发酵动力学课件.ppt

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1、发酵动力学什么是发酵动力学？什么是发酵动力学？发酵动力学：发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系动态定量关系，定量描述定量描述微生物微生物 生长生长 和和 产物形成产物形成 过程过程。主要研究主要研究：1、发酵动力学、发酵动力学参数特征参数特征：微生物生长：微生物生长速率速率、发酵产物合成、发酵产物合成速率速率、底物消耗、底物消耗速率速率及其及其转化率、效率转化率、效率等；等；2、影响发酵动力学参数的、影响发酵动力学参数的各种理化因子各种理化因子；3、发酵动力学的、发酵动力学的数学模型数学模型。认识发酵过程的规律认识发酵过程的规律优

2、优化化发发酵酵工工艺艺条条件件，确确定定最最优优发发酵酵过过程程参参数数，如如：基基质质浓浓度度、温温度度、pH、溶氧，等等溶氧，等等提高发酵产量、效率和转化率等提高发酵产量、效率和转化率等研究发酵动力学的目的研究发酵动力学的目的生化反应：生化反应：aA+bB cC+dD反应动态平衡 改变条件 破坏平衡如何能最快最多的获得目的产物温度酸碱度浓度催化剂催化剂如何确定高产高效的最佳条件？采用反应动力学方法采用反应动力学方法进行定量研究进行定量研究动力学主要探讨反应动力学主要探讨反应速率速率问题：问题：o课程重点：主要针对微生物发酵的表观动力学，通课程重点：主要针对微生物发酵的表观动力学，通过研究微

3、生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反响体系的宏观变化速率，主要包括：体酶促反响体系的宏观变化速率，主要包括：o细胞生长动力学细胞生长动力学o底物消耗动力学底物消耗动力学o产物合成动力学产物合成动力学o o 重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响成的动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。因素。o 但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，到达认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目到达认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的

4、目的。的。发酵动力学研究的根本过程发酵动力学研究的根本过程 l首先研究微生物生长和产物合成的限制因子；首先研究微生物生长和产物合成的限制因子；l建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；l确定模型参数确定模型参数；l实验验证模型实验验证模型的可行性与适用范围；的可行性与适用范围；l根据模型实施最优控制根据模型实施最优控制。本章主要内容本章主要内容一、一、分批发酵动力学分批发酵动力学二、二、连续发酵动力学连续发酵动力学三、三、补料分批发酵动力学补料分批发酵动力学o一、分批发酵动力学o1.1什么是分批发酵？o1.2分批发酵过程o1.3分批发酵动力学o1.4分批发酵

5、优缺点1.1什么是分批发酵？o分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵完毕，属典型的非稳态过程。o分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期静止期和衰亡期五个时期。典型的分批发酵工艺流程图1.2分批发酵过程 t1 t2 t3 t4 t5 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线 菌体浓度X时间 t1.3分批发酵动力学-细胞生长动力学o微生物细胞倍增时间与群体生长动力学n细菌：典型倍增时间1h。n酵母：典型倍增时间2h。n放线菌和丝状真菌：典型倍增时间48h。微生物细胞群体生长动力学是反映整个群体的生长特征，而不是单个微生物生长倍增的特征。因此，菌龄是指一个群体的

6、表观状态。关于关于菌龄菌龄的描述的描述 1.3分批发酵动力学分批发酵动力学1.3.1细胞生长动力学细胞生长动力学1.3.2基质消耗动力学基质消耗动力学1.3.3产物形成动力学产物形成动力学 微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细胞数量在单位时间内的增加量来表示、n：或或X细胞浓度（g/L）；N细胞个数；t生长时间；X0、Xt初始微生物浓度和t时细胞浓度；N0、Nt初始细胞个数和t时细胞个数；以细胞浓度表示的比生长速率；以细胞数量表示的比生长速率。1.3.1细胞生长动力学llag:x不变不变,即即lexp:(假定无抑制作用存在假定无抑制作用存在)细胞生长动力学lDeclineDecline（开始出

7、开始出现现一种底物不足的限制）一种底物不足的限制）:若不存在抑制物若不存在抑制物时时 Monod Monod 模型模型:细胞生长动力学式中式中:S限制性基质浓度，限制性基质浓度，mol/m3Ks底物亲和常数底物亲和常数(也称半饱和速度常数，表示微也称半饱和速度常数，表示微生物对底物的亲和力生物对底物的亲和力,mol/m3；Ks越大，亲和力越大，亲和力越小，越小，越小。越小。当当S较高时，较高时，(对数期满足对数期满足S10Ks)，此时，此时，=m 当当S较低时，较低时，(减速期，减速期，S10Ks)，此时，此时S，减速期，减速期，细胞生长动力学比生长素率限制性底物残留浓度St 残留的限制性底物

8、浓度对微生物比生长率的影响 表征与培养基中残留的生长限制性底物St的关系 Monod方程：Ks底物亲和常数，速度等于处于1/2m时的底物浓度，表征微生物对底物的亲和力，两者成反比。酶促反应动力学米氏方程：酶促反应动力学米氏方程：受单一底物酶促反应限制的微生物受单一底物酶促反应限制的微生物生长动力学方程生长动力学方程Monod方程：方程：oMonod方程应用：方程应用：o测定微生物对不同底物的亲和力大小测定微生物对不同底物的亲和力大小Ks值值o实验确定适于微生物生长的最正确底物实验确定适于微生物生长的最正确底物？o比较不同底物发酵最终残留的大小比较不同底物发酵最终残留的大小？o比较不同微生物对同

9、一底物的竞争优势，确比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培养的稀释率定连续培养的稀释率lStationary（不生长或生长率与死亡率相等）:ldying:（浓度最大）（浓度最大）细胞生长动力学(比死亡速率比死亡速率，s-1)l假定整个生长阶段无抑制物作用存在，那么微生物假定整个生长阶段无抑制物作用存在，那么微生物生长动力学可用阶段函数表示如下：生长动力学可用阶段函数表示如下：l 0 x0 0tt1)l m x0e m t (t1tt2)l =x=x0e m(t2-t1)e t (t2tt3)l l 0 xm(t3tt4)l -a xme-a t(t4tt5)l 当培养基中存在多种限制性

10、营养物时，Monod方程应改为？l 得率系数得率系数o 指指消消耗耗单单位位营营养养物物所所生生成成的的细细胞胞或或产产物物数数量量。其其大大小小取取决决于于生生物物学学参参数数,x 和和化化学学参参数数DO,C/N,磷磷含含量量等等o 1生长得率系数生长得率系数o Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消消耗耗每每克克营营养养物物、每每克克分分子氧以及每千卡能量所生成的细胞克数；子氧以及每千卡能量所生成的细胞克数；o Yx/c、Yx/N、Yx/p、Yx/Ave-：消消耗耗每每克克C、每克每克N、每克、每克P和每个有效电子所生成的细胞克数；和每个有效电子所生成的细胞克数；o Yx/ATP：消消耗

11、耗每每克克分分子子的的三三磷磷酸酸腺腺苷苷生生成成的的细细胞胞克克数。数。1.3.2基质基质消耗动力学 消消耗耗每每克克营营养养物物s或或每每克克分分子子氧氧(O2)生生成成的的产产物物(P)、ATP或或CO2的克数。的克数。基质消耗动力学l 产物得率系数：产物得率系数：o定义：表观得率定义：表观得率o o 专一性得率专一性得率o o*专一性用于生长的底物量专一性用于生长的底物量S不含用于维持不含用于维持能耗及产物形成局部的用量。能耗及产物形成局部的用量。基质消耗动力学 基质消耗速率与生长、合成关系如下：基质消耗速率与生长、合成关系如下：表观：表观：专一性：专一性：基质消耗动力学为了扣除细胞量

12、的影响为了扣除细胞量的影响，定义：基质比消耗速率定义：基质比消耗速率单位质量细胞在单位时间内的基质消耗量 产物比生成速率产物比生成速率单位质量细胞在单位时间内的产物生成量基质消耗动力学=若生长阶段产物生成可以忽略，即若生长阶段产物生成可以忽略，即 基质消耗动力学1/Yx/s1/1/YGml 图解法求微生物的本征参数图解法求微生物的本征参数YG和和m基质消耗动力学 若生产阶段微生物生长可以忽略，若生产阶段微生物生长可以忽略，基质消耗动力学=根根据据发发酵酵时时间间过过程程分分析析，微微生生物物生生长与产物合成存在以下三种关系：长与产物合成存在以下三种关系：与生长相关与生长相关生长偶联型生长偶联型

13、与生长局部相关与生长局部相关生长局部偶联型生长局部偶联型与生长不相关与生长不相关无关联无关联1.3.3产物形成动力学相关型部分相关型非相关型产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图 与生长相关与生长相关生长偶联型：生长偶联型：乙醇发酵乙醇发酵 产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直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。变化相平行。产物形成动力学与生长局部相关与生长局部相关生长局部偶联型：生长局部偶联型：柠檬酸、氨基酸发酵柠檬酸、氨基酸发酵 产物间接由能量代谢生成，不是底物的产物间接由能量代谢生

14、成，不是底物的直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的主流产物（与初生代谢紧密关联）。主流产物（与初生代谢紧密关联）。产物形成动力学与生长不相关与生长不相关无关联：无关联：抗生素发酵抗生素发酵若考虑到产物可能存在分解时，则若考虑到产物可能存在分解时，则 产物生成与能量代谢不直接相关，通过细胞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。进行的独特的生物合成反应而生成。产物形成动力学1.4分批发酵的优缺点v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。v缺点：不利于测定过程动力学，存在底物限制或抑制问题，

15、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。二、连续发酵动力学二、连续发酵动力学什么是连续发酵？l连续发酵概念：连续发酵概念：l 在在发发酵酵过过程程中中，连连续续向向发发酵酵罐罐流流加加培培养养基基，同时以一样流量从发酵罐中取出培养液。同时以一样流量从发酵罐中取出培养液。l连续发酵特点：连续发酵特点：l 添添加加培培养养基基的的同同时时，放放出出等等体体积积发发酵酵液液，形成连续生产过程，获得相对稳定的连续发酵状态。形成连续生产过

16、程，获得相对稳定的连续发酵状态。l连续发酵类型：连续发酵类型：l 单级单级l 多级连续发酵多级连续发酵2.12.1连续发酵类型及装置连续发酵类型及装置2.22.2连续发酵动力学模型连续发酵动力学模型2.2.1.2.2.1.单级恒化器连续发酵单级恒化器连续发酵2.2.2.2.2.2.多级恒化器连续发酵多级恒化器连续发酵2.2.3.2.2.3.进展细胞回流的单级恒化器连续发酵进展细胞回流的单级恒化器连续发酵2.32.3连续发酵动力学理论应用连续发酵动力学理论应用 2.4 2.4 优缺点优缺点主要内容l连续发酵类型及装置连续发酵类型及装置 罐式连续发酵罐式连续发酵 单级单级 多级串联多级串联 细胞回

17、流式细胞回流式 2.1发酵装置单级连续发酵示意图单级连续发酵示意图发酵装置-单级两级连续发酵示意图两级连续发酵示意图发酵装置-多级串联l罐式连续发酵实现方法罐式连续发酵实现方法恒恒浊浊法法：通通过过调调节节营营养养物物的的流流加加速速度度，利利用用浊浊度度计计检检测测细胞浓度，使之恒定。细胞浓度，使之恒定。恒恒化化法法：保保持持某某一一限限制制性性基基质质在在一一恒恒定定浓浓度度水水平平，使使菌菌的比生长速率的比生长速率保持一定。保持一定。培养基输入培养基进入下一级发酵罐培养基进入后处理或到下一级发酵罐 多级罐式连续发酵装置示意图 发酵装置-多级串联 a:再循环比率（回流比）再循环比率（回流比

18、）c:浓缩因子浓缩因子 细胞回流的单级连续发酵示意图细胞回流的单级连续发酵示意图发酵装置-细胞回流式 定义：定义：稀释率稀释率 将单位时间内连续流入发酵罐中的新鲜培养基体积与将单位时间内连续流入发酵罐中的新鲜培养基体积与发酵罐内的培养液总体积的比值发酵罐内的培养液总体积的比值 D=F/V(h-1)F流量流量m3/h V培养液体积培养液体积m3 理论停留时间理论停留时间 2.2连续发酵动力学-理论2.2.1单级恒化器连续发酵l 细胞的物料衡算和D的关系对于单级恒化器对于单级恒化器：X0=0 且通常有：且通常有：单级恒化器连续发酵积累的细胞（净增量）积累的细胞（净增量）=流入的细胞流入的细胞-流出

19、的细胞流出的细胞+生长的细生长的细 胞胞-死亡的细胞死亡的细胞单级恒化器连续发酵A A.稳定状态时稳定状态时，此时此时 =D（单级连续发酵重要特征单级连续发酵重要特征）B.B.不稳定时，不稳定时，当当D，积累的营养组分积累的营养组分=流入量流入量-流出量流出量-生长消耗量生长消耗量-维持生命需要量维持生命需要量-形成产物消耗量形成产物消耗量稳态时稳态时，=0=0,一般条件下一般条件下,mx DC DDC，那么会出现：细胞被洗出，那么会出现：细胞被洗出o由由 可知可知 负增长，负增长，xx，进入非稳态。进入非稳态。单级恒化器连续发酵l 生长模型生长模型 o由两个稳态方程可以推出由两个稳态方程可以

20、推出D D与与X X关联的生长模型关联的生长模型 当当DKs S0Ks S010KsS010Ks,底底物物供供给给浓浓度度很很大大，为非限制性为非限制性o那么那么 o o 此时，最大临界稀释率此时，最大临界稀释率o o l 细胞生产率细胞生产率 单级恒化器连续发酵ox,s,Dx与与D关系总结：关系总结：单级恒化器连续发酵l 产物的物料衡算产物的物料衡算o产物变化率产物变化率=细胞合成产物速率细胞合成产物速率+流入流入-流出流出-分解项分解项o 当连续发酵处于稳态当连续发酵处于稳态，且加料中不含产物，即且加料中不含产物，即 ，P分解速率可忽略分解速率可忽略。得得单级恒化器连续发酵l多级恒化器多级

21、恒化器的的第一级第一级动力学模型动力学模型 假设两级发酵罐内培养体积一样，假设两级发酵罐内培养体积一样，即即V1=V2V1=V2；且第二级不参加新鲜培养基，；且第二级不参加新鲜培养基，那么对于第一级动力学模型方程与单那么对于第一级动力学模型方程与单级一样。级一样。2.2多级多级恒化器连续发酵l 稳态时稳态时多级恒化器连续发酵l多级恒化器多级恒化器的的第二级动力学模型第二级动力学模型 S1S0 ，S2S1 从第二从第二级级开始开始，比生长速率，比生长速率 不再等于稀释率不再等于稀释率D.多级恒化器连续发酵l 第二级细胞物料衡算第二级细胞物料衡算 第二级稳态时第二级稳态时，同理同理,由稳态方程可得

22、，由稳态方程可得，多级恒化器连续发酵l 第二级基质物料衡算第二级基质物料衡算 o稳态时稳态时，多级恒化器连续发酵多级恒化器连续发酵l 第二级基质物料衡算第二级基质物料衡算 l S2的求解的求解 解此方程可得第二级发酵罐中稳态限制性基解此方程可得第二级发酵罐中稳态限制性基质浓度质浓度S2,再由式再由式(2)可确定可确定x2,再求出再求出Dx1,Dx2.（1）（3）（1）（2）（3）多级恒化器连续发酵l 细胞形成产物的速率：细胞形成产物的速率：DP2o稳态时稳态时 多级恒化器连续发酵l 第二级发酵罐产物浓度第二级发酵罐产物浓度 同理类推同理类推 多级恒化器连续发酵l 进展细胞回流的单级连续发酵进展

23、细胞回流的单级连续发酵o概概念念：进进展展单单级级连连续续发发酵酵时时，把把发发酵酵罐罐流流出出的的发发酵酵液液进进展展别别离离，经经浓浓缩缩的的细细胞胞悬悬浮浮液液送送回回发发酵罐中。酵罐中。2.3细胞回流单级恒化器连续发酵优优点点：提提高高了了发发酵酵罐罐中中的的细细胞胞浓浓度度，也也有有利利于于提高系统的操作稳定性。提高系统的操作稳定性。l 细胞生长动力学方程细胞生长动力学方程o细胞的物料衡算细胞的物料衡算(与与D的关系的关系)积累的细胞积累的细胞=进入培养液中的细胞进入培养液中的细胞+再循环流入的细胞再循环流入的细胞 -流出的细胞流出的细胞+生长的细胞生长的细胞-死亡的细胞死亡的细胞C

24、 C为浓缩倍数为浓缩倍数细胞回流单级恒化器连续发酵假定假定:细胞死亡很少细胞死亡很少 =0 培养基无菌参加培养基无菌参加x0=0 D=F/V由稳态条件由稳态条件 得得 细胞回流单级恒化器连续发酵o限制性基质的物料衡算限制性基质的物料衡算x1与与D的关系的关系o积累的基质积累的基质=进入基质进入基质+循环流入基质循环流入基质-流出基质流出基质-消耗的基质消耗的基质o 细胞回流单级恒化器连续发酵代入代入有：有：l x1与与D的关系的关系细胞回流单级恒化器连续发酵D=F/V稳态时，稳态时，细胞回流单级恒化器连续发酵 x1比单级无再循环的比单级无再循环的x要大大又又代入代入x1式式,得得l 应用应用

25、o有助于了解和研究细胞生长、基质消耗和有助于了解和研究细胞生长、基质消耗和产物生成的动力学规律，从而优化发酵工产物生成的动力学规律，从而优化发酵工艺。艺。o便于研究细胞在不同比生长速率下的特征。便于研究细胞在不同比生长速率下的特征。2.3理论应用o利用细胞再循环连续发酵技术进展废水利用细胞再循环连续发酵技术进展废水的生化处理、发酵与产物别离耦合。的生化处理、发酵与产物别离耦合。o利用连续培养的选择性进展富集培养菌利用连续培养的选择性进展富集培养菌种选择及防污染处理。种选择及防污染处理。l 应用应用 v在底物浓度为S情况下杂菌Y的生长速率y比系统的稀释速率D要小v Y的积累速率：结果是负值，表明

26、杂菌不能在系统中存留 v底物浓度为S的情况下杂菌Z能以比D大的比生长速率下生长 比D大的多，故 dZ/dt是正的，杂菌Z积累，系统中底物浓度下降到S，此时 D，建立新的稳态。此时生产菌X的比生长速率 比原有的小。D，故将生产菌从系统中淘汰 v杂菌W 入侵的成败取决于系统的稀释速率。v由图可见，在稀释速率为0.25Dc（临界稀释速率）下，W竞争不过X而被冲走.连续培养中杂菌能否积累取决于它在培养系统中的竞争能力 分批发酵：生产周期分批发酵：生产周期 式中式中：tL-延迟期所占用时间延迟期所占用时间；tR放料时间放料时间 tP清洗发酵罐、培养基、灭菌、冷却所需时间清洗发酵罐、培养基、灭菌、冷却所需

27、时间 xF发酵终点细胞浓度发酵终点细胞浓度；x0接种后细胞浓度接种后细胞浓度 假假定定分分批批发发酵酵的的指指数数生生长长期期延延续续到到限限制制性性基基质质耗耗尽，这时达到最大细胞浓度尽，这时达到最大细胞浓度xFl 应用应用-提高生产率提高生产率 分批发酵的细胞生产率为分批发酵的细胞生产率为:l 应用应用-提高生产率提高生产率 可可见见,细细胞胞的的m m越越大大，辅辅助助操操作作时时间间越越长长，连续发酵的优势就越大。连续发酵的优势就越大。l 应用应用-单级连续发酵最大生产率单级连续发酵最大生产率单级连续发酵与分批发酵最大生产率之比为：单级连续发酵与分批发酵最大生产率之比为：l 例题o 某

28、一微生物反响，其细胞生长符合Monod动o力学模型，其 ，o试问：o (1)在单一CSTR连续搅拌式反响器进展反响，稳态下操作且无细胞死亡，欲到达最大的细胞生产率，其最正确稀释率是多少?o (2)采用同样大小N个CSTR相串联，其D值一样，假设要求最终反响基质浓度降至1g/L以下，试求N至少应为多少级?o 解：力学模型，其 ，指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量。0 x0 0tt1)0 x0 0tt1)细胞生长动力学方程图解法求微生物的本征参数YG和mt 24h(生长罐 48h 生产罐 60h单级连续发酵与分批发酵最大生产率之比为：稀释率、比生长速率以及其它与代谢有关的参数都将发生周期性的变

29、化。进展细胞回流的单级恒化器连续发酵积累的细胞（净增量）=流入的细胞-流出的细胞+生长的细 胞-死亡的细胞得与生长局部相关生长局部偶联型积累的细胞（净增量）=流入的细胞-流出的细胞+生长的细 胞-死亡的细胞P1=0.假设两级发酵罐内培养体积一样，exp:(假定无抑制作用存在)X0、Xt初始微生物浓度和t时细胞浓度；看一下N=3时的情况：o实验数据如下：实验数据如下：ot 24h(生长罐生长罐 48h 生产罐生产罐 60ho P1=0.07g/L P2=0.4g/L P3=0.62g/L o X1=7g/Lo o 求操作参数求操作参数D？并比较连续发酵与分批发酵的生产率。？并比较连续发酵与分批发

30、酵的生产率。l 应用应用-青霉素连续发酵与分批发酵对比青霉素连续发酵与分批发酵对比 计算：采用连续发酵时计算：采用连续发酵时第一罐第一罐：第二罐：由第二罐：由FP2t 流出产物 FP1t 流入产物 dP2/dt 产物生产速度 乘以V2t 产物生成量 为了保证串联稳定，两罐稀释率差异用体积差异进展调节。F一样 产物在串联系统停留时间 产物形成速率 而分批发酵时，tn=48h,P=0.4g/L故产物形成速率 DP=0.4/48=0.0083g/Lh 比连续发酵低为充分利用基质，再加一罐(第三罐)(相当于60h)tn=1/D1+1/D2+1/D3=53.7h产物形成速率 P3/tn=0.0115g/

31、L h分批发酵 P3/t3=0.62/60=0.0103g/L hl 2.4 优缺点优缺点o添加新鲜培养基，抑制养分缺乏所导致的发添加新鲜培养基，抑制养分缺乏所导致的发酵过程过早完毕，延长对数生长期，增加生酵过程过早完毕，延长对数生长期，增加生物量等；物量等；o在长时间发酵中，菌种易于发生变异，并容在长时间发酵中，菌种易于发生变异，并容易染上杂菌；易染上杂菌；o如果操作不当，新参加的培养基与原有培养如果操作不当，新参加的培养基与原有培养基不易完全混合。基不易完全混合。o三、分批补料动力学o3.1概念和类型o3.2动力学o3.3优缺点3.1概念和类型什么是补料分批发酵？o补料分批培养补料分批培养

32、Fed-batch culture：o o 分批发酵过程中补充培养基，不从发分批发酵过程中补充培养基，不从发酵体系中排出发酵液，使发酵液的体积随着酵体系中排出发酵液，使发酵液的体积随着发酵时间逐渐增加发酵时间逐渐增加。o概概念念：在在发发酵酵过过程程中中，不不连连续续地地向向发发酵酵罐罐内内参参加加培培养养基基，但但不不取取出出发发酵酵液液的的发发酵方式。酵方式。o特特点点：由由于于培培养养基基的的参参加加，发发酵酵液液体体积积不断增加。不断增加。o半连续发酵概念：半连续发酵概念：o 在在发发酵酵过过程程中中，每每隔隔一一定定时时间间，取取出出一一定定体体积积的的发发酵酵液液，同同时时在在同同

33、一一时时间间间间隔隔内内参参加加相相等等体体积积的的培培养养基基，如如此此反复进展的发酵方式。反复进展的发酵方式。o 特点：特点：o 稀稀释释率率、比比生生长长速速率率以以及及其其它它与与代代谢谢有有关关的的参参数数都都将将发发生生周周期期性性的的变变化。化。l 类型类型 连续流加连续流加o补料方式补料方式 不连续流加不连续流加 多周期流加多周期流加 快速流加快速流加 恒速流加恒速流加 变速流加变速流加 单一组分补料单一组分补料 多组分补料多组分补料 流加方式流加方式以补加的培养基成分来区分以补加的培养基成分来区分 o整个发酵罐中细胞、限制性基质和产物总量的变化速率可用整个发酵罐中细胞、限制性

34、基质和产物总量的变化速率可用下式表示：下式表示：3.2动力学o细胞总量的变化率为细胞总量的变化率为 o o假设为恒速流加，培养基流量为假设为恒速流加，培养基流量为F，那么那么 o合并合并、式式 得得 D=F/(V0+Ft)D随时间的延长减小。D减小，底物残留浓度下降，o同样可以推导出限制性基质和产物浓度的变化率：同样可以推导出限制性基质和产物浓度的变化率：合并合并、式式 得得又又 o拟稳态时拟稳态时 这时这时o对于恒速流加，细胞的比生长速率对时间的变化对于恒速流加，细胞的比生长速率对时间的变化率为：率为：o长时间流加培养之后长时间流加培养之后 o可以解除底物的抑制、产物反响抑制和葡萄糖分解阻遏可以解除底物的抑制、产物反响抑制和葡萄糖分解阻遏效应。效应。o防止在分批发酵中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，防止在分批发酵中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。o菌体可被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来作为菌体可被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来作为控制细胞质量的手段。控制细胞质量的手段。o与连续发酵相比，补料分批发酵的优点在于：与连续发酵相比，补料分批发酵的优点在于：无菌要无菌要求低；求低；菌种变异，退化少；菌种变异，退化少；适用范围更广。适用范围更广。3.3优缺点