微生物发酵培养PPT课件.ppt

关于微生物发酵培养第一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月第六章第六章 微生物发酵培养微生物发酵培养第一节第一节 发酵动力学发酵动力学第二节第二节 发酵培养方法的分类发酵培养方法的分类第三节第三节 影响发酵过程的主要因素影响发酵过程的主要因素第四节第四节 杂菌的污染与防治杂菌的污染与防治第二张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月第一节第一节 微生物发酵动力学微生物发酵动力学化学动力学化学动力学：Chemical kineticsChemical kinetics is the study of is the study of the speedthe speed with with which a chemical reaction occurs and which a chemical reaction occurs and the factorsthe factors that affect this speed.that affect this speed.What is meant by the What is meant by the speedspeed of a reaction?of a reaction?The speed The speed of a reaction is the rate at which the of a reaction is the rate at which the concentrations of reactants and products changeconcentrations of reactants and products change.kinetics kinetics：The branch of chemistry that is The branch of chemistry that is concerned concerned with the rates of change in the concentration of with the rates of change in the concentration of reactantsreactants in a chemical reaction.in a chemical reaction.第三张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月 XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）发酵过程反应的描述发酵过程反应的描述发酵过程的反应描述及速度概念发酵过程的反应描述及速度概念第四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月发酵动力学（发酵动力学（fermentation kinetics):):研究研究发酵过程发酵过程的反应速率和环境因素对速率的影响。的反应速率和环境因素对速率的影响。菌体生成速率菌体生长动力学菌体生成速率菌体生长动力学菌体生成速率菌体生长动力学菌体生成速率菌体生长动力学产物生成速率产物生成动力学产物生成速率产物生成动力学产物生成速率产物生成动力学产物生成速率产物生成动力学基质消耗速率基质消耗动力学基质消耗速率基质消耗动力学基质消耗速率基质消耗动力学基质消耗速率基质消耗动力学三者之间的关系三者之间的关系三者之间的关系三者之间的关系单位时间单位时间单位时间单位时间内内内内单位菌体单位菌体单位菌体单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称消耗基质或形成产物（菌体）的量称消耗基质或形成产物（菌体）的量称消耗基质或形成产物（菌体）的量称为为为为比速比速比速比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念第五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月 发酵反应动力学的研究内容发酵反应动力学的研究内容研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应器特性+反应器的操作模型操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程第六张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月发酵动力学研究的目的发酵动力学研究的目的通过发酵动力学的研究，可进一步了解微生物的生通过发酵动力学的研究，可进一步了解微生物的生理特征，菌体生长和产物形成的合适条件，以及各理特征，菌体生长和产物形成的合适条件，以及各种发酵参数之间的关系，为种发酵参数之间的关系，为发酵过程的工艺控制、发酵过程的工艺控制、发酵罐的设计放大和用计算机对发酵过程的控制发酵罐的设计放大和用计算机对发酵过程的控制创造条件创造条件。第七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月二、微生物生长动力学二、微生物生长动力学 微生物细胞的生长速率和环境条件对生长速率的影响。第八张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（一）（一）生长速率生长速率 菌体浓度的增加速率菌体浓度的增加速率 比生长速率比生长速率：单位菌体的生长速率：单位菌体的生长速率 h h-1-1比生长速率比生长速率与许多因素有关，当温度、与许多因素有关，当温度、pHpH、基质浓度、基质浓度等条件改变时，等条件改变时，随之改变随之改变 第九张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（二）比生长速率与基质浓度的关系（二）比生长速率与基质浓度的关系1 1MonodMonod方程方程方程方程 只考虑一种基质限制只考虑一种基质限制只考虑一种基质限制只考虑一种基质限制f(s,I,P,T,pH,)f(s)式中：max 最大比生长速率（1/h）Ks 底物饱和常数（g/L）第十张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月当限制性底物浓度非常小当限制性底物浓度非常小当限制性底物浓度非常小当限制性底物浓度非常小时，一级反应时，一级反应时，一级反应时，一级反应 ；当限制性底物浓度很大当限制性底物浓度很大当限制性底物浓度很大当限制性底物浓度很大时，零级反应时，零级反应时，零级反应时，零级反应 ；存在高底物浓度抑制时，存在高底物浓度抑制时，存在高底物浓度抑制时，存在高底物浓度抑制时，与米氏方程比较与米氏方程比较第十一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月MonodMonod方程的参数求解方程的参数求解(双倒数法双倒数法)：将将MonodMonod方程取倒数可得：方程取倒数可得：或：测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速率，通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。第十二张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月例：例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)6 33 64 153 221(h-1)0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的求在该培养条件下，求大肠杆菌的maxmax，KsKs和和t td d?解：将数据整理：S/100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221第十三张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月 max=1.11(h-1);Ks=97.6 mg/Ltdln2/max0.64 h第十四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月三、产物形成动力学三、产物形成动力学产物生成速率产物生成速率产物生成速率产物生成速率比生产速率比生产速率比生产速率比生产速率第十五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（一）产物形成与菌体生长的关系（一）产物形成与菌体生长的关系1.1.1.1.生长联系型生长联系型生长联系型生长联系型 产物的形成和菌体的生长相偶联产物的形成和菌体的生长相偶联xp如乙醇、丙酮酸等如乙醇、丙酮酸等初级代谢产物的发初级代谢产物的发酵酵 第十六张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月2.2.非生长联系型非生长联系型 产物的形成和菌体的生长非偶联产物的形成和菌体的生长非偶联xp多数抗生素多数抗生素发酵发酵第十七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月 3.3.复合型（部分生长联系型）复合型（部分生长联系型）产物的形成和菌体的生长部分偶联产物的形成和菌体的生长部分偶联xp柠檬酸柠檬酸 第十八张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月产物形成动力学模型举例产物形成动力学模型举例 1.1.青霉素发酵青霉素发酵 2.2.谷氨酸发酵谷氨酸发酵3.3.酒精发酵酒精发酵 第十九张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月四、生长得率和产物得率四、生长得率和产物得率1.1.生长得率：消耗单位数量基质所得到的菌体的量生长得率：消耗单位数量基质所得到的菌体的量生长得率：消耗单位数量基质所得到的菌体的量生长得率：消耗单位数量基质所得到的菌体的量，称为基质的生长得率，称为基质的生长得率，称为基质的生长得率，称为基质的生长得率。即：。即：Y Yx/s x/s x/s x/s 基质生长得率（基质生长得率（基质生长得率（基质生长得率（g g g g菌体菌体菌体菌体/g/g/g/g基质）或（基质）或（基质）或（基质）或（g g g g菌体菌体菌体菌体/mol/mol/mol/mol基质）基质）基质）基质）2.2.产物得率：消耗单位数量基质所得到的产物量产物得率：消耗单位数量基质所得到的产物量产物得率：消耗单位数量基质所得到的产物量产物得率：消耗单位数量基质所得到的产物量，称为基质的产物得率，称为基质的产物得率，称为基质的产物得率，称为基质的产物得率，其定义为：其定义为：其定义为：其定义为：Y Y Y Yp/sp/sp/sp/s 基质产物得率（基质产物得率（基质产物得率（基质产物得率（g g g g产物产物产物产物/g/g/g/g基质）或（基质）或（基质）或（基质）或（molmolmolmol产物产物产物产物/mol/mol/mol/mol基质）基质）基质）基质）转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。第二十张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（二）理论得率和表观得率（二）理论得率和表观得率理论得率：只考虑细胞合成时细胞对底物的得理论得率：只考虑细胞合成时细胞对底物的得率，率，YG表观得率：既考虑细胞合成又考虑细胞维持时细表观得率：既考虑细胞合成又考虑细胞维持时细胞对底物的得率，胞对底物的得率，YX/S两者的关系：两者的关系：第二十一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（三）其他生长得率的表示方法（三）其他生长得率的表示方法氧生长得率氧生长得率有效电子生长得率有效电子生长得率ATPATP生长得率生长得率能量生长得率能量生长得率第二十二张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月SS1 菌体菌体S2 产物产物S3 维持维持 XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）+维持维持维持消耗维持消耗(m)(m)：指维持细胞最低活性所需消耗的指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。需的基质的量是一个常数。五、基质消耗动力学五、基质消耗动力学第二十三张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月 XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）+维持维持m:维持消耗系数维持消耗系数Y YP/sP/s:产物对基质的理论得率系数产物对基质的理论得率系数YG:细胞对基质的理论得率系数，细胞对基质的理论得率系数，Y*x/s物料衡算：物料衡算：第二十四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月 第二节 发酵培养方法一、概述一、概述 物料状态：固态发酵和液态发酵物料状态：固态发酵和液态发酵物料状态：固态发酵和液态发酵物料状态：固态发酵和液态发酵 深层培养：分批培养、流加培养、半连续培养、连续深层培养：分批培养、流加培养、半连续培养、连续深层培养：分批培养、流加培养、半连续培养、连续深层培养：分批培养、流加培养、半连续培养、连续培养培养培养培养 第二十五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月分批发酵分批发酵 (batch fermentation)(batch fermentation)是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，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生物培养方法。第二十六张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月流加培养流加培养 (feed batch fermentation(feed batch fermentation）流加培养又称为补料分批培养，是指先将一定量流加培养又称为补料分批培养，是指先将一定量的培养液装入反应器，在适宜的条件下接种细胞，的培养液装入反应器，在适宜的条件下接种细胞，进行培养，细胞不断生长，产物也不断形成。随进行培养，细胞不断生长，产物也不断形成。随着细胞对营养物质的不断消耗，向反应器中不断着细胞对营养物质的不断消耗，向反应器中不断补充新的营养成分，使细胞进一步生长代谢，到补充新的营养成分，使细胞进一步生长代谢，到反应终止时取出整个反应系。反应终止时取出整个反应系。第二十七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月半连续培养半连续培养 (semi-continuous fermentation)(semi-continuous fermentation)半连续培养又称为反复分批培养或换液培养，是半连续培养又称为反复分批培养或换液培养，是指在分批培养的基础上不全部取出反应系，剩指在分批培养的基础上不全部取出反应系，剩余部分重新补充新的营养成分，再按分批培养余部分重新补充新的营养成分，再按分批培养的方式进行操作。的方式进行操作。第二十八张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月连续培养连续培养 (continuous fermentation)(continuous fermentation)连续发酵是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜连续发酵是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而的培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的量维持恒定，使微生物细使培养系统内培养液的量维持恒定，使微生物细胞能在近似恒定状态下生长的微生物发酵培养方胞能在近似恒定状态下生长的微生物发酵培养方式。式。第二十九张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月二、分批培养二、分批培养密闭系统密闭系统 ，除氧气供给、尾气排出、消泡剂的添，除氧气供给、尾气排出、消泡剂的添加和控制加和控制pHpH值需加入的酸或碱外，整个培养系统值需加入的酸或碱外，整个培养系统与外界与外界没有其他物质的交换。没有其他物质的交换。非稳态的培养方法非稳态的培养方法 ：微生物生长的环境条件也：微生物生长的环境条件也随之不断变化随之不断变化 优点优点：1.1.培养基一次灭菌，一次投料，易实现无培养基一次灭菌，一次投料，易实现无菌状态；菌状态；2.2.易于操作控制，产品质量稳定；易于操作控制，产品质量稳定；3.3.培养浓度较高，易于产品分离；培养浓度较高，易于产品分离；缺点缺点：辅助时间较多，辅助时间较多，设备生产能力低。设备生产能力低。广泛采用广泛采用第三十张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月除了一次性投料和一次性回收产品的操作外，在分除了一次性投料和一次性回收产品的操作外，在分批培养还包括的两种情况。批培养还包括的两种情况。1.1.1.1.营养成份连续供应营养成份连续供应营养成份连续供应营养成份连续供应氧氧氧氧氮源：控制菌体生长，调节氮源：控制菌体生长，调节氮源：控制菌体生长，调节氮源：控制菌体生长，调节pHpHpHpH磷源：控制菌体生长，调节磷源：控制菌体生长，调节磷源：控制菌体生长，调节磷源：控制菌体生长，调节pHpHpHpH，不形成沉淀，不形成沉淀，不形成沉淀，不形成沉淀2 2 2 2.重复批式操作重复批式操作重复批式操作重复批式操作只分出一部分成熟醪，在原反应器中，留一部分成熟醪作为种子，只分出一部分成熟醪，在原反应器中，留一部分成熟醪作为种子，只分出一部分成熟醪，在原反应器中，留一部分成熟醪作为种子，只分出一部分成熟醪，在原反应器中，留一部分成熟醪作为种子，接入新鲜培养基后继续培养。接入新鲜培养基后继续培养。接入新鲜培养基后继续培养。接入新鲜培养基后继续培养。酒精厂的酒母车间酒精厂的酒母车间酒精厂的酒母车间酒精厂的酒母车间 ，省去了前几级种子培养，省去了前几级种子培养，省去了前几级种子培养，省去了前几级种子培养 ，但是易变异，但是易变异，但是易变异，但是易变异第三十一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月分批发酵中微生物的生长情况分批发酵中微生物的生长情况时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期延迟期：指数生长期:减速期:静止期：;衰亡期:第三十二张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月分批发酵过程的细胞生长动力学方程分批发酵过程的细胞生长动力学方程细胞恒算：细胞恒算：若服从若服从monodmonod方程：方程：忽略死亡：忽略死亡：第三十三张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月底物消耗动力学方程底物消耗动力学方程 底物的消耗速率：底物的消耗速率：第三十四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月产物生成动力学方程产物生成动力学方程产物生成速率产物生成速率 ：生长偶联型生长偶联型生长偶联型生长偶联型上述三个方程的适用范围：对数生长期及减速上述三个方程的适用范围：对数生长期及减速生长期，对于稳定期和衰退期不适用生长期，对于稳定期和衰退期不适用 第三十五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月稳定期和衰退期的出现的原因稳定期和衰退期的出现的原因 营养物的不足营养物的不足营养物的不足营养物的不足 碳源和其他营养成分碳源和其他营养成分碳源和其他营养成分碳源和其他营养成分氧的供应不足氧的供应不足氧的供应不足氧的供应不足 细胞浓度的增加，需氧速率越来越大，细胞浓度的增加，需氧速率越来越大，细胞浓度的增加，需氧速率越来越大，细胞浓度的增加，需氧速率越来越大，菌体浓度的增加，导致粘度增大，溶氧困难，容易造成供氧不菌体浓度的增加，导致粘度增大，溶氧困难，容易造成供氧不菌体浓度的增加，导致粘度增大，溶氧困难，容易造成供氧不菌体浓度的增加，导致粘度增大，溶氧困难，容易造成供氧不足。足。足。足。抑制物质的积累抑制物质的积累抑制物质的积累抑制物质的积累 各种代谢产物的浓度逐渐增高，抑制作用。各种代谢产物的浓度逐渐增高，抑制作用。各种代谢产物的浓度逐渐增高，抑制作用。各种代谢产物的浓度逐渐增高，抑制作用。生物的空间不足生物的空间不足生物的空间不足生物的空间不足 据经验，在培养细菌及酵母等时，当细胞浓度达到据经验，在培养细菌及酵母等时，当细胞浓度达到据经验，在培养细菌及酵母等时，当细胞浓度达到据经验，在培养细菌及酵母等时，当细胞浓度达到101010109 9 9 91010101010101010个个个个/毫升时，培养液中还有充分的营养物质，但菌体的毫升时，培养液中还有充分的营养物质，但菌体的毫升时，培养液中还有充分的营养物质，但菌体的毫升时，培养液中还有充分的营养物质，但菌体的生长几乎停止。这种现象的出现有人认为是由生长抑制物质生长几乎停止。这种现象的出现有人认为是由生长抑制物质生长几乎停止。这种现象的出现有人认为是由生长抑制物质生长几乎停止。这种现象的出现有人认为是由生长抑制物质所引起，可是也有人认为是由于单个细胞必须占有最小的空所引起，可是也有人认为是由于单个细胞必须占有最小的空所引起，可是也有人认为是由于单个细胞必须占有最小的空所引起，可是也有人认为是由于单个细胞必须占有最小的空间所致。间所致。间所致。间所致。第三十六张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月三、补料分批培养三、补料分批培养（一）为什么采用流加培养？（一）为什么采用流加培养？1.1.存在底物抑制存在底物抑制存在底物抑制存在底物抑制2.2.2.2.分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏 3.3.营养缺陷型菌株的培养营养缺陷型菌株的培养营养缺陷型菌株的培养营养缺陷型菌株的培养4.4.4.4.前体的补充前体的补充前体的补充前体的补充 第三十七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月例：酵母生产例：酵母生产 Crabtree Crabtree Crabtree Crabtree 效应效应效应效应vv糖浓度很低时（糖浓度很低时（糖浓度很低时（糖浓度很低时（0.028%0.028%0.028%0.028%），在有氧条件下，酵母不产生），在有氧条件下，酵母不产生），在有氧条件下，酵母不产生），在有氧条件下，酵母不产生乙醇，其生长得率可达乙醇，其生长得率可达乙醇，其生长得率可达乙醇，其生长得率可达50%50%50%50%vv当糖浓度较高时，酵母菌在生长的同时，产生部分乙醇，当糖浓度较高时，酵母菌在生长的同时，产生部分乙醇，当糖浓度较高时，酵母菌在生长的同时，产生部分乙醇，当糖浓度较高时，酵母菌在生长的同时，产生部分乙醇，酵母得率低于酵母得率低于酵母得率低于酵母得率低于50%50%50%50%vv糖浓度达糖浓度达糖浓度达糖浓度达5%5%5%5%时，即是在有足够氧的条件下，酵母菌的时，即是在有足够氧的条件下，酵母菌的时，即是在有足够氧的条件下，酵母菌的时，即是在有足够氧的条件下，酵母菌的生长也会受到抑制，且产生大量乙醇，酵母得率很低。生长也会受到抑制，且产生大量乙醇，酵母得率很低。生长也会受到抑制，且产生大量乙醇，酵母得率很低。生长也会受到抑制，且产生大量乙醇，酵母得率很低。解决办法：流加，糖浓度保持低水平（一般为解决办法：流加，糖浓度保持低水平（一般为解决办法：流加，糖浓度保持低水平（一般为解决办法：流加，糖浓度保持低水平（一般为0.10.10.10.10.5%0.5%0.5%0.5%），流加速率等于酵母的耗糖速率。生），流加速率等于酵母的耗糖速率。生），流加速率等于酵母的耗糖速率。生），流加速率等于酵母的耗糖速率。生长快速，得率高（长快速，得率高（长快速，得率高（长快速，得率高（Y Y Y Y x/S x/S x/S x/S=0.4=0.4=0.4=0.40.45g/g0.45g/g0.45g/g0.45g/g）第三十八张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月补料分批补料分批间歇流加间歇流加间歇流加间歇流加 连续流加连续流加连续流加连续流加 恒速流加恒速流加恒速流加恒速流加 指数流加指数流加指数流加指数流加反复补料分批反复补料分批（二）不同的补料分批培养方式（二）不同的补料分批培养方式第三十九张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月细胞：细胞：细胞：细胞：底物：底物：底物：底物：产物：产物：产物：产物：（三）恒速流加（三）恒速流加对流加培养过程进行物料衡对流加培养过程进行物料衡对流加培养过程进行物料衡对流加培养过程进行物料衡算（忽略细胞死亡）有算（忽略细胞死亡）有算（忽略细胞死亡）有算（忽略细胞死亡）有 ：第四十张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月最终得到：菌体生长速率：底物消耗速率：产物生成速率：式中：V 反应器中培养液体积（L）SF 流加培养液中底物的浓度（g/L）F 流加速率（L/h），F=dv/dt第四十一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月拟稳态拟稳态拟稳态拟稳态的出现的出现的出现的出现 限制性基质浓度趋于限制性基质浓度趋于限制性基质浓度趋于限制性基质浓度趋于0,0,0,0,变化变化变化变化很小很小很小很小 细胞浓度接近于定值细胞浓度接近于定值细胞浓度接近于定值细胞浓度接近于定值 细胞比生长速率近似于稀细胞比生长速率近似于稀细胞比生长速率近似于稀细胞比生长速率近似于稀释速率，释速率，释速率，释速率，逐渐减小逐渐减小逐渐减小逐渐减小。第四十二张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（四）指数流加（四）指数流加恒定的比生长速率恒定的比生长速率限制性基质浓度恒定限制性基质浓度恒定第四十三张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（五）反复补料分批培养（五）反复补料分批培养补充养分和前体，稀释有害代谢物，延续产物合成补充养分和前体，稀释有害代谢物，延续产物合成补充养分和前体，稀释有害代谢物，延续产物合成补充养分和前体，稀释有害代谢物，延续产物合成培养液不断排放，放出的培养液的体积可大于反应器的培养液不断排放，放出的培养液的体积可大于反应器的培养液不断排放，放出的培养液的体积可大于反应器的培养液不断排放，放出的培养液的体积可大于反应器的体积，提高反应器的利用效率和生产效率体积，提高反应器的利用效率和生产效率体积，提高反应器的利用效率和生产效率体积，提高反应器的利用效率和生产效率第四十四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月四、连续培养四、连续培养优点优点:与分批培养比较，连续培养设备生产能与分批培养比较，连续培养设备生产能力高，易于实现自动控制和劳动生产率高，力高，易于实现自动控制和劳动生产率高，缺点缺点:很难保证长期的无菌操作，培养浓度较低。很难保证长期的无菌操作，培养浓度较低。第四十五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月活塞流式（活塞流式（PFRPFR）物料遵循严格的先物料遵循严格的先物料遵循严格的先物料遵循严格的先进先出，像活塞一进先出，像活塞一进先出，像活塞一进先出，像活塞一样；样；样；样；细胞浓度和营养细胞浓度和营养细胞浓度和营养细胞浓度和营养物组分的浓度沿物组分的浓度沿物组分的浓度沿物组分的浓度沿反应器轴向逐渐反应器轴向逐渐反应器轴向逐渐反应器轴向逐渐变化，但沿径向变化，但沿径向变化，但沿径向变化，但沿径向方向无浓度梯度；方向无浓度梯度；方向无浓度梯度；方向无浓度梯度；反应器各处，各组分反应器各处，各组分反应器各处，各组分反应器各处，各组分的浓度不随时间变的浓度不随时间变的浓度不随时间变的浓度不随时间变化。化。化。化。（一）连续培养模型（一）连续培养模型第四十六张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月全混式（全混式（COSTCOST）进料液和出料液流量进料液和出料液流量进料液和出料液流量进料液和出料液流量相等，容器中液体的相等，容器中液体的相等，容器中液体的相等，容器中液体的体积体积体积体积V V V V恒定；恒定；恒定；恒定；反应器中底物、产物反应器中底物、产物反应器中底物、产物反应器中底物、产物和细胞的浓度均匀一和细胞的浓度均匀一和细胞的浓度均匀一和细胞的浓度均匀一致，即反应器中无浓致，即反应器中无浓致，即反应器中无浓致，即反应器中无浓度梯度；度梯度；度梯度；度梯度；流出液中的物料组成等流出液中的物料组成等流出液中的物料组成等流出液中的物料组成等于反应器中的物料组成于反应器中的物料组成于反应器中的物料组成于反应器中的物料组成 Q，S0 x0，P0Q，Sx，PV，S,x，P第四十七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月全混式反应器分类全混式反应器分类恒化器恒化器恒化器恒化器(Chemostat)(Chemostat)(Chemostat)(Chemostat)稳定态时，化学环境恒定稳定态时，化学环境恒定稳定态时，化学环境恒定稳定态时，化学环境恒定 通过限制某些化学物质的量（通过限制某些化学物质的量（通过限制某些化学物质的量（通过限制某些化学物质的量（如以碳源或氮源作为限制基如以碳源或氮源作为限制基如以碳源或氮源作为限制基如以碳源或氮源作为限制基质）来控制微生物生长质）来控制微生物生长质）来控制微生物生长质）来控制微生物生长 恒浊器恒浊器恒浊器恒浊器(Turbidostat)(Turbidostat)(Turbidostat)(Turbidostat)稳定态时，细胞浓度恒定稳定态时，细胞浓度恒定稳定态时，细胞浓度恒定稳定态时，细胞浓度恒定 供给的营养组份都必须是过剩的，这样才能保持稳定的生长供给的营养组份都必须是过剩的，这样才能保持稳定的生长供给的营养组份都必须是过剩的，这样才能保持稳定的生长供给的营养组份都必须是过剩的，这样才能保持稳定的生长速率。速率。速率。速率。恒化器应用广泛，而恒浊器的应用较少见恒化器应用广泛，而恒浊器的应用较少见恒化器应用广泛，而恒浊器的应用较少见恒化器应用广泛，而恒浊器的应用较少见 第四十八张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（二）单级连续培养（二）单级连续培养细胞的物料衡算：细胞的物料衡算：细胞的物料衡算：细胞的物料衡算：积累积累 输入输入 输出输出 生长生长 死亡死亡稳态下，反应器中的细胞浓度稳态下，反应器中的细胞浓度x x不变，不变，即即进料液细胞浓度为零，且忽略细胞死亡，即进料液细胞浓度为零，且忽略细胞死亡，即x x0 0=0=0，K Kd d=0,=0,定义稀释速率：定义稀释速率：最后得：最后得：D D=连续培养达到稳态的条件连续培养达到稳态的条件Q，S0 x0，P0Q，Sx，PV，S,x，P第四十九张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月把把MonodMonod方程式代入上式得：方程式代入上式得：作图法求得作图法求得max max 和和Ks Ks 值值 在连续培养条件下，改变稀释率在连续培养条件下，改变稀释率D D，在达到另一个稳定态时，即有，在达到另一个稳定态时，即有一个确定的底物浓度一个确定的底物浓度S S D DD1D1D2D2D3D3D4D4D5D5D6D6S SS1S1S2S2S3S3S4S4S5S5S6S6斜率斜率KS/max 1/max第五十张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月细胞浓度：产物浓度：比生产速率：基质浓度：第五十一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月2稀释率对生长得率的影响一定稀释率范围内一定稀释率范围内一定稀释率范围内一定稀释率范围内Y x/sY x/sY x/sY x/s为一常数为一常数为一常数为一常数。而而而而在稀释率很低或接近最大比生长速率时，在稀释率很低或接近最大比生长速率时，在稀释率很低或接近最大比生长速率时，在稀释率很低或接近最大比生长速率时，Yx/SYx/SYx/SYx/S值有值有值有值有所下降。所下降。所下降。所下降。在稀释率很低时，生长得率有所下降是因为维持细胞生命在稀释率很低时，生长得率有所下降是因为维持细胞生命在稀释率很低时，生长得率有所下降是因为维持细胞生命在稀释率很低时，生长得率有所下降是因为维持细胞生命需要一定底物的缘故。需要一定底物的缘故。需要一定底物的缘故。需要一定底物的缘故。在稀释率很高而接近最大比生长速率时，发酵培养液中的在稀释率很高而接近最大比生长速率时，发酵培养液中的在稀释率很高而接近最大比生长速率时，发酵培养液中的在稀释率很高而接近最大比生长速率时，发酵培养液中的底物浓度很高。在这种情况下，微生物通常产生较多的中底物浓度很高。在这种情况下，微生物通常产生较多的中底物浓度很高。在这种情况下，微生物通常产生较多的中底物浓度很高。在这种情况下，微生物通常产生较多的中间代谢产物，如醋酸、丙酮酸、乙醇等。中间代谢产物的间代谢产物，如醋酸、丙酮酸、乙醇等。中间代谢产物的间代谢产物，如醋酸、丙酮酸、乙醇等。中间代谢产物的间代谢产物，如醋酸、丙酮酸、乙醇等。中间代谢产物的大量生成，造成了底物的浪费，因而细胞得率随之降低。大量生成，造成了底物的浪费，因而细胞得率随之降低。大量生成，造成了底物的浪费，因而细胞得率随之降低。大量生成，造成了底物的浪费，因而细胞得率随之降低。第五十二张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月 3 3洗出洗出 S S，x x，P P均为稀释率均为稀释率均为稀释率均为稀释率D D的函数。调节的有限性的函数。调节的有限性的函数。调节的有限性的函数。调节的有限性当逐渐提高稀释率，使反应器中底物浓度当逐渐提高稀释率，使反应器中底物浓度S接近接近于进料液中的底物浓度于进料液中的底物浓度S0时，细胞浓度将趋于时，细胞浓度将趋于零，整个连续培养过程也就完全被破坏了。零，整个连续培养过程也就完全被破坏了。连续过程的最大稀释率连续过程的最大稀释率 临界稀释率临界稀释率当当KsS0，Dc=max当稀释率当稀释率DDC，而使反应器的细胞浓度，而使反应器的细胞浓度xO时，即被称为时，即被称为洗出洗出。第五十三张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月4最适稀释率最适稀释率(Dm)细胞或产物的生产能力达最大时的稀释率细胞或产物的生产能力达最大时的稀释率 最适稀释率下的底物浓度最适稀释率下的底物浓度Sm，细胞浓度，细胞浓度Xm和菌体最和菌体最大生产率（大生产率（DX)mDX)m第五十四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月第五十五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月细胞浓度、底物浓度及生产能力与稀释率的关系细胞浓度、底物浓度及生产能力与稀释率的关系浓度或生长能力Dx或DPS xS0稀释率DDmDc第五十六张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（四）多级连续培养（四）多级连续培养第五十七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月1.1.在很大的在很大的在很大的在很大的D D D D范围内，范围内，范围内，范围内，第二级反应器中的第二级反应器中的第二级反应器中的第二级反应器中的细胞生长十分有限细胞生长十分有限细胞生长十分有限细胞生长十分有限2.2.第二级和第一级在第二级和第一级在第二级和第一级在第二级和第一级在同样的同样的同样的同样的DcDcDcDc下被洗光，下被洗光，下被洗光，下被洗光，但在第二级反应器但在第二级反应器但在第二级反应器但在第二级反应器中，只在中，只在中，只在中，只在D D D D非常接非常接非常接非常接近近近近DcDcDcDc时细胞浓度才时细胞浓度才时细胞浓度才时细胞浓度才迅速下降。迅速下降。迅速下降。迅速下降。3.3.限制性基质在第二限制性基质在第二限制性基质在第二限制性基质在第二级反应器中消耗比级反应器中消耗比级反应器中消耗比级反应器中消耗比较完全较完全较完全较完全第五十八张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月五、连续培养的应用五、连续培养的应用（一）连续培养在工业化生产中的应用（一）连续培养在工业化生产中的应用 1 1 1 1、酵母、细菌等单细胞蛋白产品、酵母、细菌等单细胞蛋白产品、酵母、细菌等单细胞蛋白产品、酵母、细菌等单细胞蛋白产品2 2 2 2、酒精、啤酒、醋酸等一次代谢产物、酒精、啤酒、醋酸等一次代谢产物、酒精、啤酒、醋酸等一次代谢产物、酒精、啤酒、醋酸等一次代谢产物3 3 3 3、污水的生化处理、污水的生化处理、污水的生化处理、污水的生化处理第五十九张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（二）连续培养在微生物生理特性和动（二）连续培养在微生物生理特性和动力学研究中的应用力学研究中的应用1 1、微生物生理特性的研、微生物生理特性的研究究2 2微生物动力学参数的测微生物动力学参数的测定定（1 1 1 1）maxmaxmaxmax与与与与K K K KS S S S的测定的测定的测定的测定 第六十张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（2 2）YGYG与与m m的测定的测定改变稀释率改变稀释率D D，在达另，在达另一稳态时，再测定其一稳态时，再测定其值值Yx/SYx/S 第六十一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（三）连续培养在菌种分离与改良中的应用（三）连续培养在菌种分离与改良中的应用连连续续培培养养中中，最最终终在在此此培培养养体体系系中中生生存存下下来来的的微微生生物物都都是是此此时时刻刻对对该该种种底底物物表表现现出出最最大大生生长长的的微微生生物物（或或一一个个微生物生态）。微生物生态）。当只有当只有B时时,建立稳态：建立稳态：B=D,对应对应S0如果引入微生物如果引入微生物A：=A(S0)A DXA增加增加s下降；下降；A，B下降下降B1.第八十四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月问题：问题：一般微生物