4第四章_发酵与酿造工程学基础及主要设备(2)

连续发酵缺点： 菌种易于退化。 其次是易遭杂菌污染。 在连续培养中，营养物的利用率一般亦低于单批培养。
(1) 恒化器 是一种培养液流速保持不变，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。

通过控制限制基质的浓度，使其始终成为生长限制 因子的条件下达到的，因而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。
(2)对数生长期


处于对数生长期的微生物细胞的生长速率 大大加快，单位时间内细胞的数目或质量 的增加维持稳定，并达到最大值。 此时，如以细胞数目或生物质量的对数值 对培养时间作图，将得一直线，该直线的 斜率就等于μ。
微生物的最大比生长速率在工业上的意义



为保证工业发酵的正常周期，要尽可能地使微 生物的比生长速率接近其最大值。 最大比生长速率不仅与微生物本身的性质有关， 也与所消耗的底物以及培养的方式有关。 限制微生物生长代谢的并不是发酵液中营养物 质的浓度，而是营养物质进入细胞的速度。
(3)稳定期
在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被消耗， 一些对微生物生长代谢有害的物质在不断积累。受此 影响，微生物的生长速率和比生长速率就会逐渐下降， 直至完全停止，这时就进入稳定期。 处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变；但微 生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的组成物质 还在不断变化。 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，又作为细胞的 营养物质，从而使存活的细胞继续缓慢生长。（二次 或隐性生长） 微生物的很多代谢产物，尤其是次级代谢产物，是在进 入稳定期后才大量合成和分泌的。
（三）补料分批培养的优点及应用
补料分批培养适合于以下条件


①生长非偶联型产物的生产 ②高密度培养 ③产物合成受代谢物阻遏控制 ④利用营养缺陷型菌株合成产物 ⑤补料分批培养还适用于底物对微生物具有抑 制作用等情况。 ⑥此外，如果产物黏度过高或水分蒸发过大使 传质受到影响时，可以补加水分降低发酵液黏 度或浓度。


Monod方程的参数求解(双倒数法)：
m ax
S Ks S
将Monod方程取倒数可得：
1


1
m

Ks 1
m S
或：
S


S
m

Ks
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。
例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：
S(mg/l) 6 μ(h-1) 0.06 33 64 153 221 0.24 0.43 0.66 0.70
求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，和Ks? 解：将数据整理： S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221
S


S
m

Ks
m
400


一、菌体生长速率

菌体生长速率 比生长速率

比生长速率除受细胞自身遗传信息支配外， 还受环境因素的影响。
微生物细胞比生长速率和倍增时间因受遗传 特性和生长条件的控制，有很大的差异。
二、基质消耗速率

以菌体得率系数为媒介，可确定基质的消耗速 率与生长速率之间的关系。

当基质既是能源又是碳源时：

四 分批补料发酵动力学
（一)概述 定义：所谓分批补料培养技术，是指在分批培养过程 中，间歇或连续的添加新鲜培养基的方法。 特点：与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统 中维持很低的基质浓度。 低基质浓度的优点为：①可以除去快速利用碳源的阻 遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧 的矛盾。②避免培养基积累有毒代谢物。
第二节 微生物发酵动力学
一、发酵动力学概论

1. 发酵动力学研究的内容 发酵动力学：它以化学热力学(研究反应 的方向)和化学动力学(研究反应的速度)为 基础，研究发酵过程中变量在活细胞作用 下变化的规律，以及各种发酵条件对这些 变量变化速度的影响。 研究内容：包括了解发酵过程中菌体生 长速率、基质消耗速率和产物生成速率的 相互关系，环境因素对三者的影响，以及 影响其反应速度的条件。
S
300


S
m

Ks
m
/s
200
100
1
m
0 .9
μmax，＝1.11 (h-1); Ks＝97.6 mg/L
0 0
ks
m
1 0 8 .4
100 200
s
（2） 细胞死亡动力学

微生物在培养过程中，由于基质的限制，部分细胞会 发生死亡和自溶，其死亡曲线、方程如下
d dm 1

分批补料发酵的类型
（二)分批补料发酵动力学计算


（1）、单一补料分批培养
特点：补料一直到培养液达到额定值为止，培养过程不取 出培养液。 在某一瞬间培养液中微生物细胞浓度

（2）、重复补料分批培养

定义：是在培养过程中，每隔一段时间，取出 一定体积的培养液，同时又在同一时间间隔内 加入相等体积的培养基，如此反复进行的培养 方式。
微生物比生长速率与底物之间有 一定的关系
线段a表示一样物质浓 度很低时。 线段b为符合Monod方程 段。 线段c表示营养物质浓 度很高时。


由图可知，饱和常数Ks是比生长率μ达最大比生长率 μ m值一半时的生长限制基质浓度。 s →∞，理论上 μ→μ m
Monod方程式适用于条件 适用于单一基质限制及不存在抑制性物质的情况，其 他营养是过量的，且没有抑制物的生成。


S K d＋ S

μd
μ dm μ dm /2 Kd
μ d ——细胞比死亡率，1/h μ d m ——最大细胞比死亡率，1/h K d ——细胞死亡常数，g/ L

s
分批培养时产物的形成速率
产物形成与细胞生长的关系
(三)分批培养过程的生产率
生产率是个综合指标，在讨论分批培养时，必 须考虑所有的因素。


说明：菌体得率

定义：消耗单位基质量ΔS（每克或每摩尔）与生成 的干菌体ΔX（g）之间的比值定义为菌体得率 （YX/S）。[消耗1g基质生成细胞的克数]

通常，菌体X以干重表示；基质S是培养液中某一限制性 底物。
说明：代谢产物收率 Nhomakorabea定义：生成的代谢产物量ΔP对底物的消耗量ΔS（g）之比 定义为代谢产物收率（YP/S）。
碳源总消耗速率＝用于生长的消耗速率＋用于维持代谢 的消耗速率
三、代谢产物的生成速率
发酵过程反应速度的描述
二、分批发酵动力学


定义：每一个分批发酵过程都经历接种，生长 繁殖，菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产 物。 特点：微生物所处的环境是不断变化的，可进 行少量多品种的发酵生产，发生杂菌污染能够 很容易终止操作，当运转条件发生变化或需要 生产新产品时，易改变处理对策，对原料组成 要求较粗放等。
三、连续发酵动力学

所谓连续培养，就是在发酵过程中一边补入新
鲜料液，一边以相近的流速放料，维持发酵液原 来的体积。

包括恒化器发酵和恒浊器发酵
连续发酵优点： ①高效，它简化了装料、灭菌、出料、清洗发酵罐等许多 单元 操作，从而减少了非生产时间和提高了设备的利用率； ②自控，便于利用各种仪表进行自动控制； ③产品质量较稳定； ④生长与代谢产物形成的两种类型节约了大量动力、人力、 水 和蒸汽，且使水、汽、电的负荷均匀合理。



(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。

在恒浊器中，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。 其工作精度是由光电控制系统的灵敏度决定的。
假如完全没有菌体生成，则理论代谢产物 收率可达到最大值。

(2) 比速率

基质比消耗率（mol/g· h）系指每克菌体在一 小时内消耗营养物质的比率。表示细胞对营 养物质利用的速率或效率。 菌体比生长率（mol/g· h）系指每克菌体在一 小时内增加菌体的比率。表示细胞的繁殖速 率。 产物比消耗率（mol/g· h）系指每克菌体在一 小时内合成产物的比率，它表示细胞的生产 能力或合成产物的速度，可以作为判断微生 物合成代谢产物的效率。
1942年，Monod提出了在特定温度、pH值、营养物质类 型、营养物浓度等条件下，微生物细胞的比生长速率与限 制性营养物的浓度之间存在着一个关系式。

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0.1~120mg/l或 0.01~3.0mmol/l，这表示微生物对营养物质 有较高的吸收亲和力。
生物反应过程动力学描述
发酵过程反应的描述

生物过程反应速度的描述 菌体生长速率/菌体比生长速率 基质消耗速率/基质比消耗速率 产物形成速率/产物比形成速率

（1）得率(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。 包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。

生长得率：是指每消耗1g(或mol)基质(一般指 碳源)所产生的菌体重(g) 。 产物得率：是指每消耗1g(或mol)基质所合成 的产物g数(或mol数)。这里消耗的基质是指被 微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数 减去残留的基质量。 转化率：往往是指投入的原料与合成产物数 量之比。