发酵过程的工艺控制

空气 发酵尾气 消泡剂
酸碱
蒸汽
发酵过程的工艺控制
问题
为什么说微生物分批培 养是一种非稳态的程？
在分批培养过程中，随着微生长细胞和底物、代 谢物的浓度等的不断变化，微生物垢生长可分为停 滞期、对数生长期、稳定期和死亡期等四个阶段， 图10-1为典型的细胞菌生长曲线。 请看下图：
发酵过程的工艺控制
分批培养过程中典型的细菌生
细胞的生长速度基本维持恒定，其生长速度可用数学方程表示：
dx x
dt
x---细胞浓度（g/l）；t---培养时间（hr）； μ ---细胞的比生长速率（1/h）。 如果当t=0时，细胞的浓度为x0(g/l)，上式
积分后就为：
发酵过程的工艺控制
ln x t
x0
于是，用微生物细胞浓度的自然 对数对时间作图，就可得到一条 直线，该直线的斜率就等于 μ。
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3、补料分批培养的优点
料分批培养是介于分批培养和连续培 养之间一种微生物细胞的培养方式，它 兼有两种培养方式的优点，并在某种程 度克服了它们所存在的缺点。表10-7为 补料分批培养的一些优点。
发酵过程的工艺控制
一、微生物发酵的动力学
一般来说，微生物学的生长和培 养方式可以分为：
分批培养 连续培养 补料分批培养
发酵过程的工艺控制
基本概念
分批培养又称分批发 酵，是指在一个密闭系统 内投入有限数量的营养物 质后，接入少量的微生物 菌种进行培养，使微生物 生长繁殖，在特定的条件 下只完成一个生长周期的 微生物培养方法。
长曲线
10
对 数
菌 数 的
bc
d
根据图提问
0 16
时间
发酵过程的工艺控制
停滞期
停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。 1、说说停滞期细胞特征？ 2、影响停滞期长短的决定因素有哪些？
实际上，接种物的生理状态和浓度是停滞期长短 的关键。如果接种物处于对数生长期，那么就很有可 能不存在停滞期，微生物细胞立即开始生长。反过来， 如果接种物本身已经停止生长，那么微生物细胞就需 要有更长的停滞期，以适应新的环境。
120
葡萄糖+无机盐
谷氨酸+无机盐
发酵过程的工艺控制
分批培养过程中典型的细菌生长曲 线
1100
菌
数
的
对 数
a
b
c
d
00
1166
时间
稳定期
发酵过程的工艺控制
特点：
1、所有微生物停止生长或细胞 增加速度与死亡 速率相等 2、出现二次或隐性长。
问题
说说稳定期微生物出现的原因？
由于细胞的溶解作用，一些新的营养物
2、细胞死亡速率大于增加速度。
3、此时也是细胞产生或释放对人类有用的抗生 素等次生代谢产物的时期。
发酵过程的工艺控制
微生物分批培养生长速度的动力学方程 分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学
二、补料分批培养
操作方式
1、基本概念
指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法，又称半连
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地生长，出现通常
所称的二次或隐性生长。
发酵过程的工艺控制
分批培养过程中典型的细菌生 长曲线
10
对 数
菌 数 的
a
b
c
d
死亡期 特点：
0 16
时间 1、微生物细胞内所储存的能量已经基本耗尽， 细胞开始在自身所含的酶的作用下死亡。
中型假丝酵 母
地衣芽孢杆 菌
碳源
比生长速率（1/h） 倍增时间（min）
复合物
1.2
35
葡萄糖+无机盐
2.82
15
醋酸+无机盐
3.52
12
琥珀酸+无机盐
0.14
300
葡萄糖+维生素+无机 0.35
120
盐
1.23
34
葡萄糖+无机盐
0.13
320
C6H14+维生素+无机 1.2
35
盐
0.69
60
葡萄糖+水解酪蛋白 0.35
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倍增时间
微生物细胞浓度增加一倍所需要的 时间，也叫增代时间。(td) 表示
td

ln 2


0.693

微生物细胞的比生长速率和倍增时间因受遗 传特性及生长条件的控制，有很大的差异， 如下表：
发酵过程的工艺控制
表10-2 一些微生物在不同碳源上的比生长速 度和倍增时间
微生物 大肠杆菌
发酵过程的工艺控制
本章内容提要
发酵的生产水平高低除了取决于生产菌本身的 性能外，还要受到发酵条件、工艺等的影响。只有 深入了解生产菌种在合成产物过程中的代谢调控机 制以及可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件 的要求，掌握菌种在发酵 过程中的代谢变化规律， 有效控制，以使生产菌种能始终处于生长和产物合 成的优化环境之中，从而最大限度地发挥生产菌种 的合成产物的能力，进而了取得最大的经济效益。
续培养或半连续发酵，是介于分批培养过程与连续培养过程之间的一种过渡培养 方式。
发酵工业应用
单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素、酶制剂、有机酸以及的生产过程
发酵过程的工艺控制
问题
2、补料分批培养的类型
3、不同补料方式对细胞生长影响
1、对大肠杆菌来说，何种补料方式对 细胞 生长最快？
2、何种补料方式对产物的形成最利？
26
改变加入蔗糖的量，控制最低溶氧浓 42
度
0.46
2.3
0.36
4.7
大肠杆菌 完全培养基 O2
按比例加入葡萄糖和铵盐，控制PH值 35
0.23
3.9
按比例加入葡萄糖和铵盐，控制PH值，
大肠杆菌 完全培养基 O2
低温维持最低溶氧浓度大于10%
47
补加碳源，维持恒定的浓度；以适当
0.58
3.6
大肠杆菌 完全培养基 O2
发酵过程的工艺控制
分批培养过程中典型的长曲线
对数生长期期
10
对 数
菌 数 的
a
b
c
d
处于对数生长期的微生物细胞的生长速
度大大加快，单位时间内细胞的数目或重 量16
问题
基本概念
细胞的比生长速率可以通过何种方法求 得？
在对数生长期，随着时间的推移，培养基中的成分不断发生变化，但此期间，
3、细胞生长速度最快是否也是最有利于 产物的形成？
表发1酵0-过5程补的工料艺方控制法对细胞密度、 生
长速度及生产率的影响 微生物 培养基
搅拌 通气
补料方式
细胞密度 比生长速 （ g/l ） 度（1/h）
产率 （g/ h）
大肠杆菌 完全培养基 O2 大肠杆菌 完全培养基 O2
补加葡萄糖，提高最低溶氧浓度
比例加入盐和铵盐，控制PH值
以恒定的速度（不导致的供应受到限 制）补加碳源
138
0.55
5.8
大肠杆菌 完全培养基 O2
补加碳源，限制细胞生长，避免 乙酸产生
43
大肠杆菌 完全培养基 O2
补加碳源，控制细胞生长
65
0.38
0.8
0.10-0.14
1.3
大肠杆菌 完全培养基 O2
80
0.2-1.3
6.2