第八章 发酵过程的优化和控制剖析

其动力学方程为：
dP dt
X
X
QP
dP Xdt
③第三类型
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（见 左图）。如抗生素 发酵。
其动力学方程为：
dP dt
X
QP
dP Xdt
❖ （2）Piret's fermentation classification （按照产物生 成与菌体生长是否同步）
❖ 2. 连续发酵的优缺点 优点： 能维持低基质浓度 可以提高设备利用率和单位时间的产量 便于自动控制 缺点： 菌种发生变异的可能性较大 要求严格的无菌条件
❖ 3. 连续发酵的类型
（1）恒化培养 使培养基中限制性基质的浓度保持恒定
（2）恒浊培养 使培养基中菌体的浓度保持恒定
4. 连续发酵的代谢曲线 X：菌体浓度；S：限制性基质浓度；t：时间
❖ 2. 补料分批发酵的优缺点 优点： 使发酵系统中维持很低的基质浓度； 和连续发酵比、不需要严格的无菌条件； 不会产生菌种老化和变异等问题。 缺点： 存在一定的非生产时间； 和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染 菌的危险。
❖ 3. 补料分批发酵的类型
按补料方式不同可分为： （1）连续流加 （2）不连续流加 （3）多周期流加
❖ 生长的停止由以下两种因素之一所决定： ❖ （1）在高浓度培养基中，可能是因为有毒代谢产物
的积累而阻碍生长，如在高浓度碳水化合物的培养基 中可积累有机酸；在含有机氮高的培养基中可积累氨。
❖ （2）在较稀释的、营养物质平衡良好的培养基中， 生长停止的主要因素是碳水化合物的耗尽。当生长 停止后，菌丝体的自溶裂解的程度，因菌种的本性 和培养条件而异。
❖ ③衰退期
❖ 真菌生长进入衰退期的标志，是菌丝干重下降。
❖ 一般是在一短期内失重很快，以后不再变化。
❖ 但有些真菌则发生菌丝体自溶，由于其自身所产生 的酶类催化几丁质、蛋白质、核酸等分解而释放出 氨、游离氨基酸、有机磷化物和有机硫化合物等。
❖ 处于衰退期的菌丝体的细胞，除顶端较幼细胞的原生 质比较稠密均匀外，大多数细胞都出现大的空泡。
①生长关联型 (第一类型) 形成与生长有关，如酒精、某些酶等。
其动力学方程为：
Q Y
P
P/x
Q : 产物形成比速率（g / h L） P
Y ：菌体生长为基准的产物的率（g / g） P/x
h ：比生长速率（ 1）
②生长无关联型（第二，三类型）
杀念珠菌素发酵中葡萄糖、DNA、抗生素产量的代谢变化 A：DNA；B：葡萄糖；C：杀念珠菌素产量
第二节 发酵工艺的控制
❖ 一、温度对发酵的影响及控制 1. 温度对生长的影响
根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于 0～26℃生长，嗜温菌适应于15～43℃生长，嗜热菌 适应于37～65 ℃生长，嗜高温菌适应于65℃以上生 长。
第八章 发酵过程
❖ 发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖 的细胞所引起的生物反应过程。
第一节 发酵过程的代谢变化规律
❖ 代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参 数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间 的关系。
❖ 代谢曲线：把菌体的生长，发酵参数（培养基，培 养条件等）和产物形成速率三者随时间变化的过程 所绘制成的曲线。
按补料成分的不同可分为： （1）单一组分流加 （2）多组分流加
按控制方式的不同可分为： （1）反馈控制 （2）无反馈控制
三、连续发酵
❖ 1. 定义
培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有 产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒 定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒 定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的 比生长速率）下生长的发酵方式。
（2）丝状真菌的生长曲线
①生长延滞期
生长延滞的原因： 一是孢子萌发前的真正的延滞期; 二是生长已开始但却无法测量。
②迅速生长期
此时菌丝体干重迅速增加，其立方根与时间成直 线关系。因为真菌不是单细胞，其繁殖不以几何倍数 增加，故而没有对数生长期。
在迅速生长期中，碳、氮、磷被迅速利用，呼吸 强度达到顶峰，代谢产物如酸类可出现或不出现。
❖ 6. 分批发酵的分类对实践的指导意义
❖ （1）生长关联型，则宜采用有利于细胞生长的培 养条件，延长与产物合成有关的对数生长期；
❖ （2）非生长关联型，则宜缩短对数生长期，并迅 速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产 量。
7. 典型的分批发酵工艺流程
二、补料分批发酵
❖ 1. 定义
补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵， 是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培 养基的发酵方式。
dP dt
x
或
QP
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
②第二类型（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（见左图）。例如， 柠檬酸和某些氨基酸的 发酵。
方式。
❖ 2、分批发酵的特点 ❖ 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物
理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳 定的过程。
❖ 3、分批发酵的优缺点
优点：操作简单；操作引起染菌的概率低；不 会产生菌种老化和变异等问题。
缺点：非生产时间较长、设备利用率低
4. 分批发酵的生长曲线 （1）单细胞微生物的生长曲线
❖ 5. 分批发酵的类型
（1）Gaden‘s fermentation classification（按照菌体生 长，碳源利用和产物生成的变化）
①第一类型（生长关联型）
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产物直接来源于产能 的初级代谢，菌体生 长与产物形成不分开 （见左图）。 例如单细胞蛋白和葡 萄糖酸的发酵。
其动力学方程为：
❖ 发酵过程按进行过程有三种方式： （1）分批发酵(Batch fermentation) （2）补料分批发酵(Fed-batch fermentation) （3）连续发酵(Continuous fermentation)
一、分批发酵
❖ 1. 分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵