第4章发酵培养技术

如果用比速率来表示基质消耗和产物生成：
基质比消耗速率
1 dS qS X dt
产物比生成速率
qP
1 X
dP dt
因此，基质消耗速率方程也可表示为
dS X 1 dP mX
dt YG YP dt
qS
YG
qP YP
m
当产物生成可忽略不计时，则
qS
YG
m
根据qS的定义有：
qS
1 X
dS dt
dS dX
1 X
dX dt
1 YX
S
合并上面两式，则，
1 1 m
YX YG S
因此，测定细胞在不同比生长速率时下的YX/S ，根
据上式的1/ YX/S 对1/作图，就可求出m 和YG 。
4.2 补料分批发酵
补料分批发酵又称为流加分批发酵(fed-batch)，是指在 分批发酵过程中，间隙或连续的补加新鲜培养基的培养 技术。由于只有料液的输入，没有输出，因此，发酵液 的体积在不断增加。其目的是克服由于养分的不足，导 致发酵过早结束。
m
1 X
dX dt
另外，处于对数期的细胞的形态、大小和生理特征比较一 致，细胞内蛋白质、核酸等大分子组成保持不变，新陈代 谢旺盛。
对数生长期的长短主要取决于培养基，包括溶氧的可利 用性和有害代谢产物的积累。对数期越长，最后获得的 活菌数就越多，因此，生产上通常应尽可能地延长对数 生长期。
四、减速期
工业生产从发酵产率和发酵指数以及避免染菌考虑， 应尽量缩短适应期。这可通过使用合适的种子和提高 接种量来达到。
二、加速期
通常很短，比生长速率可在短时间内从最小升到最大值。
三、对数期
当细胞已完全适应其周围环境后，便进入恒定的对数或 指数生长期
比生长速率达最大，且为一常数，可用m表示。 可用下式
表示：
基质的消耗＝细胞生长所耗基质＋产物生成所耗
基质＋细胞维持生命活动所耗基质
即
dS dSG dSP dSm
dt dt dt dt
若用一些得率系数来表示，则，
YG —— 细胞的得率系数；
YG
dX dSG
YP m
—— 产物得率系数； —— 维持系数 m 1
YP dSm
dP dSP
X dt
代入上式，则，
随着养分的减少，有害代谢物的积累，生长不可能再无 限制地继续。这时虽然细胞量仍旧在增加，但其比生长 速率不断下降，细胞在代谢与形态方面逐渐蜕化 。
减速期的长短取决于菌对限制性基质的亲和力(Ks)，亲 和力高，即Ks值小，则减速期短。
五、平衡期
实际上是一种生长和死亡的动态平衡，净生长速率等于 零，即＝ (为比死亡速率)。由于此时菌体的次级代 谢十分活跃，许多次级代谢产物在此时大量合成，菌的 形态也发生较大的变化(如菌体分化，染色变浅，形成空 胞等)。
停滞期
分
加速期
批
发
对数期
酵 过
减速期
程
平衡期
死亡期
图3-1 分批培养的典型生长曲线
一、停滞期
即刚接种后的一段时间内，因菌种对新的生长环境有 一适应过程，细胞数目和菌量不变的过程。
其长短主要取决于种子的活性、接种量、培养基的可利 用性和浓度。一般种子采用对数生长期且达到一定浓度 的培养物，该种子能耐含高渗化合物和低CO2分压的培 养基。
补料分批发酵与分批发酵相比，其优点在于能使发酵系 统中维持很低的基质浓度，导致1) 可以除去快速利用碳 源的阻遏效应，即葡萄糖效应，并维持适当的菌体浓度， 不致于加剧供氧的矛盾；2) 避免有毒代谢副产物的积累。 其应用范围十分广泛，包括各种产物的发酵。近年来尤 其在基因工程菌的高密度发酵中，其优势更加明显。
微生物分解基质途径
的直接产物和某些酶
类，如酒精、黑曲霉
生长耦联型
qP
1 X
dP dt
YP
/
X
葡萄糖氧化酶和根霉 脂肪酶，其产物浓度
与菌ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ生长随时间的
产
变化呈平行关系
物
形 成 动 力 学
非生长耦联型
qP
1 X
dP dt
产物的形成速度与菌 体生长速率无关，而 与菌体量的多少有关。 如次生代谢产物
混合生长耦联型 qP Luedeking-Piret方程。
第4章 发酵培养技术
按培养基的形式
固体发酵
酵发
按微生物对氧的需求
液体发酵 厌氧发酵
耗氧发酵
分批发酵
发
酵
补料分批发酵
培
养
技 术
半连续发酵
恒化器
反馈恒化器
连续发酵
多级连续发酵
细胞循环连续发酵
4.1 分批发酵
分批发酵是指在一封闭培养系统中含有初始限制 量的基质的发酵方式。即种子接种到培养基中后， 除了气体流通外发酵液始终留在发酵罐中，直至 发酵结束。
八、分批发酵过程中基质的消耗动力学
A. 得率系数
细胞对基质的得率系数YX/S ： 细胞对氧的得率系数YX/O： 产物对基质的得率系数YP/S：
X
YX S
S
YX O
X O2
P
YP S
S
B. 基质消耗速率
当限制性基质为碳源时，消耗掉的碳源一部分用于形成 细胞物质，一部分形成产物，一部分产生能量供细胞维 持生命活动，对其进行质量衡算可得，则
如乳酸、黄原胶和一 些次生代谢产物发酵
图3-2 分批发酵生长与产物形成的动力学模型. (a) 生长 耦联型；(b) 混合生长耦联型；(c) 非生长耦联型
当产物为生长耦联型时，则延长与产物合成有关的 对数生长期； 当产物为非生长耦联型时，如次生代谢产物，则以 缩短菌体的对数生长期，并迅速获得足够量的菌体 细胞后延长生产期，以提高产量； 当产物为混合生长耦联型时，则根据其耦联程度而 灵活调节。
dS
dSG
dSP
dSm
dX
dP
mX
dt dt dt dt YGdt YPdt
XdX dP
mX
YG Xdt YPdt
即
dS X 1 dP mX
dt YG YP dt
上式为基质消耗速率方程。YX/S、 YP/S 是对碳源的总消
耗而言，而YG、YP 则分别是对用于生长和用于产物生
成所消耗的碳源而言。
六、死亡期
当养分耗竭，对生长有害代谢物在发酵液中大量积累便
进入死亡期。这时。＞，生长呈负增长。工业发酵一
般不会等到菌体开始自溶时才结束培养。发酵周期的长
短不仅取决于前面五期的长短还取决于X0。
七、分批发酵过程产物的形成动力学
产物比生成速率
qP
1 X
dP dt
单位质量菌体细胞在单位时间内所能生成的产物的量
4.3 半连续发酵
1. 概念
在补料分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液(行 业中称为带放)便可称为半连续发酵。
2. 优点
1) 可补入适当的养分或前体 ； 2) 代谢有害物被稀释，从而有利于产物的继续合成 ； 3) 避免代谢终产物的反馈抑制作用。