微生物发酵培养.ppt

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1、关于微生物发酵培养现在学习的是第1页，共119页第六章第六章 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现在学习的是第2页，共119页第一节第一节 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 speed with with which a chemical reaction

2、 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 The speed of a reaction is the rate at which the speed of a reaction is the rate at which the con

3、centrations 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 reactant

4、sreactants in a chemical reaction.in a chemical reaction.现在学习的是第3页，共119页 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现在学习的是第4页，共119页发酵动力学（发酵动力学（fermentation kinetics):):研究研究发酵过发酵过程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

5、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单位时间单位时间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）的量消耗基质或形成产物（菌体）的量称为称为比速比速，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现在学习的是第5页，共119页 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

6、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现在学习的是第6页，共119页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，的生理特征，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，为以及各种发酵参数之间的关系，为发酵过程的工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艺控制、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的控制创造条件。现在学习的是第7页，共11

7、9页二、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。现在学习的是第8页，共119页（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 现在学习的是第9页，共119页（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

8、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）现在学习的是第10页，共119页当限制性底物浓度非常当限制性底物浓度非常当限制性底物浓度非常当限制性底物浓度非常小时，一级反应小时，一级反应小时，一级反应小时，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，与米氏方程比较与米氏方程比较现在学习的是第11页，共119页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

9、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。现在学习的是第12页，共119页例：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现在学习的是第13页，共119页 max=1.11(h-1);Ks=97.6 mg/L

10、tdln2/max0.64 h现在学习的是第14页，共119页三、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现在学习的是第15页，共119页（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、丙酮酸如乙醇、丙酮酸等初级代谢产物等初级代谢产物的发酵的发酵 现在学习的是第16页，共119页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

11、素多数抗生素发酵发酵现在学习的是第17页，共119页 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 现在学习的是第18页，共119页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 现在学习的是第19页，共119页四、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

12、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，称为基质的产物得，称为基质的产物得，称为基质的产物得率

13、，其定义为：率，其定义为：率，其定义为：率，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。现在学习的是第20页，共119页（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

14、得率：既考虑细胞合成又考虑细胞维持时表观得率：既考虑细胞合成又考虑细胞维持时细胞对底物的得率，细胞对底物的得率，YX/S两者的关系：两者的关系：现在学习的是第21页，共119页（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现在学习的是第22页，共119页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，单位重量的能量，一般

15、来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常消耗所需的基质的量是一个常数。数。五、基质消耗动力学五、基质消耗动力学现在学习的是第23页，共119页 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：现在学习的是第24页，共119页 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

16、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、深层培养：分批培养、流加培养、半连续培养、连续培养连续培养 现在学习的是第25页，共119页分批发酵分批发酵 (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个生长周期的微生物培养方法。现在学习的是第26页，共119页流加培养流加培养 (

17、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。现在学习的是第27页，共11

18、9页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，是指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，剩余部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，再按分批培养的方式分重新补充新的营养成分，再按分批培养的方式进行操作。进行操作。现在学习的是第28页，共119页连续培养连续培养 (continuous fermentation)(continuous fermentation)连续发酵是指以一定的速度向培

19、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。现在学习的是第29页，共119页二、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，除氧气供给、尾气排出、消泡剂的添加和控制的添加和控制pHpH值需加入的酸或碱外，整个培养值需加入的酸或碱外，整个培养系统与外界系统与外界没有其他物质的交换。没有其他物质的交换

20、。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，易实现培养基一次灭菌，一次投料，易实现无菌状态；无菌状态；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。广泛采用广泛采用现在学习的是第30页，共119页除了一次性投料和一次性回收产品的操作外，在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。分批培养还包括的两种情况。1.1

21、.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，接入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，

22、接入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。新鲜培养基后继续培养。新鲜培养基后继续培养。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，但是易变异现在学习的是第31页，共119页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:现在学习的是第32页，共119页分批发酵过程的细胞生长动力学方程分

23、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：现在学习的是第33页，共119页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：现在学习的是第34页，共119页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上述三个方程的适用范围：对数生长期及减速生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长期，对于稳定期和衰退期不适用 现在学习的是第35页，共119页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

24、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 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，

25、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，但菌体毫升时，培养液中还有充分的营养物质，但菌体毫升时，培养液中还有充分的营养物质，但菌体毫升时，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

26、由生长抑的生长几乎停止。这种现象的出现有人认为是由生长抑的生长几乎停止。这种现象的出现有人认为是由生长抑的生长几乎停止。这种现象的出现有人认为是由生长抑制物质所引起，可是也有人认为是由于单个细胞必须占制物质所引起，可是也有人认为是由于单个细胞必须占制物质所引起，可是也有人认为是由于单个细胞必须占制物质所引起，可是也有人认为是由于单个细胞必须占有最小的空间所致。有最小的空间所致。有最小的空间所致。有最小的空间所致。现在学习的是第36页，共119页三、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？1.1.1.1.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.

27、2.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 现在学习的是第37页，共119页例：酵母生产例：酵母生产Crabtree Crabtree 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），在有氧条件下，酵母不产），在有氧条件下，酵母不产），在有氧条件下，酵母不产生乙醇，其生长得率可达生乙醇，其生长得率可达生乙醇，其生长得率可达生乙醇，其生长得率可达50%50%50%5

28、0%vv当糖浓度较高时，酵母菌在生长的同时，产生部当糖浓度较高时，酵母菌在生长的同时，产生部当糖浓度较高时，酵母菌在生长的同时，产生部当糖浓度较高时，酵母菌在生长的同时，产生部分乙醇，酵母得率低于分乙醇，酵母得率低于分乙醇，酵母得率低于分乙醇，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，酵母菌的生时，即是在有足够氧的条件下，酵母菌的生时，即是在有足够氧的条件下，酵母菌的生时，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。长也会受到抑制，且产生大量乙醇，酵母得率很低。长也会受到抑制，且产生大

29、量乙醇，酵母得率很低。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%），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 x/S x/S x/S x/S=0.4=0.4=0.4=0.40.45g/g0.45g/g0.45g/g0.45g/g）现在

30、学习的是第38页，共119页补料分批补料分批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现在学习的是第39页，共119页细胞：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算对流加培养过程进行物料衡算对流加培养过程进行物料衡算对流加培养过程进行物料衡算（忽略细胞死亡）有（忽略细胞死亡）有（忽略细胞死亡）有（忽略细胞死亡）有 ：现在学习的是第40页，共119页最终得到：菌体生长

31、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现在学习的是第41页，共119页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。现在学习的是第42页，共

32、119页（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现在学习的是第43页，共119页（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

33、效率现在学习的是第44页，共119页四、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力与分批培养比较，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，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，培养浓度较很难保证长期的无菌操作，培养浓度较低。低。现在学习的是第45页，共119页活塞流式（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；细胞浓度和营养物细胞浓度和营养物细胞浓度和营养物细胞浓度和营养物组分的浓度沿反应组分的浓度

34、沿反应组分的浓度沿反应组分的浓度沿反应器轴向逐渐变化，器轴向逐渐变化，器轴向逐渐变化，器轴向逐渐变化，但沿径向方向无浓但沿径向方向无浓但沿径向方向无浓但沿径向方向无浓度梯度；度梯度；度梯度；度梯度；反应器各处，各反应器各处，各组分的浓度不随组分的浓度不随时间变化。时间变化。（一）连续培养模型（一）连续培养模型现在学习的是第46页，共119页全混式（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

35、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流出液中的物料组成流出液中的物料组成流出液中的物料组成等于反应器中的物料等于反应器中的物料等于反应器中的物料等于反应器中的物料组成组成组成组成 Q，S0 x0，P0Q，Sx，PV，S,x，P现在学习的是第47页，共119页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)(Chemost

36、at)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质）如以碳源或氮源作为限制基质）如以碳源或氮源作为限制基质）如以碳源或氮源作为限制基质）来控制微生物生长来控制微生物生长来控制微生物生长来控制微生物生长 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

37、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。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。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。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。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 现在学习的是第48页，共119页（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

38、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现在学习的是第49页，共119页把把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，即有一，在达到另一个稳定态时，即有一个确定的底物浓度个确定的底物浓度S S DD1D1D2D2D3D3D4D4D5D5D6D6SS1S1S2S

39、2S3S3S4S4S5S5S6S6斜率斜率KS/max 1/max现在学习的是第50页，共119页细胞浓度：产物浓度：比生产速率：基质浓度：现在学习的是第51页，共119页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

40、因为维持细胞在稀释率很低时，生长得率有所下降是因为维持细胞在稀释率很低时，生长得率有所下降是因为维持细胞在稀释率很低时，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。生命需要一定底物的缘故。生命需要一定底物的缘故。生命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间代谢产物，如醋酸、丙酮酸、乙醇产生较多的中间代谢产物，如醋酸、丙酮酸、乙醇等。中间代谢产物的大量生成，造成了底物的浪费，等。中间代谢产物的大量生成，造成了底物的浪费

41、，因而细胞得率随之降低。因而细胞得率随之降低。现在学习的是第52页，共119页 3 3洗出洗出 S S，x x，P P均为稀释率均为稀释率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接接近于进料液中的底物浓度近于进料液中的底物浓度S0时，细胞浓度将趋时，细胞浓度将趋于零，整个连续培养过程也就完全被破坏了。于零，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

42、器的细胞浓度xO时，即被称为时，即被称为洗出洗出。现在学习的是第53页，共119页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和菌和菌体最大生产率（体最大生产率（DX)mDX)m现在学习的是第54页，共119页现在学习的是第55页，共119页细胞浓度、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现在学习的是第56页，共119页（四）多级连续培养（四）多级连续培养现在学习的是第57页，共

43、119页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非常接近非常接近非常接近非常接近DcDcDcDc时细胞浓度才迅时细胞浓度才迅速下降。速下降。3.3.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

44、耗比较完全较完全现在学习的是第58页，共119页五、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、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、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、污水的生化处理、污水的生化处理、污水的生化处理、污水的生化处理现在学习的是第59页，共119页（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究、微生物生理特性的研究2 2

45、微生物动力学参数的微生物动力学参数的测定测定（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 现在学习的是第60页，共119页（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 现在学习的是第61页，共119页（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

46、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.现在学习的是第84页，共119页问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足。很容易满足。例：以微生物的摄氧率例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计，计，0.25/0.052=4.8秒秒注意：注意：产物形成临界氧浓度和菌体呼吸临界溶氧浓度常常不一样；生产物形成临界氧浓度和菌体呼吸临界溶氧浓度常常不一样；生物合

47、成临界溶氧浓度也不等于最适氧浓度。物合成临界溶氧浓度也不等于最适氧浓度。头孢菌素头孢菌素 卷须霉素卷须霉素生长生长 5%(相对于饱和浓度）相对于饱和浓度）13%产物产物 13%8%现在学习的是第85页，共119页三、影响需氧的因素三、影响需氧的因素q 菌体浓度菌体浓度q QO2 遗传因素遗传因素 菌龄菌龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度 有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件现在学习的是第86页，共119页 反应器中氧的传递一、发酵液中氧的传递方程一、发酵液中氧的传递方程CCiPPi气膜气膜液膜液膜N：传氧速率：传氧速率 kmol/m2.hkg:气膜传质系数气膜传质系数 kmol/m

48、2.h.atmKl:液膜传质系数液膜传质系数 m/h现在学习的是第87页，共119页C*P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度Kl:以氧浓度为推动力的总传递系数以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a(m2/m3)Nv：体积传氧速率：体积传氧速率 kmol/m3.hKla:以以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数为推动力的体积溶氧系数 h-1现在学习的是第88页，共119页二、发酵液中氧的平衡二、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中发酵液中供氧

49、和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：传递：消耗：消耗：氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面现在学习的是第89页，共119页三、供氧的调节三、供氧的调节C C有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过Kla Kla 和和C*C*来调节，来调节，其中其中C*C*P/HP/HNvHPKla现在学习的是第90页，共119页影响供氧因素氧推动力影响供氧因素氧推动力影响供氧因素氧推动力影响供氧因素氧推动力 增加氧分压：通入纯富氧空气，增加溶氧浓度，不经济。增加氧分压：通入纯富氧空气，增加溶氧浓度，不经济。增加氧分压：通入纯富氧空气，增加溶氧浓度，不

50、经济。增加氧分压：通入纯富氧空气，增加溶氧浓度，不经济。提高罐压：增加提高罐压：增加提高罐压：增加提高罐压：增加CO2CO2浓度，对设备要求高浓度，对设备要求高浓度，对设备要求高浓度，对设备要求高 改变通气速率：两倍，有时达改变通气速率：两倍，有时达改变通气速率：两倍，有时达改变通气速率：两倍，有时达5 5 5 510101010倍。倍。倍。倍。降低发酵温度降低发酵温度降低发酵温度降低发酵温度现在学习的是第91页，共119页调节调节Kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。一般来讲大罐比小罐要好。45升升 1吨吨 10吨吨搅