发酵过程工艺
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（2）分批发酵的优缺点
✓ 优点：操作简单，周期短，染菌的机会减少生 产过程易于控制、产品质量易掌握。
x 缺点：分批发酵不适于测定过程动力学，存在 基质的抑制问题，出现二次生长现象，对与一 些对基质敏感的产物，由于养分易耗尽，产率 较低。
2、补料－分批发酵（fed-batch）
补料分批培养（fed-batch culture，简称FBC），是指在分批 培养过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养 基的培养方法，是分批培养和连续培养之间的一种过渡培养 方式，是一种控制发酵的好方法，现已广泛用于发酵工业。
一般来说，微生物的培养方式分为分批发酵、补 料分批发酵、半连续发酵及连续发酵四种类型
的操作方式。
1、分批发酵
指在一个封闭的培养系统内投入有限数量的营养物质（基质）
后接入种子进行培养的发酵方式。即一次性投料，一次性收
获产品的发酵方式。在该系统里种子接种到培养基后，除了
气体流通外，发酵液始终留在生物反应器内。
对数生长期 稳定期 衰亡期
细胞活力很强，生长速率达到最大值且保持 稳定、速率大小取决于培养基的营养和环境
随着营养物质的消耗和产物的积累，微生物 的生长速率下降等于死亡速率，系统中活微
生物数保持稳定
由于自溶酶的作用或有害物质的积累，使细 胞破裂死亡
2、微生物分批培养生长速度的动力学方程
1942年，Monod提出了在特定温度、pH值、 营养物类型、营养物浓度条件下，微生物 细胞的比生长速率与限制性营养物浓度之 间存在如下关系：
（Yx/s）和产物得率系数（Yp/s），分别定义为 消耗1g营养物质生成的细胞的克数和生成产 物的克数。
工业生产中可通过测定一定时间内细胞和产物 的生成量及营养物质的消耗量来进行计算。
在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同 步的关系，将微生物产物形成动力学分为① 生长关 联型 和② 非生长关联型。
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，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中。
二、发酵过程的代谢变化规律
从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的菌体 生长、发酵参数的变化（培养基和培养条件）和 产物形成速率这三者之间的关系。
生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知 识对稳定生产，提高产量意义重大。
第一节 发酵过程中的代谢变化与控制参数
一、发酵工艺过程控制的重要性
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；
必须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；
发酵过程工艺
发酵，原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过 酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过 程。 在广义的工艺上，则把发酵看做是微 生物把一些原料养分在合适的条件下（通 常是需氧）经特定的代谢转变成产物的过 程。
发酵是一种很复杂的生化过程，发酵生产 受许多因素的影响和工艺条件的制约。需 要多年的经验才能掌握。
基础。
（2）补料优化方式及控制
u连续流加、不连续流加、多周期流加
补料方式 u快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加 u单组分流加、多组分流加
流加操作控制系统 u反馈控制 直接方法
间接方法
u无反馈控制
直接以限制性营养物浓度作为反馈参数，如 控制氮源、碳源、C/N比等，由于目前缺乏 能直接测量重要参数的传感器，因此直接方 法的使用受到了限制。
μ=μmaxS/（Ka+S）
μmax——微生物的最大比生长速率 S——限制性营养基质的浓度 Ks——饱和常数
Monod方程的几点说明
a：分批培养过程的经验方程，在纯培养情况下， 只有当微生物细胞生长受一种限制性营养物 质制约时，与实验数据相一致。
b：Ks反映了微生物对营养物质的吸收的亲和力 的大小，数值越小，表明微生物对营养物质 的亲和力大。反之则亲和力小。一般微生物 的Ks值为0.1—120mg/L，是很小的。
c：μmax随微生物的种类和培养条件不同，一般 来说细菌的μmax大于霉菌，就同种微生物来 说，培养温度升高，μmax增大。
3、分批培养时微生物细胞的生长与产物形成 的动力学
在发酵过程中，常用得率系数来描述微生物生 长过程的特征，即生成的细胞或产物与消耗 的营养物质之间的关系。
在实际中，最常用的是细胞得率系数
对于非生长关A联（型葡产萄糖品异，构则酶） 宜缩短菌体的B对（数菌体生浓长度期），
对于生长关联型A产（品杀念，珠可菌素） 采用有利于细胞B生（菌长体的浓培度）
并迅速获得足够量的菌体细 养条件，延长与产物合成
胞后，延长稳定期，从而提 有关的对数生长期。
高产量。
生长关联型
非生长关联型
产物的生成速率与菌体生长 速率成正比。这种产物通常是微
分
菌体 浓度
批 培
养
条
件
稳定期
下
衰亡期
的
典
指数期
时间（t）
型
生
长
延滞期
曲
线
分批培养过程中随着培养基中的营养物质 不断减少，微生物生长的环境条件也不断 变化，因此，微生物分批培养是一种非稳 态的培养方法。
生长阶段
细胞特征
停滞期
为适应新环境的需要，细胞个体增大，合成 新的酶及细胞物质，细胞数量增加很少，微 生物对不良环境的抵抗力下降。当接种的是 老龄化的或饥饿的细胞时，停滞期将延长
由于此过程只有料液的输入没有输出，发酵液的体 积在增加。
（1）补料分批培养（FBC）的优点
① 可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏； ② 可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长
所引起的影响，改善发酵流变学的性质； ③ 可用作控制细胞质量的手段，以提高发芽孢子的比例； ④ 可作为理wk.baidu.com研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验
生物分解基质的直接产物，如酒精， 但也有某些酶类，如脂肪酶和葡萄糖 异构酶
产物的生成速率与菌体 生长速率成无关，而与 菌体量的多少有关。
（1）有关分批发酵的几点讨论
生产的对象不同，掌握工艺的重点不同
➢ 产物为细胞本身——采用能支持最高生长量的培养条件 ➢ 产物为初级代谢物——延长对数生长期 ➢ 产物为次级代谢物——缩短对数生长期，延长稳定期
✓ 优点：操作简单，周期短，染菌的机会减少生 产过程易于控制、产品质量易掌握。
x 缺点：分批发酵不适于测定过程动力学，存在 基质的抑制问题，出现二次生长现象，对与一 些对基质敏感的产物，由于养分易耗尽，产率 较低。
2、补料－分批发酵（fed-batch）
补料分批培养（fed-batch culture，简称FBC），是指在分批 培养过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养 基的培养方法，是分批培养和连续培养之间的一种过渡培养 方式，是一种控制发酵的好方法，现已广泛用于发酵工业。
一般来说，微生物的培养方式分为分批发酵、补 料分批发酵、半连续发酵及连续发酵四种类型
的操作方式。
1、分批发酵
指在一个封闭的培养系统内投入有限数量的营养物质（基质）
后接入种子进行培养的发酵方式。即一次性投料，一次性收
获产品的发酵方式。在该系统里种子接种到培养基后，除了
气体流通外，发酵液始终留在生物反应器内。
对数生长期 稳定期 衰亡期
细胞活力很强，生长速率达到最大值且保持 稳定、速率大小取决于培养基的营养和环境
随着营养物质的消耗和产物的积累，微生物 的生长速率下降等于死亡速率，系统中活微
生物数保持稳定
由于自溶酶的作用或有害物质的积累，使细 胞破裂死亡
2、微生物分批培养生长速度的动力学方程
1942年，Monod提出了在特定温度、pH值、 营养物类型、营养物浓度条件下，微生物 细胞的比生长速率与限制性营养物浓度之 间存在如下关系：
（Yx/s）和产物得率系数（Yp/s），分别定义为 消耗1g营养物质生成的细胞的克数和生成产 物的克数。
工业生产中可通过测定一定时间内细胞和产物 的生成量及营养物质的消耗量来进行计算。
在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同 步的关系，将微生物产物形成动力学分为① 生长关 联型 和② 非生长关联型。
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，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中。
二、发酵过程的代谢变化规律
从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的菌体 生长、发酵参数的变化（培养基和培养条件）和 产物形成速率这三者之间的关系。
生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知 识对稳定生产，提高产量意义重大。
第一节 发酵过程中的代谢变化与控制参数
一、发酵工艺过程控制的重要性
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；
必须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；
发酵过程工艺
发酵，原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过 酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过 程。 在广义的工艺上，则把发酵看做是微 生物把一些原料养分在合适的条件下（通 常是需氧）经特定的代谢转变成产物的过 程。
发酵是一种很复杂的生化过程，发酵生产 受许多因素的影响和工艺条件的制约。需 要多年的经验才能掌握。
基础。
（2）补料优化方式及控制
u连续流加、不连续流加、多周期流加
补料方式 u快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加 u单组分流加、多组分流加
流加操作控制系统 u反馈控制 直接方法
间接方法
u无反馈控制
直接以限制性营养物浓度作为反馈参数，如 控制氮源、碳源、C/N比等，由于目前缺乏 能直接测量重要参数的传感器，因此直接方 法的使用受到了限制。
μ=μmaxS/（Ka+S）
μmax——微生物的最大比生长速率 S——限制性营养基质的浓度 Ks——饱和常数
Monod方程的几点说明
a：分批培养过程的经验方程，在纯培养情况下， 只有当微生物细胞生长受一种限制性营养物 质制约时，与实验数据相一致。
b：Ks反映了微生物对营养物质的吸收的亲和力 的大小，数值越小，表明微生物对营养物质 的亲和力大。反之则亲和力小。一般微生物 的Ks值为0.1—120mg/L，是很小的。
c：μmax随微生物的种类和培养条件不同，一般 来说细菌的μmax大于霉菌，就同种微生物来 说，培养温度升高，μmax增大。
3、分批培养时微生物细胞的生长与产物形成 的动力学
在发酵过程中，常用得率系数来描述微生物生 长过程的特征，即生成的细胞或产物与消耗 的营养物质之间的关系。
在实际中，最常用的是细胞得率系数
对于非生长关A联（型葡产萄糖品异，构则酶） 宜缩短菌体的B对（数菌体生浓长度期），
对于生长关联型A产（品杀念，珠可菌素） 采用有利于细胞B生（菌长体的浓培度）
并迅速获得足够量的菌体细 养条件，延长与产物合成
胞后，延长稳定期，从而提 有关的对数生长期。
高产量。
生长关联型
非生长关联型
产物的生成速率与菌体生长 速率成正比。这种产物通常是微
分
菌体 浓度
批 培
养
条
件
稳定期
下
衰亡期
的
典
指数期
时间（t）
型
生
长
延滞期
曲
线
分批培养过程中随着培养基中的营养物质 不断减少，微生物生长的环境条件也不断 变化，因此，微生物分批培养是一种非稳 态的培养方法。
生长阶段
细胞特征
停滞期
为适应新环境的需要，细胞个体增大，合成 新的酶及细胞物质，细胞数量增加很少，微 生物对不良环境的抵抗力下降。当接种的是 老龄化的或饥饿的细胞时，停滞期将延长
由于此过程只有料液的输入没有输出，发酵液的体 积在增加。
（1）补料分批培养（FBC）的优点
① 可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏； ② 可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长
所引起的影响，改善发酵流变学的性质； ③ 可用作控制细胞质量的手段，以提高发芽孢子的比例； ④ 可作为理wk.baidu.com研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验
生物分解基质的直接产物，如酒精， 但也有某些酶类，如脂肪酶和葡萄糖 异构酶
产物的生成速率与菌体 生长速率成无关，而与 菌体量的多少有关。
（1）有关分批发酵的几点讨论
生产的对象不同，掌握工艺的重点不同
➢ 产物为细胞本身——采用能支持最高生长量的培养条件 ➢ 产物为初级代谢物——延长对数生长期 ➢ 产物为次级代谢物——缩短对数生长期，延长稳定期