第四章 发酵与酿造工程学基础及主要设备(2)

(3) 稳定期

在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被 消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在不断 积累。受此影响，微生物的生长速率和比生长速 率就会逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳 定期。 处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变； 但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的 组成物质还在不断变化。
பைடு நூலகம்


(3) 发酵周期
实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。
工业生产周期，计算劳动生产率时则应把发酵罐的清 洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间计算在内，以反映 发酵设备的利用效率。即从第一罐接种经发酵结束至 第二次接种为止这段时间为一个发酵周期。
二、微生物发酵动力学
1. 微生物生长曲线 微生物生长包括细胞体积增大和细胞数量增加 典型单细胞微生物的生长曲线如下图

（1）Monod方程式 Monod方程式是应用最普遍的微生物生长方程式，其曲线、 方程如下 S
m · K ＋S
s


μ
μ——比生产率，1/h
μ m ——最大比生产率，1/h
Ks——饱和常数，g/ L μm g/L μm/2 S——生长限制基质浓度，

由图可知， 饱和常数Ks是比生长率μ达最大比
生长率μ m值一半时的生长限制基质浓度。 s →∞，理论上 μ→μ m

Monod方程式适用于条件 适用于单一基质限制及不存在抑制性物质的情况， 其他营养是过量的，且没有抑制物的生成。

Monod方程的参数求解(双倒数法)： S max Ks S
将Monod方程取倒数可得：
Ks 1 m m S 1 1
d dm 1-
S Kd＋S



μd μ dm
μ d ——细胞比死亡率，1/h μ d m ——最大细胞比死亡率，1/h K d ——细胞死亡常数，g/ L

μ dm /2 Kd s

三、发酵过程动力学模拟
1.
分批发酵
发酵工业中常见的分批方法是采用单罐深层培
养法，每一个分批发酵过程都经历接种，生长 繁殖，菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产 物。





(2) 比速率
基质比消耗率（ mol/g· h ）系指每克菌体在一小时 内消耗营养物质的比率。表示细胞对营养物质利用 的速率或效率。 菌体比生长率（ mol/g· h ）系指每克菌体在一小时 内增加菌体的比率。表示细胞的繁殖速率。 产物比消耗率（ mol/g· h ）系指每克菌体在一小时 内合成产物的比率，它表示细胞的生产能力或合成 产物的速度，可以作为判断微生物合成代谢产物的 效率。

反复分批补料发酵分为三个阶段：
简单分批操作的生长阶段；
补料分批的生长阶段；
反复补料分批的生长阶段。
前两个阶段的模拟与补料分批发酵完全一
样，第三阶段是补料分批操作的不断重复。

反复分批补料发酵过程生产阶段菌体浓度、生长限制基质浓度s、 产物浓度、产率Rp （＝dp/dt）和发酵液的体积V随时间t的变化 体积曲 曲线
分批式操作将全部物料一次装入罐内，在适宜
条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部 发酵醪液一次放出操作类型。
特点：


可进行少量多品种的发酵生产；
发生杂菌污染能够很容易终止操作；

当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易 改变对策；
对原料组成要求较粗放


分批发酵整个发酵过程的x，n，p，s随发酵 时间t的变化，其动力学模拟如下图



曲线
体积 曲线
S 、 x 、V p、Rp 基质 曲线
产率 曲线
菌体 曲线
t

3.反复分批补料发酵
是在分批补料发酵的基础上，每个一定时间按 比例放出一部分发酵液，是发酵液的体积始终 不超过发酵罐的最大工作体积的发酵方法。
反复分批补料发酵理论上可以无限延长发酵周 期，直到发酵产率明显下降，才最后将发酵液 一次全部放出。这种操作既保留了补料分批发 酵的优点，又避免了它的缺点，发酵工业很普 遍。
s --- 基质曲线 x --- 菌体曲线 p --- 产物曲线 n --- 氮源浓度曲线

2.分批补料发酵（也称流加式操作） 是先投入一定量底物装入罐内，到发酵过程的适当时期， 开始连续补加碳-能源/氮源/其他基质，使发酵过程中，限 制性底物浓度在罐内保持一定；发酵液体积达到最大工作 体积时，终止发酵，醪液一次全部取出的发酵方法，介于 分批发酵与相连续发酵之间的一种发酵技术，在发酵工业 中普遍应用。 适用范围 分批补料发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷 酸、有机酸及高聚物等的生产。

(4) 衰亡期

在衰亡期，细胞的营养物质和能源储备已消 耗殆尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因 而细胞开始死亡。

这时，以生存细胞的数目的对数对时间作半 对数图，可得一直线，这说明微生物细胞的 死亡呈指数比率增加。 在发酵工业生产中．在进入衰亡期之前应及 时将发酵液放罐处理。

2. 微生物生长动力学

具体包括
细胞生长和死亡动力学 基质消耗动力学 氧消耗动力学 CO2生成动力学 产物合成和降解动力学 代谢热生成场动力学
以上各方面不是孤立的，而是既相互依赖又相互制约， 构成错综复杂、丰富多彩的发酵动力学体系

2. 研究发酵动力学的目的

（1）以发酵动力学模型作为依据，合理设计的发 酵过程，确定最佳发酵工艺条件 （2）利用电子计算机，模拟最优化的工艺流程和 发酵工艺参数，确立发酵过程中菌体浓度、基质 浓度、温度、pH、溶氧等工艺参数的控制方案， 从而使生产控制达到最优化，
(1) 恒化器 是一种培养液流速保持不变，微生物始终在低 于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续 培养装置。

通过控制限制基质的浓度，使其始终成为生长 限制因子的条件下达到的，因而称为外控制式 的连续培养装置。 在恒化器中，一方面菌体密度会随时间的增长 而增高，另一方面，限制生长因子的浓度又会 随时间的增长而降低，两者互相作用的结果， 出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜 培养基流速相平衡。

优点：

与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中 维持很低的基质浓度，以便除去快速利用碳源的 阻遏效应；
避免培养基积累有毒代谢物； 能较长时间维持活菌体的浓度，延长生产时间； 改善发酵醪液的流体性质，降低粘度； 减缓供氧的矛盾，增加溶氧；


减轻设备负荷；

分批补料发酵过程生产阶段菌体浓度、生长限制 基质浓度s、产物浓度、产率Rp （＝dp/dt）和发 酵液的体积V随时间t的变化曲线 产物
(1) 延滞期

把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的最初 一段时间里，尽管微生物细胞的重量有所增加，但 细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞期。
(2) 对数生长期

对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间内 其细胞数目将成倍增加。 而对于丝状微生物而言，单位时间内其生物量将 加倍。 此时，如以细胞数目或生物量的对数对时间作一 半对数图，将得一直线，因而这一时期称作指数 生长期。
包括恒化器发酵和恒浊器发酵
优点
连续发酵生产过程比较稳定、均衡，各
项参数也较恒定，品质量稳定。 连续发酵采用管道化和自动化生产，明 显降低劳动强度。 连续发酵减少发酵设备的清洗、投料、 消毒等辅助时间，提高了设备利用率和 劳动生产率。 灭菌次数少，延长检测探头的使用寿命 便于过程优化控制，有效提高发酵效率
或：
S


S
m

m
Ks
这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比 生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两 个参数。
例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：
S(mg/l) 6 μ(h-1) 0.06 33 64 153 221 0.24 0.43 0.66 0.70
求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，和Ks? 解：将数据整理： S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221


（3）在此研究基础上进行优选，为试验工厂数据 的放大、为分批发酵过渡到连续发酵提供理论依 据。
3. 相关术语


（1）得率(或产率，转化率，Y)：
是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。包括生长 得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。 生长得率：是指每消耗 1g( 或 mo1) 基质 ( 一般指碳源 ) 所产生 的菌体重(g) 。 产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或 mol数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数 量，即投入的基数减去残留的基质量。 转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。
缺点 仪器、设备及控制元件技术要求高，投资成本高 发酵周期长，易染菌 菌种易变异，易退化，从而降低产率 丝状菌体易结团，粘壁，不利发酵 基质利用率低


主要应用于研究，工业生产应用不多。目前仅在— 些比较简单的发酵产品中应用，如酵母，单细胞蛋 白，酒精发酵、丙酮乙醇、石油脱蜡、活性污泥废 水处理等

(2) 恒浊器 是根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控 制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、 生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。


在恒浊器中，当培养基的流速低于微生物生长速 度时，菌体密度增高，这时通过光电控制系统的 调节，可促使培养液流速加快，反之亦然，并以 此来达到恒密度的目的。 其工作精度是由光电控制系统的灵敏度决定的。
S


S
m

m
Ks
400
S
300


S
m

m
Ks
/s
200
100
1
ks
0
m 0.9
μmax，＝1.11 (h-1); Ks＝97.6 mg/L
0
m 108.4
100
200
s
（2） 细胞死亡动力学

微生物在培养过程中，由于基质的限制，部分细胞会发生 死亡和自溶，其死亡曲线、方程如下
线v 产物曲 线p S、x、V p、Rp 基质曲 线s 产率曲 线Rp 菌体曲 线x
t
4.
连续发酵
连续发酵是一个开放系统，通过连续流加
新鲜培养基的同时，以相同的速率排出发 酵液；从而维持罐内的恒定的生长环境， 保持微生物细胞稳定的生长状态，发酵参 数变量（如营养物质浓度、产物浓度、 pH 值，以及微生物细胞的浓度、比生长 速率）达到恒定值的发酵方法。
第二节 微生物发酵动力学
一、发酵动力学概论

1. 发酵动力学研究的内容

发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、 基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在 规律。
研究内容：包括了解发酵过程中菌体生长 速率、基质消耗速率和产物生成速率的相 互关系，环境因素对三者的影响，以及影 响其反应速度的条件。




在恒浊器中的微生物，始终能以最高生长速率 进行生长，并可在允许范围内控制不同的菌体 密度。 在恒浊器中，微生物可维持该培养在分批培养 时达到的最大生长速率。 在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生 长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，都 可以利用恒浊器。 恒浊器较难控制，目前大多数研究工作者都利 用恒化器进行连续培养的研究。