影响 A AB B区：区：菌体浓度与初始底物浓度成正比，有：)(0/tSXSSYXX X为菌体浓度，为菌体浓度，为针对底物为针对底物的细胞得率，初始的细胞得率，初始X X0 0为零；为零；S S0 0为底物初始浓度；为底物初始浓度；S St t为底物残留浓度。为底物残留浓度。SXY/B BC C区：区：随S0增加，菌体浓度达最高水平，再增加S0，菌体不再增加。C C区：区：菌体活性受初始高浓度底物及高渗作用抑制，菌体浓度与初始底物浓度成反比。X/SY高浓度底物高浓度底物抑制的情形抑制的情形lDeclineDeclin
9、e（开始出现一种底物不足的限制）（开始出现一种底物不足的限制）:(1)(1)若不存在抑制物时若不存在抑制物时 Monod Monod 模型模型:sKssmtsKsxxsm0lnlntexx0分批发酵动力学-细胞生长动力学式中式中:S限制性基质浓度限制性基质浓度，mol/m3Ks底物亲和常数底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生物也称半饱和速度常数），表示微生物对底物的亲和力对底物的亲和力,mol/m3；Ks越大，亲和力越小，越大，亲和力越小，越小。越小。当当S较高时，较高时，(对数期满足对数期满足S10Ks)，此时，此时，=m 当当S较低时较低时，(减速期减速期，S10Ks)，此时此时S
10、，减速期，减速期，分批发酵动力学-细胞生长动力学sKssm19491949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：maxsSKS比生长素率限制性底物残留浓度St 残留的限制性底物浓度对微生物 比生长率的影响 表征与培养基中残留的生长限制性底物St的关系 tSKtSmsMonod方程：Ks底物亲和常数，等于处于1/2m时的底物浓度，表征微生物对底物的亲和力，两者成反比。maxsSKS：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：底物亲和常数：底物亲和常数max:最大比生
11、长速度最大比生长速度单一限制性基质：就是单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。起到限制作用的营养物。00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmKs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。Monod Monod 方程是典
12、型的均衡生长模型，其基本假设方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：如下：（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X X，（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，其它组分均过量，其它组分均过量，（3 3）细胞的生长视为单一反应，细胞得率为常数，）细胞的生长视为单一反应，细胞得率为常数，当当S S Ks Ks 时，时，=m S/Ks=m S/Ks，与与S S是一级动力学关系，是一级动力学关系，（4 4）S SKs Ks，=m=m，与与S S是零级动力学关是零级动力学关系。系。MonodMonod研究了基质浓度与
13、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)00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmmaxsSKSmaxsSvvKS米氏方程:00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmKs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，而米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。前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。者是经验方程，后者是机理方程
14、。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：111smmSKsmmSKS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。maxsKSS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。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
15、影响。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。不同的微生物有不同的不同的微生物有不同的max 和和Ks。即使。即使同一种微生物在不同的基质种也有不同的同一种微生物在不同的基质种也有不同的max 和和Ks。Ks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。MonodMonod方程应用方程应用：测定微生物对不同底物的亲和力大小（测定微生物对不同底物的亲和力大小（K Ks s值）值）实验确定适于微生物生长的最佳底物（实验确定适于微生物生长的最佳底物（？）？）比较不同底物发酵最终残留的大小（比较不同底物发酵最终残留的大
16、小（？）？）比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培养的稀释率养的稀释率 KS越大，表示微生物对营养物质的吸引亲和力越小，反之越大。对于许多微生物来说，KS值是很小的，一般为0.1120mg/l或0.013.0mmol/l，这表示微生物对营养物质有较高的吸收亲和力。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发酵动力学涉及的常规参数发酵动力学涉及的常规参数符号参数测量方法X生物量细胞干重，浊度，细胞数S底物酶法分析，化学法，色
17、谱法P产物酶法分析、HPLC 或特殊方法O氧PO专用电极分析C二氧化碳CO专用电极分析Hv发酵热温度、热平衡2 2、得率、得率(或产率，转化率，或产率，转化率，Y)Y)：是指被消耗的：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。包括生长物质和所合成产物之间的量的关系。包括生长得率得率(Yx/s)(Yx/s)和产物得率和产物得率(Yp/s)(Yp/s)。生长得率：生长得率：是指每消耗是指每消耗1g(1g(或或mo1)mo1)基质基质(一般指一般指碳源碳源)所产生的菌体重量所产生的菌体重量(g)(g)，即，即Yx/s=X/SYx/s=X/S产物得率：产物得率：是指每消耗是指每消耗1g(1g(或或m
18、o1)mo1)基质所合成基质所合成的产物的克数的产物的克数(或或molmol数数)。这里消耗的基质是。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量。指被微生物实际利用掉的基质数量。菌体生长速率为菌体生长速率为dtdxrxdtdsrsdtdprp3 3、有关速率的概念、有关速率的概念4 4、有关比速率的概念、有关比速率的概念基质比消耗速率基质比消耗速率qs,g(或或mo1)g菌体菌体h：系：系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。表示细胞对营养物质利用的速率或效率。产物比生产速率产物比生产速率qp，g(或或mo1)g
19、菌体菌体h：系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速率或能力，可以作为判断示细胞合成产物的速率或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。微生物合成代谢产物的效率。细胞生长的比速率为细胞生长的比速率为：dtdxx1dtdsxqs1dtdpxqp1 根据发酵时间过程分析，微生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：物生长与产物合成存在以下三种关系：l与生长相关与生长相关生长偶联型生长偶联型l与生长部分相关与生长部分相关生长部分偶联型生长部分偶联型l与生长不相关与生长不相关无关联无关联分批发酵动力学-产物形成动力学相关
20、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 XPPxXPYqdtdxYdtdP/1/产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直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。变化相平行。分批发酵动力学-产物形成动力学PqxdtdxdtdP 产物间接由能量代谢生成，不是底物的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）。主流产物（与初生代谢紧密关联）。分批发酵动力学-产物形成动力学pqxdtdP若
21、考虑到产物可能存在分解时，则若考虑到产物可能存在分解时，则PkxqPkxdtdPdpd 产物生成与能量代谢不直接相关，通过细胞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。进行的独特的生物合成反应而生成。分批发酵动力学-产物形成动力学习惯上把习惯上把与生长无关联的产物与生长无关联的产物称为次级代谢称为次级代谢产物，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
22、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。杀假丝菌素分批发酵动力学分析 杀假丝菌素分批发酵中的葡萄糖消耗、DNA含量和杀假丝菌素合成的变化。l 应用举例应用举例v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v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就不适合用分批发酵（生长与合成条件差别大）养分会耗竭快，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 l连续发酵概念：连续发酵概念：在发酵过
23、程中，连续向发酵罐流加培养基，在发酵过程中，连续向发酵罐流加培养基，同时以相同流量从发酵罐中取出培养液。同时以相同流量从发酵罐中取出培养液。连续发酵特点：连续发酵特点：添加培养基的同时，放出等体积发酵液，添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生产过程，获得形成连续生产过程，获得相对稳定相对稳定的连续发酵状的连续发酵状态态。连续发酵类型连续发酵类型：单级单级 多级连续发酵多级连续发酵（一）连续发酵类型及装置（一）连续发酵类型及装置（二）连续发酵动力学模型（二）连续发酵动力学模型1.1.单级恒化器连续单级恒化器连续发酵发酵2.2.多级恒化器连续多级恒化器连续发酵发酵（三）（三）连续连续发酵动
24、力学理论的发酵动力学理论的应用及存在问题应用及存在问题 主要内容l连续发酵类型及装置连续发酵类型及装置 罐式连续发酵罐式连续发酵 单级单级 多级串联多级串联 细胞回流式细胞回流式 塞流式连续发酵塞流式连续发酵连续发酵动力学-发酵装置单级连续发酵示意图单级连续发酵示意图连续发酵动力学-发酵装置-单级l 两两个个及以上的及以上的发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出 料作为下一级发酵罐的进料料作为下一级发酵罐的进料。连续发酵动力学-发酵装置-多级串联两级连续发酵示意图两级连续发酵示意图l罐式连续发酵实现方法罐式连续发酵实现方法恒浊法：通过调节营养物的流加速度，利用浊度计检
25、恒浊法：通过调节营养物的流加速度，利用浊度计检测细胞浓度，使之恒定。测细胞浓度，使之恒定。恒化法：保持某一限制性基质在一恒定浓度水平，使恒化法：保持某一限制性基质在一恒定浓度水平，使菌的比生长速率菌的比生长速率保持一定。保持一定。培养基输入培养基进入下一级发酵罐培养基进入后处理或到下一级发酵罐 多级罐式连续发酵装置示意图多级罐式连续发酵装置示意图 连续发酵动力学-发酵装置-多级串联 a:再循环比率（回流比）再循环比率（回流比）c:浓缩因子浓缩因子 细胞回流的单级连续发酵示意图细胞回流的单级连续发酵示意图连续发酵动力学-发酵装置-细胞回流式eSFXF)1(eXFcXF,发酵罐培养物流出无菌培养基
26、流入供给连续接种再循环d连续发酵动力学-发酵装置-塞流式 定义定义：稀释率稀释率 D=F/V(h-1)F流量流量（m3/h）V原有培养液体积原有培养液体积（m3）理论停留时间理论停留时间 DTL1连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵对于单级恒化器对于单级恒化器：X0=0 且通常有：且通常有：xxDxDxxdtdxxVFxVFdtdxG00 xDdtdx连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵积累的细胞（净增量）积累的细胞（净增量）=流入的细胞流入的细胞-流出的细胞流出的细胞+生长的细生长的细 胞胞-死亡的细胞死亡的细胞0dtdxxdtdx,0 xdtdx,0连续发酵动力学-理论-单级恒化器
27、连续发酵xDdtdxA A.稳定状态时稳定状态时(恒浊培养）此时此时 =D（单级连续发酵重要特征单级连续发酵重要特征）B.B.不稳定时，不稳定时，当当D，积累的营养组分积累的营养组分=流入量流入量-流出量流出量-生长消耗量生长消耗量-维持生命需要量维持生命需要量-形成产物消耗量形成产物消耗量稳态时（恒化培养）稳态时（恒化培养），=0=0,一般条件下一般条件下,mx DC，则会出现：则会出现：DDC由由 可知可知 负增长负增长，x，进入非稳进入非稳态，菌体最终被洗出态，菌体最终被洗出，即即x=0 时时，达到达到“清洗点清洗点”，此时，此时，xDdtdx0dtdx00SKSDSmC连续发酵动力学-
28、理论-单级恒化器连续发酵应用应用Monod方程，此时，方程，此时，SKSDSm连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵由两个稳态方程可以推出由两个稳态方程可以推出D D与与X X关联的生长模型关联的生长模型 当当DKs（S010Ks）,底物供给浓度很大，为非限制性底物供给浓度很大，为非限制性则则 此时，最大临界稀释率此时，最大临界稀释率 当当DDc=时时，0/maxSYDxmSXmSmcSKSD00m0dtdx连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵x,s,Dx与与D关系总结：关系总结：DSSYxSX0/DDKSmSDDKSDYDxmSSX0/连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵产物变化率
29、产物变化率=细胞合成产物速率细胞合成产物速率+流入流入-流出流出-分解项分解项 当连续发酵处于稳态当连续发酵处于稳态，且加料中不含产物，即且加料中不含产物，即 ，P分解速率可忽略分解速率可忽略。得得PkPPDxqPkDPDPdtdPdtdPDPD)(00细胞合成0)(总变化dtdP00PxqDPP连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵图6-9、6-10 Ks值与细菌连续培养特征的关系多级恒化器的优点多级恒化器的优点：在不同级的罐内可以预先设定不同的培养条件，这将有利于多种碳源的利用和次级代谢产物的生产。例如：产气雷白菌，第一级：葡萄糖；第二级：麦芽糖连续发酵中，可采用能达到最大菌体产率DX的
30、稀释速率。图6-13.分批发酵时，最大菌体生产能力出现于发酵终点；连续培养时，以最适稀释速率使培养处于稳定条件下，细胞的生产能力成为一个常数。连续发酵过程具有许多优点：在连续发酵达到稳定状态之后，其非生产时间几乎等于0，因此设备利用率高；操作比较简单；产品质量比较稳定；对发酵设备以外的外围设备（如蒸汽锅炉、泵）的利用率高；可以及时排出在发酵过程中产生的、对发酵过程有害的物质等。连续发酵技术也存在一些问题，其中最主要的是菌种的稳定性问题：杂菌污染杂菌污染生产菌株突变生产菌株突变 在连续发酵过程中，需要长时间连续不断地向发酵系统供给无菌的新鲜空气和培养基，这就不可避免地发生杂菌污染问题。杂菌污染问
31、题是连续培养中难以解决的问题。要了解污染的杂菌在什么样的条件下会在系统中发展成为主要的微生物群体。假设连续培养系统被外来的生物Y、Z和W污染，这些污染菌的积累速率可用以下物料平衡式表示：污染菌积累的速率污染菌进入的速率污染菌流出的速率污染菌生长速率 式中X是污染菌Y、Z和W的浓度，在稀释率为D时的残留限制性基质浓度为S。XDXDXdtdXoutin 将污染的生物Y、Z和W的生长速率基质浓度曲线与连续培养系统中作为生产菌的生物X的曲线作比较，分别示于图（a）、(b)、(c)。由于限制性养分浓度是S，生物Y的生长速率 比系统的稀释率D要小（图a）。因此Y的积累由下式表示：结果是负值，污染物Y不能在
32、系统中存留。这是一次性污染，没有造成持续污染。YDYYdtdYY污染物Z的生长速率与基质浓度的关系则与图a中的有显著不同。在基质浓度为S的情况下，生物Z能以比D大的比生长速率 生长。生物Z的物料平衡为：zDZZdtdZzDXXdtdXX2 生物W侵入的成功与失败决定于系统的稀释速率。在稀释率为0.25Dc下(式中Dc是临界稀释速率)，W竞争不过X，W被冲走；如果稀释率增加到0.75Dc，污染物W将和Z一样有竞争力，而原来的菌被冲走。在培养基浓度高时，造成杂菌积累，X被洗出，W成为杂菌污染。在培养基浓度低，D也较小情况下，可以淘汰W。所以在了解杂菌性能后，既要控制稀释率D，又要控制培养基浓度来排
33、除杂菌污染。在分批培养中，任何能在发酵培养液中生长的污染物将存活和开始积累，但在连续培养中污染物能否生长取决于它在培养环境中的竞争能力。因此用连续培因此用连续培养技术可选择性地积累一种能有效使用养技术可选择性地积累一种能有效使用限制性养分的菌种。限制性养分的菌种。微生物在复制过程中难免会出现差错引起突变，一旦在连续培养系统中的生产菌细胞群体中的某一个细胞发生了突变，而且突变的结果使突变的结果使这一细胞获得在给定条件下高速生长的能力这一细胞获得在给定条件下高速生长的能力，那么它就有可能像杂菌那么它就有可能像杂菌Z Z一样，取代系统中原一样，取代系统中原来的生产菌株，而使连续发酵过程失败来的生产菌
34、株，而使连续发酵过程失败。有助于了解和研究细胞生长、基质消耗有助于了解和研究细胞生长、基质消耗和产物生成的动力学规律，从而优化发和产物生成的动力学规律，从而优化发酵工艺。酵工艺。便于研究细胞在不同比生长速率下的特便于研究细胞在不同比生长速率下的特征。征。连续发酵动力学-理论利用细胞再循环连续发酵技术进行废利用细胞再循环连续发酵技术进行废水的生化处理、发酵与产物分离耦合。水的生化处理、发酵与产物分离耦合。利用连续培养的选择性进行富集培养利用连续培养的选择性进行富集培养菌种选择及防污染处理。菌种选择及防污染处理。l 应用应用 连续发酵动力学-理论实验数据如下：实验数据如下：t 24h(生长罐生长罐
35、）48h（生产罐生产罐）60h P1=0.0 7 g/L P2=0.4 g/L P3=0.62g/L X1=7g/L 求操作参数求操作参数D D？并比较连续发酵与分批发酵的生产率？并比较连续发酵与分批发酵的生产率。hLgdtdP/018.02hLgdtdP/012.03hL/g415.0dtdxl 应用应用-青霉素连续发酵与分批发酵对比青霉素连续发酵与分批发酵对比 计算：采用连续发酵时计算：采用连续发酵时第一罐第一罐：第二罐：由第二罐：由111110593.0415.0711hdtdxxD2212VdtdPFPFPdtdPPPD2122)(120545.007.04.0018.0hD 为了保证
36、串联稳定，两罐稀释率差异用体积为了保证串联稳定，两罐稀释率差异用体积差差异进行调节异进行调节。F相同相同 产物在串联系统停留时间产物在串联系统停留时间 产物形成速率产物形成速率 2211,DFVDFVhDDtn3.351121hLgtPDPn/011.03.354.022而分批发酵时，tn=48h,P=0.4g/L故产物形成速率 DP=0.4/48=0.0083g/Lh （比连续发酵低）（比连续发酵低）为充分利用基质，再加一罐(第三罐)(相当于60h)132330545.0)(1hdtdPPPDtn=1/D1+1/D2+1/D3=53.7h产物形成速率 P3/tn=0.0115g/L h分批发
37、酵 P3/t3=0.62/60=0.0103g/L h补料分批培养（补料分批培养（Fed-batch cultureFed-batch culture）：）：分批发酵过程中补充培养基，不分批发酵过程中补充培养基，不从发酵体系中排出发酵液，使发酵液的体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积随着发酵时间逐渐增加 。概念：在发酵过程中，不连续地向发酵概念：在发酵过程中，不连续地向发酵罐内加入培养基，但不取出发酵液的发罐内加入培养基，但不取出发酵液的发酵方式。酵方式。特点：由于培养基的加入，发酵液体积特点：由于培养基的加入，发酵液体积不断增加。不断增加。补料分批发酵动力学半连续发
38、酵概念：半连续发酵概念：在发酵过程中，每隔一定时间，在发酵过程中，每隔一定时间，取出一定体积的发酵液，同时在同一时间取出一定体积的发酵液，同时在同一时间间隔内加入相等体积的培养基，如此反复间隔内加入相等体积的培养基，如此反复进行的发酵方式。进行的发酵方式。特点：特点：稀释率、比生长速率以及其它与稀释率、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。代谢有关的参数都将发生周期性的变化。补料分批发酵动力学 连续流加连续流加补料方式补料方式 不连续流加不连续流加 多周期流加多周期流加 快速流加快速流加 恒速流加恒速流加 变速流加变速流加 单一组分补料单一组分补料 多组分补料多组分补料 流加
39、方式流加方式补料分批发酵动力学以补加的培养基成分来区分以补加的培养基成分来区分 整个发酵罐中细胞、限制性基质和产物总量的变化速整个发酵罐中细胞、限制性基质和产物总量的变化速率可用下式表示：率可用下式表示：xVdtxVdSXYFSdtSVd/01xVqdtPVdP补料分批发酵动力学dtxVd细胞总量的变化率为细胞总量的变化率为 若为若为恒速流加恒速流加，培养基流量为，培养基流量为F，则则 合并合并、式式 得得 dtdVxdtdxVdtxVdFdtdVxFdtdxVxVxDxVFdtdx)()(补料分批发酵动力学同样可以推导出限制性基质和产物浓度的变化率：同样可以推导出限制性基质和产物浓度的变化率
40、：合并合并、式式 得得SFdtdSVdtdVSdtdSVdtSVdSXYFS/01dtxVdSFdtdSV补料分批发酵动力学又又 xVdtxVdSXYxSSDdtdS/0补料分批发酵动力学拟稳态时拟稳态时 这时这时xVqdtdPVFPdtdPVdtdVPdtPVdPPDxqPVFxqdtdPpP0dtdS,0dtdxD补料分批发酵动力学对于恒速流加，细胞的比生长速率对时间的对于恒速流加，细胞的比生长速率对时间的变化率为：变化率为：长时间流加培养之后长时间流加培养之后 20222FtVFVFVFdtddtd21tdtd补料分批发酵动力学可以解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏可以解除底物
41、的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应。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，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。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。控制细胞质量的手段。与连续发酵相比，补料分批发酵的优点在于：与连续发酵相比，补料分批发酵的优点在于：无菌要无菌要求低；求低；菌种变异，退化少；菌种变异，退化少；适用范围更广。适用范围更广。补料分批发酵动力学方式优点缺点分批发酵1 一般投资小2 易转产、
42、生产灵活3 分批操作中某一阶段可获得高的转化率4 发酵周期短，菌种退化率小1 因放罐、灭菌等原因，非生产时间长2 经常灭菌会降低仪器寿命3 前培养和种子的花费大4 需较多的操作人员或自动控制系统连续发酵1 可实现有规律的机械、自动化2 操作人员少3 反应器体积小、非生产时间少4 产品质量稳定5 操作人员接触毒害物质的可能性小6 测量仪器使用寿命长1 操作不灵活2 因操作条件不易改变，原料质量必须稳定3 若连续灭菌，加上控制系统和自动化设备，投资较大4必须不断地排除一些非溶性的固型物5 易染菌，菌种易退化补料发酵1 操作灵活2 染菌、退化几率小3 可获得高的转化率4 对发酵过程可实现优化控制5 因经常灭菌会降低仪器使用寿命1 非生产时间长2 需较多的操作人员或计算机控制系统3 操作人员接触一些病原和有毒产品的可能性大1、消除分解阻遏作用，保障通气条件和生产能力；2、降低高浓度培养基的抑制作用，延长发酵生产时间。
