微生物培养技术

衰亡期的生物群体遵循指数规律衰减 即：
式中Xm：最大生物群体浓度； a：微生物的比生长速率。 X: 死亡细胞的浓度。
◆分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学
培养基中的营养物质被微生物细胞所利用
生成细胞：细胞得率系数
生成代谢产物：产物得率系数
消耗一克营养物质生成的细胞的克数或生成的产物的克数 工业上，一段时间的平均值， 获得为表观得率系数
ⅰ 式中: KS是常数，X：细胞浓度，S为限制
ⅱ
性营养物质的浓度
刚接入菌时，底物浓度为S, 刚进入稳定期时S=0
单纯由于营养物质的耗竭造 成的生长速率的下降可以通 过提高营养物质的初始浓度 来推迟稳定期的出现
● 衰亡期 (death phase/decline phase)
由于环境的恶化，培养液中的细胞开始死亡。，在微生 物的培养过程中，对衰亡期的研究一般较少。主要由于 大多数分批培养的发酵生产，均是在衰亡期开始之前就 已经停止操作，它的研究对生产价值不大，。
解： ①
因为s » Ks，故
所以①积分得
②
依题意
于是
● 稳定期 (stationary phase)
由于营养物的消耗和代谢产物的积累，是微生物的生长速度下降直至停 止。从而进入静止期。此时细胞浓度值为最大。 若生长速率的下降是由于营养物质的消耗造成的，假设接种细胞后立即 进入指数生长期且一直保持到静止期
倍增时间td：当细胞群体增加一倍时，所需的时间。由公式
微生物td: 0.5-5 h 动物细胞td:15-100 h 植物细胞td: 24-74 h td 和μ 反映在对数生长期微生物的生长特性， 影响μ的因素
细胞的种类， 培养条件（培养温度，限制性基质浓度， pH, 溶氧） 描绘营养物的浓度对微生物生长的影响：1942年， Monod总结 了经验方程
培养基营养丰富，细胞生长不受限制，细胞浓度随时间指数生 长。
dx/dt =μx, μ=(1/x) (dx/dt)
x: 细胞的浓度 g/L
t: 培养时间 h,
对数期μ为常数,初始条件: -1 μ : 比生长速度 h t0=0, t; x0, x, 积分得：
6.87*10
10
单位菌体浓度引起的菌 体增长，反映了指数生 长期细胞生长的快慢。
● 按产物的生成与营养物质的利用之间的关系可将发酵分为三种类型
●按产物的生成与微生物生长关系的动力学模式分为三种类型
(a):相关联型，产物的形成速度与细胞的比生长速度成正比，因此要提 高产物的形成速度就应当努力获得高的细胞的比生长速度 (b)：复合模式：取决于有关联和无关联的两种形式。
(c) 无关联模式：产物的形成速度与生长速度无关联，而只与细胞的浓 度有关。
在稳态操作情况下可以假设： （1）x0=0，即入口仅加入基质（S0）； （2）反应器无积累，dx/dt=0,ds/dt=0；
（3）菌体死亡速率远较生长速率低，α<<μ，
由上式可以得到
D（稀释率）
从上述推导中，连续培养的稳定条件为
假设细胞生长符合monod方程，于是：
所以，连续培养只要控制D，即改变培养基的供给量F，就可 以控制μ在任意可调水平，而μ是微生物的特性参数，在分批 培养过程中，是一个无法控制的参数，而在连续培养过程中， 通过控制操作状态参数D来调控μ，因而称此类反应器为外控 式的微生物反应器
＃ c 段为S» Ks，由于底物浓度过高导致的底物抑 制或代谢产物产生抑制，不符合Monod方程，对 于前者，有下列公式描述： 营养物质的 抑制，如G
代谢产物产 生的抑制， 如乙醇 ＃当底物浓度很高时且无抑制现象发生,即d 段，S » Ks, 从Monod 式中得
例：在5 m3培养液中，按5%接种量接种，已知原接 种液中含菌5×106（个/毫升），如果培养后发酵液 中的菌体含量需达4×109（个/毫升），求所需培养 时间。假定在整个培养时间，均满足s » Ks的条件， 已知μmax=0.8 h-1
Why do Cells Stop Growing?
Depletion of nutrients Lack of oxygen Change in pH Growth inhibition from metabolic end products
◆简单连续培养
● 微生物的物料衡算
(细胞进入)-(细胞流出)+(细胞生长)-(细胞死亡)=(细胞积累速率)
第六章：微生物培养技术与动力学
6.1 微生物发酵动力学
6.1.1 分批培养
营养物和菌种一次加入进行培养，直到结 束放出，中 间除了空气进入和尾气排出，添加消泡剂和调节pH, 与外 部没有物料交换, 属于非稳态过程。 优点：放大到罐操作比较容易 ，操作简单 缺点：培养初期营养物过多/后期代谢产物的积累可 能抑制生长，培养的中后期可能又因为营养物浓度过低而 降低培养效率 ，总设备生产能力不高
△分批培养过程中，微生物的生长曲线
● 延迟期(lag phase)
是微生物适应新环境的 过程.,表现为细胞的数量 没有增加,但一些参与物 质的运输/与初级代谢相 关的酶类会诱导合成;以 及一些辅助因子的合成 需要一些时间。所以， 其时期的长短与细胞的 生理状态和细胞的浓度 有关。
● 对数生长期(log phase/exponential growth phase)
6.1.2 连续培养
基本操作模型如图所示。物料连续地以 体积流量F流入反应器，并以同样流量 流出。流入物流中基质浓度为S0，菌浓 度为 Xo，Xo一般为0，反应器内有很好 的混合，即各点浓度一样，
特点：流出物流的浓度与反应器内相同，
而且加入的物流一进入反应器立即与反 应器内物料均匀混合。 在分批培养过程中，既使提高营养物质的初始浓度，或者采 用有些措施中和稀释代谢毒物， 但指数生长期迟早有结束， 稳定期也终将出现。就这一问题的彻底解决，Monod首先提 出了此培养方式。此培养方式为稳态过程。
Monod方程呈双曲线。 µ m最大比生长速率，s: 限制性营养物质的浓度， Ks: 饱和常数，为比生 长速度等于最大值的一 半时的底物浓度。其值 大，表示微生物对营养 物质的吸收亲和力小， 反之，就越大。
＃当底物浓度很低时,即a 段，S« Ks, 从Monod 式中得
＃ b源自文库为适合Monod方程段，