生物化工工艺学--第8章--发酵过程的工艺控制

恒浊培养的特点
在恒浊器中的微生物，始终能以最高生长速率进行生长，并可在允许范 围内控制不同的菌体密度。 在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物 如乳酸、乙醇时，都可以利用恒浊器。 在恒浊器中，微生物可维持该培养在分批培养时达到的最大生长速率。 一般来说，恒浊器较难控制，目前大多数研究工作者都利用恒化器进行 连续培养的研究。
五 生物反应的动力学分类
（1） 根据生长是否偶联将微生物反应动力学分为三类 偶联型：产物形成速度与生长速度有紧密联系。 混合型：产物形成与生长只有部分联系。 非偶联型：产物形成速度与生长速度无紧密联系。 （2） 根据产物生成速率与菌体生成速率将微生物反应分为如下三类-P180
图（a）为相关模型。产物生成与细胞生长呈相关的过程，产物是细胞能量代谢的结果。 此时产物通常是基质的分解代谢产物，如乙醇、葡萄糖酸等。 图（b）为部分相关模型。反应产物生成与基质消耗仅有间接的关系，产物是能量代谢 的间接结果。在细胞生长期内，基本无产物生成。如柠檬酸和氨基酸的生产。 图（c）为非相关模型。产物的生成与细胞的生长无直接关系。在微生物生长阶段，无 产物积累，当细胞停止生长，产物却大量生成。如青霉素等次级代谢产物的生产，以及酶、 维生素、多糖类等的生产。
一 连续培养的特点
从系统外部予以调整，使菌体维持在衡定生长速度下进行连续生长 和发酵。 要维持这一衡定的速度，必须使发酵罐中发酵液的稀释度，恰恰等 于该微生物的生长速度。 大大提高了发酵的生长效率和设备利用率。 恒定状态可以有效地延长分批培养中的指数生长期。在恒定的状态 下，微生物所处的环境条件，如营养物质浓度、产物浓度、 pH 值， 以及微生物细胞的浓度、比生长速率等可以始终维持不变，甚至还 可以根据需要来调节生长速率。
循环
管道发酵器 塔式发酵罐 (菌体部分 重复使用)
塔式发酵罐装有 隔板的管道发酵 器(菌体部分重 复使用)
管道发酵器(菌 体100％重复使 用)
塔式发酵罐 装有隔板的 管道(菌体 100 ％ 重 复 使 用)
（1）开放式连续发酵
在开放式连续发酵系统中，培养系统中的微生物细胞随着发酵液的流 出而一起流出，细胞流出速度等于新细胞形成速度。因此在这种情况 下，可使细胞浓度处于某种稳定状态。 另外，最后流出的发酵液如部分返回 ( 反馈 ) 发酵罐进行重复使用，则 该装置叫做循环系统，发酵液不重复使用的装置叫做不循环系统。
三 连续发酵分类
开放式连续发酵系统 ：
单罐均匀混合连续发酵
多罐均匀混合连续发酵
管道非均匀混合连续发酵 塔式非均匀混合连续发酵
封闭式连续发酵系统
连续发酵类型
类 型
开放式(菌体取出) 单罐 均 匀 混 合 非循 环 循环 搅拌发酵罐 多罐 搅拌罐(串联) 封闭式(菌体不取出) 单罐 透析膜培养 多罐
酵液流出时不带细胞或所带细胞极少。
四 单级连续发酵的设计原则
对于正确设计一种连续发酵方案，重要的是选择适宜的稀释度 D ，为此必须了解产率 Yx/s ，生长比速率 μ ，最大比生长速率
μm、饱和常数Ks、产物形成速率以及营养消耗速率等。
如何决定最合适的 D值，具有很大经济意义，它不仅和产量曲 线(DX)有关，而且还应考虑原料的类型、价格、产品的经济价
搅拌发酵罐 (菌体部分 重复使用)
管道发酵器 塔式发酵罐
搅拌罐串联(菌 体部分重复使用 )
搅拌发酵罐(菌 体100％重复使 用)
塔式发酵罐(菌 体100％重复使 用)
搅拌发酵罐 串联(菌体 100 ％ 重 复 使 用)
塔式发酵罐 ( 菌 体 100 ％ 重复使用)
非 均 匀 混 合
非循 环
塔式发酵罐装有 隔板的管道发酵 器(卧式、立式)
群体生长速率与临界底物浓度的关系
（2） 活塞流反应器
是一种不均一的管状反应器，培养基由反应器的一端流入，从另一 端流出。 在反应器中，没有返混现象，因而，反应器内的培养基呈极化状态， 在其不同的部位，营养物的成分、细胞数目、传质效果、氧供应和 生产量都不相同。对于这类反应器，在其入口处，加入物料的同时 也必须加入微生物细胞。通常是在反应器的出口处装一支路，使细 胞返回，也可以来自另一连续培养装置(种子供应系统)。
第八章 发酵过程的工艺控制
内容简介
A. 微生物发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物的生成 B. 微生物发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产物 形成间的相互关系 C. 环境因素（温度、pH值、泡沫）对发酵过程的影响及 其控制。
复习： 微生物的典型生长曲线
迟缓期 对数期 稳定期
growth curve
二 连续培养的工艺种类
（1）均匀混合的生物反应器
在这种反应器中，培养基经搅拌而混合均匀，反应器中的
各部分培养基间不存在浓度梯度。这种连续培养装置又可进一 步分为恒化器和恒浊器两种。
(1) 恒化器 是一种设法使培养液流速保持不变，并使微生 物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种 连续培养装置。
第二节
一 发酵过程的种类 分批培养
补料分批培养
补料分批发酵
半连续培养
连续培养
（1）分批发酵
简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空 气的通入和排出。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等 参数都随时间变化。
分批培养中微生物的生长
分批培养的优缺点
优点：操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程 和产品质量容易掌握 缺点：产率低，不适于测定动力学数据
的阻遏效应；可以通过补料控制达到最佳的生长和产物合成条件；还
可以利用计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产工艺。 缺点：由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。由 于有物料的加入增加了染菌机会。
（3）半连续培养
在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连 续培养。某些品种采取这种方式，如四环素发酵。 优点：放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀 释有利于产物合成，提高了总产量。 缺点：代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大。
（2） 确定论的非结构模型——莫诺（Monod）方程

max [ S ]
K s [S ]
max——微生物的最大比生长速率；
Ks——饱和常数，代表当微生物的等于max一半时的底物浓度。
Monod方程假设：微生物生长中，生长培养基中只有一种物质的浓度（其
它组分过量）会影响其生长速率，这种物质被称为限制性（生长）基 质，并且认为微生物为均衡生长且为简单的单一反应。 Monod方程的特性： 仅取决于限制性基质的浓度（ [S]），此时，微生物 生长速率随着限制性基质的浓度变化呈抛物线变化，如图所示（教材 P179）。
衰亡期
活 菌 数 的 对 数
培养时间
产生原因：营养物耗尽；营养物比例失调；有害 代谢产物的累积；pH、氧化还原电位等不合适。
（1）迟缓期（延滞期）（lag phase）
特点：生长速率为零；细胞形态变大或增长；细胞内合成代谢十分 活跃，易产生各种诱导酶；
（2）对数期exponential phase（指数期）logarithmic phase 特点：生长速率常数最大，倍增时间最短；细胞进行平衡生长；酶 系活跃，代谢旺盛。 （3）稳定期（stationary phase） 特点：生长速度常数为零，新繁殖的细胞数和衰亡的细胞数相等， 即处于正生长与负生长的动态平衡之中。 （4）衰亡期（decline phase or death phase） 特点：个体死亡速度超过新生速度，整个群体呈现负生长状态；细 胞形态发生多形化（如自溶、释放芽孢、产生次生代谢产物等）。
二 基质消耗速率rs
以菌体得率为媒介，可确定基质的消耗速率与生长速率的关系。
rx d[S ] rS dt YX / S
三 代谢产物的生成速率rp
与生长速率和基质消耗速率相同，当以体积为基准时，称为代谢产物的 生成速率rp。
rp
d [ P] dX d[S ] YP / X YP / S dt dt dt
(2)恒浊器
是根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培
养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培
养器。在这一系统中，当培养基的流速低于微生物生长速度时，菌体 密度增高，这时通过光电控制系统的调节，可促使培养液流速加快， 反之亦然，并以此来达到恒密度的目的。因此，这类培养器的工作精 度是由光电控制系统的灵敏度来决定的。
四 生长的非结构模型
（1） 四种生长模型
确定论的非结构模型，是一种理想的状况，不考虑细胞内部结构，每个细胞之 间无差别，细胞群体作为一种溶质； 确定论的结构模型，每个细胞之是无差别，细胞内部有多个组分存在； 概率论的非结构模型，不考虑细胞内部结构，每个细胞之间有差别； 概率论的结构模型，细胞内部结构有差别，每个细胞之间也有差别。
这是一种通过控制某一种营养物的浓度，使其始终成为生长限制因子 的条件下达到的，因而可称为外控制式的连续培养装置。 在恒化器中，一方面菌体密度会随时间的增长而增高，另一方面，限 制生长因子的浓度又会随时间的增长而降低，两者互相作用的结果， 出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡。 这样，既可获得一定生长速率的均一菌体，又可获得虽低于最高菌 体产量，却能保持稳定菌体密度的菌体。
（2）补料分批培养
在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致 的发酵过早结束的缺点。 在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束 时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用 这种方法很多。
补料分批培养的优缺点--P184
优点：在这样一种系统中可以维持低的基质浓度，避免快速利用碳源
第一节 微生物发酵的动力学
一 菌体生产速率
菌体生长速率是群体生物量的生产速率，并不是群体生物量变化的速率。 有些场合尽管群体明显地迅速生长，但群体的生物量的变化速率仍为零。 一般地，菌体量是指微生物菌体的干重。
平衡生长条件下，微生物细胞的生长速率rx的定义式为：
dX rx X dt
式中，X——菌体的浓度； ——菌体比生长速率 。
（4）连续培养——详见第三节
发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵液，使 发酵罐内的体积维持恒定。 达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基 质浓度都是恒定的。
第三节
连续培养
与在密闭系统中进行的分批培养相反，连续培养是在开放系统中进行。 所谓连续培养，是指以一定的速率向发酵液中添加新鲜培养基的同时， 以相同的速率流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定不变，使培 养物在近似恒定状态下生长的培养方法。
值等方面。
五 连续发酵的优点
最大的特点就是微生物细胞的生长速度、产物的代谢均处于恒定状态，
可达到稳定、高速培养微生物细胞或产生大量代谢产物的目的。
有利于缩短发酵周期，提高劳动生产率。连续发酵减少分批发酵中的 清洗、投料、消毒等辅助时间，大大缩短发酵周期和提高设备利用率。
恒化器(A)、恒浊器(B)和活塞流反应器(C)中的连续发酵
另外，这种反应器常用于固定化菌和固定化细胞所催化的反应， 这时就无需再在进料口处加入催化剂。
连续培养使用受限的原因
许多方法只能连续运转 20一200 h，而工业系统则要求必须能稳定运行 500一1000 h以上； 工业生产规模长时间保持无菌状态有一定困难； 连续培养所用培养基的组成要保持相对稳定，这样才能取得最大产量， 而工业培养基的组成成分，如玉米浆、蛋白胨和淀粉等，在批与批之间 有时会出现较大变化； 当使用高产菌株进行生产时，回复突变可能发生。在连续培养过程中， 回复突变的菌株有可能会取代生产菌株而成为优势菌株。
（2）封Leabharlann Baidu式连续发酵
在封闭式连续发酵系统中，运用某种方法使细胞一直保持在培养器内，
并使其数量不断增加。这种条件下，某些限制因素在培养器中发生变化， 最后大部分细胞死亡。因此在这种系统中，不可能维持稳定状态。
封闭式连续发酵可以用开放式连续发酵设备加以改装，只要使全部菌体
重新循环使用。 另一种方法是采用间隔物或填充物置于设备内，使菌体在上面生长，发