发酵过程

分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长相关→生长偶联型：乙醇发酵
d dP tY P/Xd d x t 1/x qPY P/X
产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直 接结果，菌体生长速率的变化与产物生成速率的 变化相平行。
A
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分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长部分相关→生长部分偶联型： 柠檬酸、氨基酸发酵
产物生成与能量代谢不直接相关，通过细胞
进行的独特的生物合成反应而生成。
A
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分批发酵动力学
应用举例
杀假丝菌 素分批发酵 中的葡萄糖 消耗、DNA 含量和杀假 丝菌素合成 的变化 。
杀假丝菌素分批发酵动力学分析
A
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分批发酵的优缺点
❖ 优点： ➢操作简单、投资少 ➢运行周期短 ➢染菌机会减少 ➢生产过程、产品质量较易控制
细胞生产率
❖ 细胞生产率 DxDX Y/SS0K mSDD
当 dDx 0,
dD
即
Dm1
KS KS S0
时
可获得最大的细胞生产率，为
Dm xYX/SmS0
KSS0 S0
KS2 S0
A
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连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
细胞生产率
Dm xYX/SmS0
KSS0 S0
K S0 S2
❖ 若S0>>Ks （S0>10Ks）,底物供给浓度很大，为非限制性
稳态时，ds =0,一般条件下,mx << x
dt
Y X /S
产物相对菌体生长量较少, q P x 0
DS0
S x
YX/AS
YP / S
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连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
❖ x, s, Dx与D关系总结：
D
xYX/SS0S
S KSD
m D DxDX Y/SS0KmSDD
A
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连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
连续发酵动力学-发酵装置-多级串联
两个及两个以上的发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出 料作为下一级发酵罐的进料。
两级连续发酵示意图
A
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连续发酵动力学-发酵装置-多级串联
培养基输入
培养液进入 下一级发酵罐
多级罐式连续发酵装置示 意图
培养液进入 后处理或到 下一级发酵罐
罐式连续发酵实现方法
➢恒浊法：通过调节营养物的流加速度，利用浊 度计检测细胞浓度，使之恒定。
➢恒化法：保持某一限制性基质在一恒定浓度水
平，使菌的比生长速率µ保持一定。
A
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连续发酵动力学-发酵装置-细胞回流式
F
Se
(1 ) F
X
F
Xe
F, cX
细胞回流的单级连续发酵示意图
a: 再循环比率（回流比）
c: 浓缩因子
A
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连续发酵动力学-发酵装置-塞流式
无菌培养 基流入
发酵罐 d
供给连续接 种再循环
第二节 分批发酵动力学
A
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分批发酵动力学
细胞生长动力学 基质消耗动力学 产物形成动力学
A
2
分批发酵动力学-产物形成动力学
根据发酵时间过程分析，微生物生长与产物 合成存在以下三种关系：
与生长相关→生长偶联型 与生长部分相关→生长部分偶联型 与生长不相关→无关联
A
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相关型
部分相关型
非相关型
产物合成相关、部分相关、A非相关模型动力学示意图 4
培养物 流出
A
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单级恒化器连续发酵
o
连续反应器： 流入速度=流出速度= F
反应器内(V)全混流,溶质浓度处处相等
A
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连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
定义： ① 稀释率 D=F/V (h-1)
F—流量（m3/h） V—培养液体积（m3）
② 理论停留时间
TL
1 D
A
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连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
d dP td d x tx qP
产物间接由能量代谢生成，不是底物的直接氧化产物， 而是菌体内生物氧化过程的主流产物（与初级代谢紧 密关联）。
A
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分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长不相关→无关联：抗生素发酵
dP x
dt
qp
若考虑到产物可能存在分解时，则
ddP txkdPqpxkdP
A
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什么ຫໍສະໝຸດ Baidu连续发酵？
概念：在发酵过程中，连续向发酵罐流加培养基， 同时以相同流量从发酵罐中取出发酵液。
❖ 特点： 添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形 成连续生产过程，获得相对稳定的连续发酵状态。
❖ 连续发酵类型： 单级、 多级连续发酵
A
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主要内容
（一）连续发酵类型及装置 （二）连续发酵动力学模型
细胞的物料衡算（µ和D的关系）
积累的细胞（净增量）= 流入的细胞-流出的细胞+生长的细 胞-死亡的细胞
dx F dt V
x0
F V
xdx dtG
x
Dx0 Dxxx
对于单级恒化器：X0 =0 且通常有：
dxDx
dt
A
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连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
dxDx
dt
A.稳定状态时， dx 0 dt
❖ 当连续发酵处于稳态，(ddPt )总变化0 ，
且加料中不含产物，即 P0 0 ，P分解速率可忽略。
得
DPqPx
1.单级恒化器连续发酵 2.多级恒化器连续发酵 3.进行细胞回流的单级恒化器连续发酵 （三）连续发酵动力学理论的应用
A
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连续发酵动力学-发酵装置
连续发酵类型及装置
➢ 罐式连续发酵 ➢ 单级 ➢ 多级串联 ➢ 细胞回流式
➢塞流式连续发酵
A
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连续发酵动力学-发酵装置-单级
单级连续发酵示意图
A
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则 Dm x aY xX /S m S 0
此时，最大临界稀释率
∴当D>Dc= m 时，
Dc mS0
KS S0
m
dx 0 dt
A
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连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
产物的物料衡算
❖ 产物变化率=细胞合成产物速率+流入-流出-分解项
ddPtddPt细胞合成 D0PDPkDP qPxD(P0P)kDP
A
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❖缺点：
➢ 不利于测定过程动力学，存在底物限制或抑制问 题，会出现底物分解阻遏效应?及二次生长?现象。
➢ 对底物类型及初始高浓度敏感的次级代谢物如一 些抗生素等就不适合用分批发酵（生长与合成条 件差别大）
➢ 养分会耗竭快，无法维持微生物继续生长和生产 ➢ 非生产时间长，生产率较低
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第三节 连续发酵动力学
此时 µ=D（单级连续发酵重要特征）
B.不稳定时，
当µ>D，
dx 0, x dt
当µ<D，
dx 0, x dt
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连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
限制性基质的物料衡算
积累的营养组分=流入量-流出量-生长消耗量维持生命需要量-形成产物消耗量
d d s tV FS0V FSYXx /Smx Y qP P /x S