第五章 微生物发酵及工艺控制

• 分批式（Batch fermentation）发酵又称间歇式 (Intermittent fermentation)发酵或不连续式 (Discontinuous fermentation)发酵，也称原位发 酵，是把培养液一次性装入发酵罐，灭菌消毒 后接入一定量的种子液，在最佳条件下进行发 酵培养。经过一段时间完成菌体的生长和产物 的合成积累后，将全部培养物取出，结束发酵 培养。然后清洗发酵罐，装料、灭菌后再进行 下一轮分批操作。
• 灌流式发酵（Perfusion fermentation）是指菌体 与培养液一起装入发酵罐进行培养，在培养过 程中一方面不断补充新培养基，同时取出部分 条件培养液，但菌体仍然滞留在发酵罐内。灌 流式操作，能及时除去有害的代谢产物，并补 充营养物质，满足了菌体进一步生长的需求。 通过调节灌流速度，可把菌体发酵培养过程控 制在稳定的、低废物水平状态下。
• 连续式发酵（continuous fermentation）是指菌体与培养 液一起装入发酵罐，在菌体培养过程中，不断补充新培 养基，同时取出包括培养液和菌体在内的发酵液，发酵 体积和菌体浓度等不变，使菌体处于恒定状态的发酵条 件，促进了菌体的生长和产物的积累。连续操作保持反 应体积不变，发酵罐内物系的组成将不随时间而变。连 续发酵使用的反应器可以是搅拌罐式反应器，也可以是 管式反应器。 连续发酵的控制方式有两种：一种为恒浊器 （turbidostat）法，即利用浊度来检测细胞生长状况，通 过自控仪表调节输入料液流量，以控制培养液中菌体浓 度达到恒定值；另一为恒化器（chemostat）法，它与前 者相似之处是维持一定的体积，不同之处是菌体的密度 不是直接控制的，而是通过恒定输入的养料中某一种生 长限制基质的浓度来控制。
• 比生长速率是菌体浓度除菌体的生长速 率，或菌体浓度除菌体的繁殖速率。在 平衡条件下，比生长速率μ
• 基质的消耗速率 指单位时间、单位体 积发酵液中消耗的基质量，可表示为： •
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• 基质的消耗速率常以单位体积发酵液内 干菌体质量表示，称基质的比消耗速率， 以Qs表示
• ms——以基质消耗表示的维持代谢系数（维持因 数），维持（M）是指活细胞群体在没有实质性 的生长（即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。所需能 量由细胞物质的氧化或降解产生。这种用于“维 持”的物质代谢称维持代谢，叫做内源代谢（对 好氧发酵称“呼吸”），代谢释放能叫维持能。
二、发酵动力学
• 发酵动力学研究内容主要包括：①细胞生长和 死亡动力学；②基质消耗动力学；③氧消耗动 力学；④CO2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。 • 菌体生长速率 在液体培养基中微生物群体生长，其生长 速率通常用单位体积来表，指单位体积、单位 时间里生长的菌体量；在固体培养基表面上的 微生物群体生长，其生长速率以单位表面积来 表示，指单位时间、单位表面积上生长的菌体 量。
第五章 微生物发酵及工艺控制
• • • • • • 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 基本概念 发酵的基本原理 发酵过程及其工艺控制 问题分析及处理手段 发酵过程参数的检测 发酵过程中的新技术
化学工业出版社
学习目标
• 了解基本概念、各种发酵方法、发酵基本过程、 发酵过程中的新技术、过程参数检测及其自动 控制； • 理解动力学方程，能够运用动力学方程，特别 是分批发酵动力学方程进行计算分析； • 熟练分析发酵过程中的各种影响因素及各有关 问题，掌握发酵工艺控制方法及生产中出现的 各种问题的处理手段。
第一节 基本概念
• 菌体量 一般指微生物菌体干重量。 • 生长期 指微生物接种后，经短暂迟滞期后，至 某种必需营养消耗造成生长限制这一时期。这 一时期微生物快速生长，菌体浓度迅速增加。 • 生产期 微生物开始积累代谢产物的时期。 • 二次或隐性生长 由于细胞的自溶作用，一些新 的营养物质，诸如细胞内的一些糖类蛋白质等 被释放出来，又作为细胞营养物质，从而使活 细胞在稳定期又缓慢地生长，通常称二次或隐 性生长。
• 半连续式发酵(Semi-continuous fermentation)又 称反复分批式或换液式补料发酵。是指菌体和 培养液一起装入发酵罐，在菌体生长过程中， 每隔一定时间取出部分发酵培养物（行业中称 为“带放”），同时补充同等数量的新的培养 基，然后继续培养，直到发酵结束，取出全部 发酵液。与流加式操作相比，半连续式操作过 程发酵罐内得到培养液总体积保持不变，同样 可起到解除高浓度基质和产物对发酵的抑制作 用。
• 流加式发酵又称单一补料分批发酵（Fed-batch fermentation），是指在分批式操作的基础上， 开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程 适当时期，开始连续补加碳源或（和）氮源或 （和）其它必须物质，但不取出培养液，直到 发酵终点，产率达最大化，停止补料，最后将 发酵液一次全部放出。 控制流加式操作的形式有两种，即反馈控 制和无反馈控制。
• 生长相关型（偶联型） 它的特点是菌体生长、碳源利 用和产物形成几乎都在相同的时间出现高峰，即表现 出产物形成直接与碳源利用有关。这一型中又分为两 种情况，即菌体生长型和代谢产物型。 其它类型:菌体生长型、代谢产物型、生长不相关 型、生长部分相关型。 • 临界比生长速率 在发酵过程中，不断有菌体细胞的 衰老和死亡，也不断有生物合成酶系的蜕变与失活。 为了使死亡的细胞和失活的酶系不断得到更新，就必 须保持一定的菌体生长速率。满足这种更新需要，从 而确保产物持续合成（即保持比生产率稳定）的最低 比生长速率称为临界比生长速率，它因菌体细胞的寿 命和酶系的稳定性而异。
第二节 发酵的基本原理
• 一、发酵方法
根据发酵条件要求不同，微生物发酵过程 可分为好氧发酵和厌氧发酵。好氧发酵有液体 表面培养发酵、多孔或颗粒固体培养基表面上 发酵和通氧深层发酵几种方法。厌氧发酵采用 不通氧的深层发酵。深层发酵反应在一定径高 比的圆柱形发酵罐内完成。就其操作方式和工 艺流程可分为分批式发酵、流加式发酵、半连 续发酵、灌流式发酵及连续发酵等几种方法。