发酵第六章
【发酵工艺学总论】第六章-发酵经济学
（1）菌株选育对发酵成本的影响
▪ 一般来说，菌种选育约占生产成本的20%-60%，筛选 具有优良性能的菌株和对菌株进行改良是降低生产成 本的有效途径。
a 优良生产菌株的筛选
①提高筛选效率很重要 分离一支有价值的菌株并不容易，通常要花费 较长的时间和代价，甚至花费了大量的精力仍一 无所获。
（1）菌株选育对发酵成本的影响
a 碳源（续）
▪ 在确定培养基配方时，不仅要比较它们的单耗成本，
而且还要考虑通风量与搅拌功率。 （黏度、溶氧）
▪ 工业废料的利用
▪ 优点：以此作为廉价C源，主要意义在其社会效益 显著，保护了环境 。
▪ 缺点：经济效益不如传统原料高。
（2）发酵培养基成本分析
b 矿物质（无机盐）
▪ 原材料中矿物质所占比重一般较小，其中较高的
本章内容
一、概述 二、影响发酵产品成本的主要因素的成本分析
（１）菌株选育 （２）发酵培养基 （３）无菌空气与通气搅拌 （４）动力费（加热、冷却） （５）培养方式 （６）发酵产品的分离纯化 （７）发酵规模 （８）市场经济信息分析及管理技术 三、发酵过程的经济学评价
一、概述
菌株 发酵工程原理 反应过程（代谢、工艺过程及控制）
搅拌转速亦会改变，应根据工艺要求设计，使整个运转费 最低。
（4）动力费（加热、冷却）成本分析
▪ 发酵生产中，需要加热与冷却的工序大体有： ▪ 培养基的加热灭菌（或者淀粉质原料的蒸煮糊化），
然后冷却到接种温度；
▪ 发酵罐及辅助设备的加热灭菌与冷却； ▪ 发酵热的冷却，发酵恒温； ▪ 产物提炼与纯化过程的蒸发、蒸馏、结晶、干燥等。 ▪ 节约冷却水用量的办法 ▪ 采用气升式发酵罐； ▪ 选育嗜热或耐热的生产菌株； ▪ 改变原料路线，少用烃类原料。
[工学]第六章发酵食品生产工艺
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6.1.3 发酵条件与过程控制
⑴ 培养基 在生产上是为满足微生物生长繁殖及代谢的需要。
成分是否合适，直接影响微生物的生长与发酵产品的 质量。一般分为:
斜面培养基:提供菌种繁殖扩大之用，要使菌体长得 快、健壮。浓度不宜高，碳氮含量不宜过多。
种子培养基：使菌种纯净、健壮、活力旺盛并有足 够的数量。浓度不宜太高，控制碳氮比。
特点：是酱醪稀薄，便于保温、搅拌和输送适 合于机械化生产，而且酱油滋味鲜美，酱香和酯 香醇厚，色泽较淡。但生产周期长，设备利用率 低，压榨工序繁杂，劳动强度高。
⑵ 固稀发酵 即先固态后稀醪，二者分阶段性结合起来，而且
蛋白质原料与淀粉质原料分开制曲，高低温分开制 醅及制醪发酵。一般固态发酵温度保持在40 ～ 50℃，然后再加入一定数量的盐水，进行稀醪发 酵温度保持在30～40℃。
⑹染菌与控制 发酵过程染菌是很严重的问题，主要的原
因有菌种带菌，设备渗漏，空气系统带菌等。 原因多种不尽相同。
要注意环境卫生；车间设计要合理；消毒方 法要适当；利用发酵条件控制杂菌生长。
6.2 酱油生产技术
6.2.1 概述
酱油是一种营养价值丰富、以粮食作物为原料加 工制成的发酵调味品。
每l00mL酱油中含可溶性蛋白质、多肽、氨基酸 达7.5～10g，含糖分2g以上，此外，还含有较丰富
﹡适合的菌种 ﹡适合的代谢条件 ﹡适合的生化反应器 ﹡适合的分离方法与设备
6.1.2 发酵基本过程
⑴ 发酵食品的形成
在原有酶及微生物产生的酶的共同作用下，原料有机物产生大分子 降解，如淀粉降解、蛋白质降解、脂肪降解、纤维素降解等ห้องสมุดไป่ตู้这个过程 也称为原料的液化阶段。
原料降解时产生了各种各样的代谢产物，决定了发酵产物的最终取向 。
6第六章 发酵动力学
2.随着时间的延长，培养液中微生物细胞的 量c’(X)增加，但细胞的浓度却保持不变，即
dc(X) dt
= 0
3.因而µ≌D
这种微生物细胞的培养状态称为 ——“准恒定状态”
在“ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ恒定状态”下
c(S) ≈ DKs µm - D (4)
c’(X) ＝ c0’(X) + F · Yx/s · c ’0 (S) · t 补料液浓度
动力学方程
c0(S)——开始时培养基中限制性基质的浓度 g/L F——培养基的流速 L/h V——培养基的体积 L F/V＝D——稀释率 c0(X)——刚接种时培养液中的微生物细胞浓度 g/L c(X)——某一瞬间培养液中微生物细胞浓度 g/L c(X) = c0(X) + Yx/s [c0 (S) -c (S)]
v =
µ
YG
v =
+ m +
Qp Yp
+
(6)
µ Yx/s
(5)
少量的其他代谢产物和其他忽略 1 Yx/s 1 m + µ (7)
=
YG
YG和m很难直接测定，只要得出细胞在不同 比生长速率下的Yx/s，可根据(7)式用作图法 求出YG和m值。 YG和m值用于衡量发酵时限制性营养基质的 起始最低浓度。
µ µm
b µm/2
c
µ ＝
a
µm c(S)
Ks + c(S)
c(S)
Ks
Ks的物理意义
Ks的大小表示了微生物对营养物质的吸收亲 和力大小 Ks越大，表示微生物对营养物质的吸收亲 和力越小； Ks越小，表示微生物对营养物质的吸收亲 和力越大
发酵工程 第6章 发酵动力学
■将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模 型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。
如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化 模型。
非结构模型
结构模型
最理想情况
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一
均衡 细胞之间无差异， 生长 是均一的，细胞内
如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结 构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做为过 程变量。
■菌体视为单组分的模型为非结构模型，通过物料平 衡建立超经验或半经验的关联模型。
如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为 均衡生长。
如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加比 例不同，称为非均衡生长。
（3）质量平衡法（质量守恒定律）
发酵系统中物 物质进入系统的速度＋物质在系统生成的速度 ＝
质积累的速度 －物质排出系统的速度－物质在系统消耗的速度
研究发酵动力学的步骤
(1). 为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽 可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。
(2). 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系 起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。
S ——基质量，mol；
t ——发酵时间，h
注：这里的“维持”是指活细胞群体没有净生长和产物没有净合成的生 命活动，所需能量有细胞物质氧化或降解产生，这种用于“维持”的物 质代谢称为维持代谢（内源代谢），代谢释放的能量叫维持能。
（2）得率系数(或产率，转化率，Y)： 是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。包括生
基于关键生化反应限速步及其关键酶的动力学特征及其影响因素采用一系列分子水平的方法?细胞层次代谢网络与细胞工厂基于细胞信号传导代谢网络细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现采用一系列细胞水平的方法包括细胞群体行为分析?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主要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
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 典型发酵过程动力学及模型
rX/rX rS/rX rP/rX
二、微生物生长动力学
1. 细胞反应的得率系数
对底物的细胞得率：
YX / S
生 成 细 胞 的 质 量 消 耗 底 物 的 质 量
rX rX0 Dm X ＝ DmS rs0 rs
Dm X ＝ DmO
对氧的细胞得率：
YX / O
生 成 细 胞 的 质 量 消 耗 氧 的 质 量
摄氧率 与 呼吸强度
四、
代谢产物生成动力学
相关型
部分相关型
非相关型
四、
代谢产物生成动力学
1）偶联型 也叫产物形成与细胞生长关联模式(相关模型），产物的形成和菌体 生长是平行的。在该模式中，产物形成速度与生长速度的关系 可表示为： rP = YP/X rx = YP/XμX = αμX qP = αμ
μ= μmS/(KsX+S) μ=KsSn
菌体生长，基质消耗
1959
1963 1972
Dabes等
尺田等 Bailey
S=Aμ+Bμ/(μm＋μ)
μ2/K-(Ks+S)μ-μmＳ=0 μ= μmS/(Ks+S)-D 微生物维持代谢
1973
1975 1977
二、微生物生长动力学
5、无抑制、多种基质限制下的细胞生长动力学
一、 数字拟合法 根据小型试验、中型试验或生产装置上实测的数据，利用 现代辨识技术，找出个参量之间的函数关系而建立数学模 型的方法。
1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 y = 3.5348e
细胞生长
微生物生化反应动力学
产物生成
发酵过程反应的描述
6 微生物工程 第六章 发酵动力学2
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。
发酵工程第六章
发酵工程
第二节 发酵过程的代谢变化
了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温
度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞
的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对
生产的控制。
发酵工程
一、发酵过程操作方式 发酵过程操作方式：
A.分批发酵 B.补料分批发酵 C.连续发酵
发酵工程
1. 分批发酵 分批发酵是指在一封闭培养系统内含
发酵工程
控制方法： （1）培养基注意适当的配比 （2）通过中间补料，控制起始浓度不要太高
发酵工程
第四节 基质对发酵的影响及其控制
一、碳源种类 速效碳源：较迅速的被利用，有利于菌体的生
长，如葡萄糖 迟效碳源：被菌体缓慢利用，有利于代谢产物
的合成，如乳糖等
发酵工程
培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响 1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期； 单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期；2. 同 时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长
3）培养后期，产生热量不多，温度变化不大，且逐 渐减弱。
发酵工程
2、搅拌热Q搅拌
在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械 搅拌带动发酵液作机械运动，造成液 体之间，液体与搅拌器等设备之间的 摩擦，产生可观的热量。
发酵工程
3、蒸发热Q蒸发
通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分 蒸发所需的热量叫蒸发热。 此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显 热，显热很小，一般可以忽略不计。
发酵工程
4、辐射热Q辐射
发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有 部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取 决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天 小一些，一般不超过发酵热的5％。
发酵工程
第六节 发酵过程的pH控制
第六章发酵机理
（一）.EMP途径
反应步骤：10步
反应简式：耗能阶段
产能阶段
C6
2C3
2ATP
2NADH+H+ 2丙酮酸 4ATP 2ATP
总反应式： C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi
2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O
特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物作 为合成代谢原料，有氧时与TCA环连接，无氧时丙酮酸 及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与发 酵工业有密切关系。
过生物氧化来进行产能代谢。
异养微生物的生物氧化: 异养微生物氧化有机物的方式，根 据氧化还原反应中电子受体的不同 可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方 式。
发酵(fermentation)是指微生物细胞将有机 物氧化释放的电子直接交给底物本身未完 全氧化的某种中间产物，同时释放能量并 产生各种不同的代谢产物。
磷酸戊糖酮解途径（PK）途径 磷酸己糖酮解途径（HK）途径
磷酸戊糖酮解途径
葡萄糖
6-P-葡萄糖 6-P-葡萄糖酸
5 -P-核酮糖
异构化作用
5 -P-木酮糖
ATP ADP
NAD+ NADH+H+
NAD+ NADH+H+
磷酸戊糖酮解酶
3 -P-甘油醛
NAD+
2ADP+Pi
NADH+H+
2ATP
丙酮酸
-2H
•HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动 对其中间产物的需要量相关。
（三）ED途径
又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG） 裂解途径。
发酵学第6章通气与搅拌
轴向式搅拌器
桨叶式 螺旋桨式
径向式（涡轮式）搅拌器
平直叶
箭叶
弯叶
3.挡板 挡板的作用：
改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促 使液体激烈翻动，增加溶解氧。
一般在容器内壁面均匀安装4块挡板 宽度为容器直径的1/12～1/10。
第一节 发酵罐
一、机械搅拌发酵罐 二、其他发酵罐
通风发酵罐的类型
机械搅拌发酵罐 自吸式发酵罐 气升式发酵罐 伍式发酵罐 文氏管发酵罐
一、机械搅拌发酵罐 罐身 轴封 消泡器 搅拌器
挡板 空气分布管 换热装置
1.罐体
罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成， 材料一般为不锈钢。
5. 二氧化碳的影响
二氧化碳是菌体代谢产生的气态终产物，它的生成与菌体 的呼吸作用有关。 在水中的溶解度是氧溶解度的30倍 。因而发酵过程中不及 时将培养液中的CO2排出，势必影响菌的呼吸，进而影响 菌的代谢。
第三节 氧在溶液中的传递
一、氧传递的阻力 二、氧的传递方程
一、氧传递的阻力
◆ 在好氧发酵中，气态氧必须先溶解于发酵液中，然后 才能传递到细胞表面，再经过简单的扩散作用进入细胞内， 参与菌体内的生物化学反应。
2）气生式发酵罐特点
优点
无机械搅拌结构，最大限度的减少了染菌率，减少了 机械剪切力，对长菌丝的各种真菌尤为适宜。
无搅拌传动设备，节约动力约50％。 气体提升，充分的气液混合，使氧气的传递利用极大
提高，特别适合对于溶氧要求高的产品。 结构简单，操作和维修方便。
缺点
不能代替好气量较小的发酵罐。
2.气升式发酵罐
发酵工程六PPT课件
.
24
二、人工控制微生物代谢的手段
（一）生物合成途径的遗传控制
代谢调节控制育种通过特定突变型的选育，达到改变代谢 通路、降低支路代谢总产物的产生或切断代谢途径及提高 细胞膜的透性，使代谢流向目的产物积累方向进行。
1、代谢缺陷型菌株
2、利用抗代谢类似物的突变积累氨基酸
3、产物降解酶缺失突变株
4、细胞膜组分的缺失突变
.
30
生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，生物素在低于亚适浓度之
前有，利例增于加谷1：生氨谷物酸氨素的酸有合棒利成杆于；菌丙（酮生酸物的素羧缺化陷产型生）草生酰产乙谷酸氨，酸进而
生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰辅酶A羧化酶的 辅酶，该酶催化乙酰辅酶A羧化生成丙二酸单酰辅酶A，再 经一系列转化合成脂肪酸，而脂肪酸又是构成细胞膜磷脂 的主P要EP成分，因P此y生r 物素可间A接cC地o影A 响细胞膜的透性。
真核微生物细胞里，各种酶系被细胞器隔离分布，使
其代谢活动只能在特定的部位上进行，如与呼吸产能有 关的酶系集中于线粒体内膜上，DNA合成的某些酶位于 细胞核里。
.
5
（二）代谢流向的调控
微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速 率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。
1、由一个关键酶控制的可逆反应
第六章 发酵机制及发酵动力学
第一节 发酵工程微生物的基本代谢及产物代谢 第二节 微生物代谢调节机制 第三节 糖代谢产物的发酵机制 第四节 氨基酸和核苷酸发酵机制 第五节 抗生素发酵机制 第六节 微生物发酵动力学
.
1
本章要求
掌握初级与次级代谢的产物 掌握微生物代谢调节的方式 掌握酶活性被抑制的方式 了解发酵产物的发酵机制及发酵动力学抑制来自抑制DE
发酵工程第六章 发酵条件及过程控制
3、菌体浓度对产物的影响
♦ 在适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌浓成正比 关系,即
式中， P ——发酵产物的产率(产物最大生成速率或生率),g/(L· h); QPm ——产物最大比生成速率,h-1; ♦初级代谢产物的产率与菌体浓度成正比； c(X) ——菌体浓度,g/L.
P=QPmc(X)
♦次级代谢产物的生产中，控制菌体的比生长速率μ比μ临略高 一点的水平，即c(X) ≤c(X)临时，菌体浓度越大，产物的产量 才越大。 ♦c(X)过高，摄氧率增加，溶氧成为限制因素，使产量降低。
（三）磷酸盐浓度的影响及控制
☺ 磷是构成蛋白质、核酸和ATP的必要元素，是微生物 生长繁殖所必需的成分，合成产物所必需的营养。 控制方式： ☺ 在基础培养基中采用适量的浓度给予控制，以保证菌 体的正常生长所需；
代谢缓慢：补加磷酸盐。举例：在四环素发酵中,间歇,微量添加磷
酸二氢钾,有利于提高四环素的产量。
（二）氮源
2、不同种类氮源对发酵的影响及控制 ☺ 培养基中某些氮源的添加有利于该发酵过程中产物的积累， 这些主要是培养基中的有机氮源作为菌体生长繁殖的营养 外，还有作为产物的前体。 如：缬氨酸、半胱氨酸和ɑ-氨基己二酸等是合成青霉素和头 孢霉素的主要前体。
☺ 无机氮源利用会快于有机氮源，但是常会引pH值的变化， 这必须注意随时调整。如：
（三）磷酸盐浓度的影响及控制
☺ 微生物生长良好时，所允许的磷酸盐浓度为0.32～ 300mmol/L，但次级代谢产物合成良好时所允许的磷 酸盐最高水平浓度仅为1mmol/L。 ☺ 因此，在许多抗生素，如链霉素、新霉素、四环素、 土霉素、金霉素和万古霉素等的合成中要以亚适量添 加。
举例：四环素发酵：菌体生长最适的磷浓度为65～70
第六章 发酵条件及工艺控制详解
补糖量的控制： 动力学方法
依据μ、 qP 、 qC等动力学参数 之间的关系，计算加糖量
以次级代谢产物为例：
控制原则：
μ、
qP
、 qC之间的关系：
以维持临界生长限制基质 浓度、临界菌体浓度和临
μ
X
界比生长速率为指标的基 质流加速率与消耗速率的
qp
S
qC
平衡。
补糖的控制
把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加 料装置精确控制加入的糖量。
二、氮源的影响和控制 （一）氮源的种类影响
迅速利用的氮源
缓慢利用的氮源
种类：氨水、铵盐和玉 种类：黄豆饼粉、花生
迅速利用的碳源
缓慢利用的碳源
种类：葡萄糖
种类：淀粉、乳糖、蔗
优点：
糖、麦芽糖、玉米油
吸收快，利用快，能迅 优点：
速参加代谢合成菌体和 不易产生分解产物 阻遏
产生能量
效应。
缺点：
有利于延长次级代谢产
有些品种产生分解产物 物的分泌期
阻遏效应。
缺点：溶解度低，发酵 液粘度大。
碳源种类的控制
发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢 利用的碳源的混合碳源。
量达不到最适量。 要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最
适量。 当菌体生长缓慢时，可适当补加适量响及控制
影响菌体浓度的因素 菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种
类和自身的遗传特性有关
菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的 种类和浓度有关 （ μ 正比于S ）
6第六章发酵动力学
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。
营养物质相对贫乏的标准（量）？
是指该物质的浓度比生长速率μ达μm 时对应的最低底物浓度以下时的情形。 此浓度称为临界底物浓度，任一营养物 质的浓度若高于临界底物浓度则为非限 制性底物，低于临界底物浓度即为限制 性底物。
3、产物形成动力学模式
Gaden对发酵的三分类与Pirt方程： p x
〖生长偶联型〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
如：葡萄糖厌氧发酵生成乙醇
p x
〖部分生长偶联型〗产物的形成和菌体的生长部分偶联 如：氨基酸发酵，柠檬酸等有机酸的发酵
p x
〖非生长偶联型〗产物的形成和菌体的生长非偶联 如抗生素，微生物毒素等次级代谢产物的生产
Monod方程的意义
当S«Ks, μ-S是线性关系，μ与S成正比。 当S» Ks ，μ≈ μmax，此时微生物的生长不
受限制基质的影响。
对某一钟微生物在某种基质条件下， μmax 和Ks 是一定值。
不同的微生物有不同的μmax 和Ks 。即 使同一种微生物在不同的基质种也有不 同的μmax 和Ks 。
m m
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S值时， μ的偏差较大，影响Ks值的精度。第二方程 好用一些，在低S值时精度高，也可用回归方法 。
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μmax，Ks和td?
发酵工程第六章发酵动力学
柠檬酸、氨基酸发酵
d dP td d x tx qP
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）。
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
① 当S较高时，(对数期满足S>>10Ks)，此时，µ= µm ② 当S较低时，(减速期， S<<10Ks)，此时S↓，µ ↓
∴ 减速期， µ ↓
ms
Ks s
1949年Monod发现，细菌的比生长 速率 与单一限制性底物之间存在这样 的关系：
max
S Ks S
比 生
Monod方程：
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Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程(1949)
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研究发酵动力学的目的
➢ 认识发酵过程的规律 ➢ 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
发酵动力学研究的基本过程
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。
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1发酵过程第六章2定义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。
它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。
3为什么要研究发酵过程微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来。
为此我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。
同时，为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。
4本章讲述的内容•第一节发酵过程的代谢变化规律•第二节发酵工艺的控制•第三节发酵过程的主要控制参数5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。
•了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。
6代谢曲线代谢变化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。
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。
7■发酵过程按进行过程有三种方式：9分批发酵(Batch fermentation)9补料分批发酵(Fed-batch fermentation)9连续发酵(Continuous fermentation)这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的代谢特征。
81、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。
一、分批发酵92、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。
10●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。
3、分批发酵的优缺点114、分批发酵的生长曲线单细胞微生物12丝状真菌和放线菌135、分批发酵的类型•生长关联型•生长无关联型14产物形成与生长有关，如酒精、某些酶等。
）：比生长速率（）物的率（：菌体生长为基准的产）产物形成比速率（h Y Q Y Q g g L h g xP PxP P 1////:−⋅⋅=μμ■生长关联型（growth associated ）15产物的形成速度与生长无关，只与细胞积累量有关。
如，抗生素。
）：菌体浓度（）：产物合成速度（比例常数L g X h L g XdtdP dtdP //:⋅=ββ■非生长关联型non-growth associated16■分批发酵的分类对实践的指导意义从上述分批发酵类型可以分析：¾如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级代谢产物），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；¾如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），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。
17■典型的分批发酵工艺流程18二、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。
192、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。
203、补料分批发酵的类型•补料方式–连续流加–不连续流加–多周期流加•补料成分–单一组分流加–多组分流加•控制方式–反馈控制–无反馈控制21四、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。
222、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。
233、连续发酵的类型•恒化培养–使培养基中限制性基质的浓度保持恒定•恒浊培养–使培养基中菌体的浓度保持恒定244、连续发酵的代谢曲线从分批培养出发，无论在哪个时候开始加入新鲜培养基过渡到连续操作，达到一定的菌体浓度及限制基质浓度则培养系统一定能成为稳定状态。
25第二节发酵工艺的控制工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。
26一、温度对发酵的影响及控制1，影响发酵温度的因素产热因素：生物热搅拌热散热因素：蒸发热辐射热27发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。
Q 发酵=Q 生物+Q 搅拌-Q 蒸发-Q 辐射289生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。
培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO 2,NH 3时释放出的大量能量。
9用途：合成高能化合物，供微生物生命代谢活动热能散发9影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。
生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。
29实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。
说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。
1、抗生素相对活性为12、抗生素相对活性为0.5发酵过程中生物热的变化30在四环素发酵中，还发现生物热和菌的呼吸强度的变化有对应关系，特别是在80小时以前。
从此实验中还可看到，当产生的生物热达到高峰时，糖的利用速度也最大。
另外也有人提出，可从菌体的耗氧率来衡量生物热的大小。
四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程1：效价；2：呼吸强度；3：生物热；4：糖浓度31•搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热。
Q 搅拌=3600（P/V ）3600：热功当量（kJ/（kW.h ））（P/V ）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（kW/m 3）32•蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。
空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。
同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。
•蒸发热的计算：Q 蒸发=G （I 2-I 1）G ：空气流量，按干重计算，kg/hI 1、I 2：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg （干空气）33•辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。
•辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%。
34发酵热的计算（厌氧发酵）35•影响各种酶的反应速率和蛋白质性质•影响发酵液的物理性质•影响生物合成的方向。
–例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。
在低于30 ℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。
当温度提高，合成四环素的比例也提高。
在温度达35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。
2，温度对发酵的影响369最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。
9最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。
9最适发酵温度的选择–在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。
–温度的选择要参考其它发酵条件。
–温度的选择还应考虑培养基成分和浓度3，最适温度的确定37发酵罐（液体发酵）：夹套（10M 3以下）盘管（蛇管）（10M 3以上）固态发酵通风调节（好氧发酵）控制入窖温度和糖化速度（厌氧发酵）4，温度的控制38二、pH 对发酵的影响及控制•发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。
它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。
因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。
尽管多数微生物能在3~4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。
391，pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响•pH影响酶的活性•pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态•pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解•pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变402，发酵过程中pH的变化生长阶段 生成阶段 自溶阶段41 碳源过量 消泡油添加过量 生理酸性物质的存在3，引起pH下降的因素42氮源过多生理碱性物质的存在 中间补料，碱性物质添加过多4，引起pH上升的因素439原则：有利于菌体生长和产物的合成。
一般根据实验结果确定。
9最适pH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。
应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范围。
5，最适pH的选择44调节基础培养基的配方调节碳氮比（C/N） 添加缓冲剂补料控制–直接加酸加碱–补加碳源或氮源6，pH的控制45大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。
如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：C 6H 12O 6十6O 2＝6H 2O 十6CO 2只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。
氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度约为l0mg/L)。
许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。
三、氧对发酵的影响461，发酵过程中氧的需求尽管考虑了呼吸的化学计量而使供氧问题得以正确评价，但由于未曾将转化为生物物质的碳加以考虑而使菌体的真实需氧情况难以表明。
许多研究工作者已经考虑到氧、碳源、氮源转化为生物物质的总化学计量关系，并利用这样的关系来预测发酵的需氧情况。
从这些测定结果发现菌体的需氧似乎完全取决于培养基中的碳源。
47Darlington(1964)以C 3.92H 6.5O 1.94来表述100克酵母菌体(干重)的组分，并对由碳氢化合物和碳水化合物生产酵母推导得到如下方程式：OH CO O H C O O CH 2294.15.692.32242.375.21.267.6++=+OH CO O H C O CH 2294.15.692.32289.322.3135.614.7++=+根据Darlington方程式，可知同样生100g菌体，用碳氢化合物所需的氧约为用碳水化合物生产时的3倍。