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1、关于生物反应器基础微生物生长动力学第1页，讲稿共72张，创作于星期二第一节第一节 微生物生长的基本特征微生物生长的基本特征微生物的种类（微生物的种类（可分为三大类）可分为三大类）：、非细胞型微生物（病毒）；、非细胞型微生物（病毒）；、原核细胞型微生物，仅有原始细胞核，如细、原核细胞型微生物，仅有原始细胞核，如细菌、放线菌等；菌、放线菌等；、真核细胞型微生物，霉菌、酵母菌和单细、真核细胞型微生物，霉菌、酵母菌和单细胞藻类，原生动物。胞藻类，原生动物。第2页，讲稿共72张，创作于星期二微生物的作用：微生物的作用：微生物是生物反应过程的催化剂，催化原料转微生物是生物反应过程的催化剂，催化原料转化为有
2、用的产品化为有用的产品；微生物如同一个微小的容器，原料中的反微生物如同一个微小的容器，原料中的反应物透过微生物细胞周围的细胞壁和细胞应物透过微生物细胞周围的细胞壁和细胞膜进入微生物体内，把反应物转化为产物，膜进入微生物体内，把反应物转化为产物，接着这些产物又被释放出来。接着这些产物又被释放出来。第3页，讲稿共72张，创作于星期二一、生长现象与繁殖方式一、生长现象与繁殖方式微生物可分为成三大类：微生物可分为成三大类：、非细胞型微生物学（病毒）；、非细胞型微生物学（病毒）；、是原核细胞型微生物，仅有原始细胞核，、是原核细胞型微生物，仅有原始细胞核，如细菌、放线菌等；如细菌、放线菌等；、是真核细胞型
3、微生物，霉菌、酵母菌和单细、是真核细胞型微生物，霉菌、酵母菌和单细胞藻类，原生动物。胞藻类，原生动物。第4页，讲稿共72张，创作于星期二表表5-1 5-1 微生物的生长现象与繁殖方式微生物的生长现象与繁殖方式类 别生长特征繁殖方式细菌个体增重和增大 分裂繁殖放线菌、霉菌菌丝伸长和分支霉菌-无性孢子、有性孢子酵母菌个体增重和增大 出芽生殖放线菌-无性孢子第5页，讲稿共72张，创作于星期二微生物细胞在生长过程中的变化：微生物细胞在生长过程中的变化：其形态、组成、活性都处在动态变化过程中，使其形态、组成、活性都处在动态变化过程中，使其形态、组成、活性都处在动态变化过程中，使其形态、组成、活性都处在动
4、态变化过程中，使其经历生长、繁殖、维持、死亡等阶段。其经历生长、繁殖、维持、死亡等阶段。其经历生长、繁殖、维持、死亡等阶段。其经历生长、繁殖、维持、死亡等阶段。并使反应系统中的环境条件也处在动态变化之中。并使反应系统中的环境条件也处在动态变化之中。并使反应系统中的环境条件也处在动态变化之中。并使反应系统中的环境条件也处在动态变化之中。微生物细胞的基本组成：微生物细胞的基本组成：蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸等。蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸等。蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸等。蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸等。第6页，讲稿共72张，创作于星期二二、生长的测定二、生长的测定 微生物生长的测定，通
5、常是测群体的重量或微生物生长的测定，通常是测群体的重量或细胞数，而不是测细胞个体的重量或大小。细胞数，而不是测细胞个体的重量或大小。生长测定的常用理化方法，分为测定细胞数和细生长测定的常用理化方法，分为测定细胞数和细胞重量两类。胞重量两类。第7页，讲稿共72张，创作于星期二1、计数器计数法、计数器计数法 浊度计比浊法浊度计比浊法浊度计比浊法浊度计比浊法 测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞数量的生长数量的生长数量的生长数量的生长 计数器计数法计数器计数法计数器计数法计数器计数法
6、在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出细菌数的生长细菌数的生长细菌数的生长细菌数的生长 第8页，讲稿共72张，创作于星期二2、测定细胞重量、测定细胞重量细胞干重称量法细胞干重称量法细胞干重称量法细胞干重称量法 直接测定单位体积培养物的细胞干重，由此代表直接测定单位体积培养物的细胞干重，由此代表直接测定单位体积培养物的细胞干重，由此代
7、表直接测定单位体积培养物的细胞干重，由此代表菌体细胞物质总量的生长菌体细胞物质总量的生长菌体细胞物质总量的生长菌体细胞物质总量的生长细胞堆积容积测量法细胞堆积容积测量法细胞堆积容积测量法细胞堆积容积测量法 用锥形刻度管测量经离心的细胞沉淀物的容积用锥形刻度管测量经离心的细胞沉淀物的容积用锥形刻度管测量经离心的细胞沉淀物的容积用锥形刻度管测量经离心的细胞沉淀物的容积 ，由此间接表示细胞重量的生长由此间接表示细胞重量的生长由此间接表示细胞重量的生长由此间接表示细胞重量的生长 细胞组成分析法细胞组成分析法细胞组成分析法细胞组成分析法 测定一种大分子的细胞组成测定一种大分子的细胞组成测定一种大分子的细
8、胞组成测定一种大分子的细胞组成(蛋白质、蛋白质、蛋白质、蛋白质、RNARNA、DNADNA等等等等)，间接地算出细胞重量的生长，间接地算出细胞重量的生长，间接地算出细胞重量的生长，间接地算出细胞重量的生长 第9页，讲稿共72张，创作于星期二营养物消耗分析法营养物消耗分析法 测定培养基中不用于合成代谢产物的营测定培养基中不用于合成代谢产物的营养物（磷酸盐、硫酸盐等）的消耗，由此间养物（磷酸盐、硫酸盐等）的消耗，由此间接表示细胞重量的生长接表示细胞重量的生长 产物重量分析法产物重量分析法 测定培养中途形成的二氧化碳，氢，测定培养中途形成的二氧化碳，氢，ATP等产物，由此间接地换算出细胞重量的生长等
9、产物，由此间接地换算出细胞重量的生长 第10页，讲稿共72张，创作于星期二第二节第二节 微生物生长动力学微生物生长动力学 什么是微生物生长动力学？什么是微生物生长动力学？微生物生长动力学是研究微生物生长过程的速率及其影响微生物生长动力学是研究微生物生长过程的速率及其影响微生物生长动力学是研究微生物生长过程的速率及其影响微生物生长动力学是研究微生物生长过程的速率及其影响速率的各种因素，从而获得相关信息。微生物生长动力学速率的各种因素，从而获得相关信息。微生物生长动力学速率的各种因素，从而获得相关信息。微生物生长动力学速率的各种因素，从而获得相关信息。微生物生长动力学可反映细胞适应环境变化的能力。
10、可反映细胞适应环境变化的能力。可反映细胞适应环境变化的能力。可反映细胞适应环境变化的能力。第11页，讲稿共72张，创作于星期二一、微生物生长曲线微生物生长曲线 细胞的生长过程可以用细胞的生长过程可以用细胞浓度的变化来描述细胞浓度的变化来描述和表达。若取细胞浓度和表达。若取细胞浓度的对数值与细胞生长时的对数值与细胞生长时间对应作图，可得到分间对应作图，可得到分批培养时的细胞浓度变批培养时的细胞浓度变化曲线。化曲线。第12页，讲稿共72张，创作于星期二分批培养细胞的五个生长阶段分批培养细胞的五个生长阶段延迟期：细胞浓度无明显变化延迟期：细胞浓度无明显变化对数期：细胞浓度随时间呈指数生长对数期：细胞
11、浓度随时间呈指数生长减速期：细胞的生长速率开始减缓减速期：细胞的生长速率开始减缓静止期：细胞浓度不再增加，为最大值静止期：细胞浓度不再增加，为最大值衰亡期衰亡期：细胞开始死亡，细胞生长速率细胞开始死亡，细胞生长速率 为负值为负值第13页，讲稿共72张，创作于星期二二、微生物生长动力学二、微生物生长动力学1 1 1 1、比生长速率、比生长速率、比生长速率、比生长速率 若细胞物质或细胞数目增长一倍的时间间隔是若细胞物质或细胞数目增长一倍的时间间隔是常数，则微生物是以指数速率增长，可用数学常数，则微生物是以指数速率增长，可用数学模型来描述。模型来描述。（1 1）（2 2）式（式（式（式（1 1）表明
12、，细胞物质随时间的增加而增加）表明，细胞物质随时间的增加而增加）表明，细胞物质随时间的增加而增加）表明，细胞物质随时间的增加而增加 式（式（式（式（2 2）表明，细胞数目随时间的增加而增加）表明，细胞数目随时间的增加而增加）表明，细胞数目随时间的增加而增加）表明，细胞数目随时间的增加而增加第14页，讲稿共72张，创作于星期二 若为常数，则：对式（对式（1 1）积分得：）积分得：在大多数情况下，生长是以物质的增加衡量的，在大多数情况下，生长是以物质的增加衡量的，因而因而 得到应用。得到应用。此式可在此式可在t=td（td为倍增时间）为倍增时间）时求得，时求得，td即在即在 时所需时间，于是时所需
13、时间，于是td=ln2/=0.693/。为比生长速率，单位是为比生长速率，单位是 h-1。第15页，讲稿共72张，创作于星期二 例题：某微生物的例题：某微生物的 0.125 h-1，求，求td。第16页，讲稿共72张，创作于星期二比生长速率的意义比生长速率的意义 比生长速率是菌体繁殖速率与培养基中菌体浓比生长速率是菌体繁殖速率与培养基中菌体浓度之比，它与微生物的生命活动有联系度之比，它与微生物的生命活动有联系 在对数生长期，在对数生长期，是一个常数，这时是一个常数，这时 第17页，讲稿共72张，创作于星期二2、无抑制的细胞生长动力学无抑制的细胞生长动力学 Monod方程方程 现现代代细细胞胞生
14、生长长动动力力学学的的奠奠基基人人Monod在在1942年年指指出出，在在培培养养基基中中无无抑抑制制剂剂存存在在的的情情况况下下，细细胞胞的的比比生生长长速速率率与与限限制制性性基基质质浓浓度度的的关关系系可可用下式表示：用下式表示：第18页，讲稿共72张，创作于星期二 Monod方程是典型的均衡生长模型，方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：其基本假设如下：细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞 生长的唯一变量是细胞的浓度；生长的唯一变量是细胞的浓度；培培养养基基中中只只有有一一种种基基质质是是生生长长限限制制性性基基 质质，而其它组分为过量，不影响细
15、胞的生长；而其它组分为过量，不影响细胞的生长；细胞的生长视为简单的单一反应，细胞生长细胞的生长视为简单的单一反应，细胞生长 速率为一常数。速率为一常数。第19页，讲稿共72张，创作于星期二 Monod方程中方程中 为比生长速率为比生长速率(h-1)；为最大比生长速率为最大比生长速率(h-1)，S S为限制为限制性基质浓度性基质浓度(gL)；Ks为饱和常数为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率为最大比，其值等于比生长速率为最大比生长速率一半时的限制性基质浓度。生长速率一半时的限制性基质浓度。第20页，讲稿共72张，创作于星期二细胞的比生长速率与限制性基质浓度的细胞的比生长速率与限制性基质浓度的
16、关系关系第21页，讲稿共72张，创作于星期二 将将Monod方程变为方程变为 并作图。通过该图，即可以获得两个并作图。通过该图，即可以获得两个 重要的动力学参数。重要的动力学参数。第22页，讲稿共72张，创作于星期二第23页，讲稿共72张，创作于星期二Ks和m值随菌种、限制性基质种类的变化微生物限制生长基质Ksm（hr）大肠杆菌葡萄糖0.22-大肠杆菌乳糖0.58-啤酒酵母乳糖2.63.00.18啤酒酵母葡萄糖0.56-纤维素分解菌葡萄糖0.860.125固氮菌葡萄糖0.160.330.13青霉菌氧气0.0070.35第24页，讲稿共72张，创作于星期二 Monod方程虽然表述简单，但它不足以
17、完整方程虽然表述简单，但它不足以完整地说明复杂的生化反应过程，并且已发现它在地说明复杂的生化反应过程，并且已发现它在某些情况与实验结果不符，因此人们又提出了某些情况与实验结果不符，因此人们又提出了另外一些方程另外一些方程,归纳于下表归纳于下表 第25页，讲稿共72张，创作于星期二单基质限制的细胞生长动力学模型单基质限制的细胞生长动力学模型第26页，讲稿共72张，创作于星期二第三节第三节 发酵动力学与发酵发酵动力学与发酵 过过 程程 控控 制制发酵动力学是研究生物反应过程的速率及发酵动力学是研究生物反应过程的速率及其影响因素，是生物反应工程学的理论基其影响因素，是生物反应工程学的理论基础之一础之
18、一。发酵过程动力学包括两个层次的动力学发酵过程动力学包括两个层次的动力学第27页，讲稿共72张，创作于星期二1、本征动力学（又称本征动力学（又称微微观动观动力学力学）在没有传递等工程因素影响时，生物反应在没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。该速率除反应本身的特性固有的速率。该速率除反应本身的特性外，只与各反应组分的浓度、温度、催外，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。关。第28页，讲稿共72张，创作于星期二2、反应器动力学反应器动力学（又称宏观动力又称宏观动力学）学）在一反应器内所观测得到的总反应速率及在一反应器内所观
19、测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热合、传质与传热第29页，讲稿共72张，创作于星期二一、一、发酵动力学发酵动力学发酵动力学是研究各种环境因素与微生物发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。律的科学。研究发酵动力学的目的在于按人们的需要研究发酵动力学的目的在于按人们的需要控制发酵过程。控制发酵过程。第30页，讲稿共72张，创作于星期二1 1、产物合成动力学产物合成动力学在连续培
20、养的条件下，由生长、基质利用在连续培养的条件下，由生长、基质利用和产物形成的物料平衡方程，可以看出产和产物形成的物料平衡方程，可以看出产物的形成与生长和细胞浓度的关系物的形成与生长和细胞浓度的关系 第31页，讲稿共72张，创作于星期二1.11.1、细胞的生长、细胞的生长细胞量的积累速率细胞量的积累速率=细胞生长速率细胞生长速率 细胞的消失速率细胞的消失速率第32页，讲稿共72张，创作于星期二1.21.2、基质的利用、基质的利用基质的消耗速率基质的消耗速率=补料中基质的添加速率生长消耗的基质速率补料中基质的添加速率生长消耗的基质速率 产物合成用去的基质速率维持所消耗的基产物合成用去的基质速率维持
21、所消耗的基 质速率基质的移去速率质速率基质的移去速率 第33页，讲稿共72张，创作于星期二1.31.3、产物的形成、产物的形成产物形成的速率产物形成的速率=产物合成速率产物合成速率 产物移去速率产物移去速率 产物被破坏速率产物被破坏速率第34页，讲稿共72张，创作于星期二二、代谢产物形成的动力学模型二、代谢产物形成的动力学模型GadenGaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种类型：其分为三种类型：其分为三种类型：其分为三种类型：类型类型类型
22、类型称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模型；型；型；型；类型类型类型类型称为部分相关模型，或称不完全伴随生长的产物称为部分相关模型，或称不完全伴随生长的产物称为部分相关模型，或称不完全伴随生长的产物称为部分相关模型，或称不完全伴随生长的产物形成模型；形成模型；形成模型；形成模型；类型类型类型类型称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成模型。模型。模型。模型。第35页，讲
23、稿共72张，创作于星期二第36页，讲稿共72张，创作于星期二类型类型是指产物的生成与细胞的生长相是指产物的生成与细胞的生长相关的过程关的过程(上图上图a)a)，此时产物通常是基，此时产物通常是基质的分解代谢产物，代谢产物的生成与质的分解代谢产物，代谢产物的生成与细胞的生长是同步的。细胞的生长是同步的。动力学方程为：动力学方程为：第37页，讲稿共72张，创作于星期二类型类型反应产物的生成与细胞生长仅有间接反应产物的生成与细胞生长仅有间接关系（上图关系（上图b b）。在细胞生长期内，基本无）。在细胞生长期内，基本无产物生成。产物生成。动力学方程为：动力学方程为：或或或或第38页，讲稿共72张，创作
24、于星期二第39页，讲稿共72张，创作于星期二 与与之间的关系图之间的关系图第40页，讲稿共72张，创作于星期二第四节第四节 发酵过程的代谢变化规律发酵过程的代谢变化规律一、分一、分 批批 发发 酵酵1.1.概念概念 分批发酵是指在一封闭培养系统内具分批发酵是指在一封闭培养系统内具有初始限制量基质的一种发酵方式有初始限制量基质的一种发酵方式第41页，讲稿共72张，创作于星期二2.分批发酵过程的典型类型分批发酵过程的典型类型简单反应简单反应简单反应简单反应a a、生长型：如、生长型：如、生长型：如、生长型：如产气杆菌（产气杆菌（产气杆菌（产气杆菌（Aerobacter CloacaeAerobac
25、ter Cloacae）的生长）的生长）的生长）的生长 b b、非生长型：如、非生长型：如、非生长型：如、非生长型：如黑曲霉（黑曲霉（黑曲霉（黑曲霉（Aspegillus nigerAspegillus niger）转化葡萄糖成为葡）转化葡萄糖成为葡）转化葡萄糖成为葡）转化葡萄糖成为葡萄糖酸萄糖酸萄糖酸萄糖酸 并行反应：并行反应：并行反应：并行反应：如粘红酵母（如粘红酵母（如粘红酵母（如粘红酵母（Rhodotoruba glutirusRhodotoruba glutirus）相继反应：相继反应：相继反应：相继反应：如假如假如假如假单孢单孢单孢单孢菌（菌（菌（菌（Pseudomonoas Ou
26、alisPseudomonoas OualisPseudomonoas OualisPseudomonoas Oualis）分段反应分段反应分段反应分段反应 ：。如大肠杆菌（。如大肠杆菌（。如大肠杆菌（。如大肠杆菌（E.ColiE.ColiE.ColiE.Coli）的二阶段）的二阶段）的二阶段）的二阶段式生长式生长式生长式生长 第42页，讲稿共72张，创作于星期二3.分批发酵过程的生产率分批发酵过程的生产率体积生产率是以每升发酵体积生产率是以每升发酵体积生产率是以每升发酵体积生产率是以每升发酵液每小时产生的产物克数液每小时产生的产物克数液每小时产生的产物克数液每小时产生的产物克数（g/Lhg/
27、Lhg/Lhg/Lh）表示的，是对）表示的，是对）表示的，是对）表示的，是对发酵过程总成果的一种发酵过程总成果的一种发酵过程总成果的一种发酵过程总成果的一种衡量。衡量。衡量。衡量。总生产率总生产率总生产率总生产率:第43页，讲稿共72张，创作于星期二第44页，讲稿共72张，创作于星期二总生产率总生产率第45页，讲稿共72张，创作于星期二其中发酵过程总的运转周期为：其中发酵过程总的运转周期为：第46页，讲稿共72张，创作于星期二丝状微生物发酵的丝状微生物发酵的产物产率和基质的利用产物产率和基质的利用霉菌和其它丝状微生物的发酵产物产率和霉菌和其它丝状微生物的发酵产物产率和基质利用的动力学是很复杂的
28、，典型的例基质利用的动力学是很复杂的，典型的例子是青霉素发酵子是青霉素发酵第47页，讲稿共72张，创作于星期二丝状微生物发酵过程获得高产的丝状微生物发酵过程获得高产的一般规律一般规律(1)(1)(1)(1)在一固定的分批发酵时间内，存在一种得到最佳产在一固定的分批发酵时间内，存在一种得到最佳产在一固定的分批发酵时间内，存在一种得到最佳产在一固定的分批发酵时间内，存在一种得到最佳产率的最适的基质起始浓度。如果基质浓度太高，菌丝率的最适的基质起始浓度。如果基质浓度太高，菌丝率的最适的基质起始浓度。如果基质浓度太高，菌丝率的最适的基质起始浓度。如果基质浓度太高，菌丝体生长过度，消耗大量基质导致体生长
29、过度，消耗大量基质导致体生长过度，消耗大量基质导致体生长过度，消耗大量基质导致“短周期发酵短周期发酵短周期发酵短周期发酵”现象现象现象现象的出现，造成产物生成量减少；如果基质浓度太低，的出现，造成产物生成量减少；如果基质浓度太低，的出现，造成产物生成量减少；如果基质浓度太低，的出现，造成产物生成量减少；如果基质浓度太低，菌丝体生长差，到产物生产期便没有足够的菌丝体菌丝体生长差，到产物生产期便没有足够的菌丝体菌丝体生长差，到产物生产期便没有足够的菌丝体菌丝体生长差，到产物生产期便没有足够的菌丝体制造产物。制造产物。制造产物。制造产物。第48页，讲稿共72张，创作于星期二（2）为了提高产物形成速率
30、，对菌丝分枝程）为了提高产物形成速率，对菌丝分枝程度也须加以优化。度也须加以优化。如果菌丝体分枝过少，停滞期和发酵周期均如果菌丝体分枝过少，停滞期和发酵周期均延长。目前已知菌丝体的分枝程度与种子延长。目前已知菌丝体的分枝程度与种子的生长状况有关，因此需寻找最适的种子的生长状况有关，因此需寻找最适的种子培养条件。培养条件。第49页，讲稿共72张，创作于星期二（3 3）为为为为了了了了提提提提高高高高氧氧氧氧的的的的传传传传递递递递速速速速率率率率，对对对对深深深深层层层层发发发发酵酵酵酵过过过过程程程程似似似似乎乎乎乎宜宜宜宜采采采采用用用用剧剧剧剧烈烈烈烈的的的的搅搅搅搅拌拌拌拌，但但但但是是
31、是是对对对对于于于于青青青青霉霉霉霉素素素素等等等等利利利利用用用用丝丝丝丝状状状状微微微微生生生生物物物物的的的的发发发发酵酵酵酵过过过过程程程程来来来来说说说说，中中中中等等等等程程程程度度度度的的的的搅搅搅搅拌拌拌拌对对对对高高高高产产产产有有有有利利利利。对对对对此此此此有有有有几几几几种种种种解解解解释释释释，普普普普遍遍遍遍的的的的认认认认为为为为是是是是剧剧剧剧烈烈烈烈的的的的搅搅搅搅拌拌拌拌所所所所施施施施加加加加的的的的剪剪剪剪切切切切力力力力会会会会影影影影响响响响霉霉霉霉菌菌菌菌的的的的形形形形态态态态，促促促促进进进进菌菌菌菌丝丝丝丝过过过过多多多多分分分分枝枝枝枝，而
32、而而而使使使使产产产产量量量量下下下下降。降。降。降。第50页，讲稿共72张，创作于星期二二、连二、连 续续 发发 酵酵把新鲜的培养基连续地供给均匀混合的发把新鲜的培养基连续地供给均匀混合的发酵系统，同时又以相同的速度把含有细胞酵系统，同时又以相同的速度把含有细胞和产物的发酵液从发酵系统中抽出便可使和产物的发酵液从发酵系统中抽出便可使发酵过程连续化发酵过程连续化 第51页，讲稿共72张，创作于星期二在连续培养系统中，微生物细胞的在连续培养系统中，微生物细胞的浓度、比生长速率和环境条件（如浓度、比生长速率和环境条件（如营养物质浓度和产物浓度），均处营养物质浓度和产物浓度），均处于不随时间而变化的
33、稳定状态之下于不随时间而变化的稳定状态之下 第52页，讲稿共72张，创作于星期二连续培养的原理连续培养的原理1、基于细胞量的、基于细胞量的 物物料平衡料平衡细胞的进入速率细胞的流细胞的进入速率细胞的流出速率细胞的出速率细胞的生长速率细胞的死亡速率细生长速率细胞的死亡速率细胞的积累速率胞的积累速率 第53页，讲稿共72张，创作于星期二简化简化后：后：在连续培养系统达到稳定状态在连续培养系统达到稳定状态时时，上式可变为：，上式可变为：第54页，讲稿共72张，创作于星期二在连续培养技术中被称为稀释速率，用符在连续培养技术中被称为稀释速率，用符号号“D”表示表示（等于培养液在罐中平均等于培养液在罐中平
34、均停留时间的倒数）停留时间的倒数）在稳定状态下，细胞的比在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。生长速率等于稀释速率。第55页，讲稿共72张，创作于星期二2 2、基于限制性营养成分的物料平衡、基于限制性营养成分的物料平衡养分进入系统的速率养分流出系统的速率养分进入系统的速率养分流出系统的速率用于生长的养分消耗的速率用于生长的养分消耗的速率用于维持的养分消耗的速率用于维持的养分消耗的速率用于产物形成的养分消耗的速率用于产物形成的养分消耗的速率养分在系统中积累的速率养分在系统中积累的速率第56页，讲稿共72张，创作于星期二在稳定状态下在稳定状态下 ，则以代入上式，以代入上式，得得第57页，讲稿
35、共72张，创作于星期二上式须符合以下假定上式须符合以下假定细胞的得率系数假定与生长速率或稀释速率无关细胞的得率系数假定与生长速率或稀释速率无关细胞的得率系数假定与生长速率或稀释速率无关细胞的得率系数假定与生长速率或稀释速率无关 假定细胞浓度的绝对值假定细胞浓度的绝对值假定细胞浓度的绝对值假定细胞浓度的绝对值 与除限制性营养成分以外的与除限制性营养成分以外的与除限制性营养成分以外的与除限制性营养成分以外的所有营养成分无关所有营养成分无关所有营养成分无关所有营养成分无关 限制性营养成分的细胞得率系数只受限制性养分的影响，限制性营养成分的细胞得率系数只受限制性养分的影响，限制性营养成分的细胞得率系数
36、只受限制性养分的影响，限制性营养成分的细胞得率系数只受限制性养分的影响，但是其它环境因素如但是其它环境因素如但是其它环境因素如但是其它环境因素如pHpH、温度和溶解氧必须维持恒定、温度和溶解氧必须维持恒定、温度和溶解氧必须维持恒定、温度和溶解氧必须维持恒定产率产率产率产率第58页，讲稿共72张，创作于星期二达达到到最最大大的的细细胞胞产产率率的的稀稀释释率率，并并不不等等于于达达到到最最大大的的细细胞胞得得率率时时的的稀稀释释率率。因因此此，过过程程的的最最佳佳化化往往往往必必须须采采取取折折衷衷的的方方法法，要要同同时时考考虑虑到到产产率率、转转化化率率和和流流出出液液的的残留基质浓度。残留
37、基质浓度。第59页，讲稿共72张，创作于星期二分批培养过程与连续培养过程产分批培养过程与连续培养过程产率的比较率的比较第60页，讲稿共72张，创作于星期二分批和连续培养产率的比较分批和连续培养产率的比较分批培养中最分批培养中最大比生长速率大比生长速率 （h h）分批培养中最分批培养中最大比生长速率大比生长速率 （h h）0.050.050.090.090.800.804.64.60.100.100.210.211.01.06.86.80.200.200.530.531.21.29.59.50.400.401.51.5第61页，讲稿共72张，创作于星期二恒化器的实际运行情况与理论恒化器的实际运行
38、情况与理论状态的对比状态的对比碳源限制性恒化器碳源限制性恒化器 受受N或硫酸盐限制的恒化器或硫酸盐限制的恒化器 受受K K、MgMg或磷酸盐限制的恒化器或磷酸盐限制的恒化器非恒化连续培养非恒化连续培养 第62页，讲稿共72张，创作于星期二连续培养过程中的主要问题连续培养过程中的主要问题杂菌污染问题杂菌污染问题 生产菌株突变问题生产菌株突变问题第63页，讲稿共72张，创作于星期二1、杂菌污染问题、杂菌污染问题杂菌污染问题是连续培养中难以解决的问题。杂菌污染问题是连续培养中难以解决的问题。杂菌污染问题是连续培养中难以解决的问题。杂菌污染问题是连续培养中难以解决的问题。要要要要了了了了解解解解污污污
39、污染染染染的的的的杂杂杂杂菌菌菌菌在在在在什什什什么么么么样样样样的的的的条条条条件件件件下下下下会会会会在在在在系系系系统统统统中中中中发发发发展成为主要的微生物群体。展成为主要的微生物群体。展成为主要的微生物群体。展成为主要的微生物群体。在连续发酵过程中，需要长时间连续不断地向发酵在连续发酵过程中，需要长时间连续不断地向发酵在连续发酵过程中，需要长时间连续不断地向发酵在连续发酵过程中，需要长时间连续不断地向发酵系统供给无菌的新鲜空气和培养基，这就不可避免系统供给无菌的新鲜空气和培养基，这就不可避免系统供给无菌的新鲜空气和培养基，这就不可避免系统供给无菌的新鲜空气和培养基，这就不可避免地发生
40、杂菌污染问题。地发生杂菌污染问题。地发生杂菌污染问题。地发生杂菌污染问题。第64页，讲稿共72张，创作于星期二假设连续培养系统被外来的生物假设连续培养系统被外来的生物Y、Z和和W污染，这些污染菌的积累速率可用污染，这些污染菌的积累速率可用以下物料平衡式表示：以下物料平衡式表示：污染菌积累的速率污染菌污染菌积累的速率污染菌进入的速率污染菌流出的进入的速率污染菌流出的速率污染菌生长速率速率污染菌生长速率第65页，讲稿共72张，创作于星期二2.生产菌株突变问题生产菌株突变问题微生物在复制过程中难免会出现差错引起突变，一旦在微生物在复制过程中难免会出现差错引起突变，一旦在微生物在复制过程中难免会出现差
41、错引起突变，一旦在微生物在复制过程中难免会出现差错引起突变，一旦在连续培养系统中的生产菌细胞群体中某一个细胞发生了连续培养系统中的生产菌细胞群体中某一个细胞发生了连续培养系统中的生产菌细胞群体中某一个细胞发生了连续培养系统中的生产菌细胞群体中某一个细胞发生了突变，而且突变的结果使这一细胞获得在给定条件下高突变，而且突变的结果使这一细胞获得在给定条件下高突变，而且突变的结果使这一细胞获得在给定条件下高突变，而且突变的结果使这一细胞获得在给定条件下高速生长的能力，那么它就有可能像杂菌速生长的能力，那么它就有可能像杂菌速生长的能力，那么它就有可能像杂菌速生长的能力，那么它就有可能像杂菌Z Z Z Z
42、一样，取代系一样，取代系一样，取代系一样，取代系统中原来的生产菌株，而使连续发酵过程失败。统中原来的生产菌株，而使连续发酵过程失败。统中原来的生产菌株，而使连续发酵过程失败。统中原来的生产菌株，而使连续发酵过程失败。第66页，讲稿共72张，创作于星期二多种基质的发酵作用多种基质的发酵作用在连续培养中，微生物对多种碳源的利用在连续培养中，微生物对多种碳源的利用是是同时同时进行的。进行的。使菌体同时利用多种碳源的关键因素是使菌体同时利用多种碳源的关键因素是维持低浓度的分解代谢物。连续培养提供了利用维持低浓度的分解代谢物。连续培养提供了利用多种基质的有利条件多种基质的有利条件。第67页，讲稿共72张
43、，创作于星期二混合培养混合培养多种微生物的联合作用构成了混合培养技术多种微生物的联合作用构成了混合培养技术多种微生物的联合作用构成了混合培养技术多种微生物的联合作用构成了混合培养技术 。在一种稳定的混合培养系统中，各种微生物群体的营在一种稳定的混合培养系统中，各种微生物群体的营在一种稳定的混合培养系统中，各种微生物群体的营在一种稳定的混合培养系统中，各种微生物群体的营养需求是各不相同的，而且是相互依赖的。养需求是各不相同的，而且是相互依赖的。养需求是各不相同的，而且是相互依赖的。养需求是各不相同的，而且是相互依赖的。连续培养技术可以建立起这种系统，因为它能创造一种具连续培养技术可以建立起这种系
44、统，因为它能创造一种具连续培养技术可以建立起这种系统，因为它能创造一种具连续培养技术可以建立起这种系统，因为它能创造一种具有高度选择性的只适于某一类微生物生存的条件，而使这有高度选择性的只适于某一类微生物生存的条件，而使这有高度选择性的只适于某一类微生物生存的条件，而使这有高度选择性的只适于某一类微生物生存的条件，而使这类微生物得以积累。类微生物得以积累。类微生物得以积累。类微生物得以积累。第68页，讲稿共72张，创作于星期二三、补料分批发酵三、补料分批发酵补补料料分分批批发发酵酵也也叫叫半半连连续续发发酵酵、半半连连续续培培 养养，流流 加加 发发 酵酵（fed-batch fermenta
45、tion），它它是是以以分分批批培培养养为为基基础础，间间歇歇或或连连续续地地补补加加新新鲜鲜培培养养基基的的一一种发酵方法。种发酵方法。第69页，讲稿共72张，创作于星期二补料分批发酵补料分批发酵 的特点的特点使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使
46、不致于加剧供氧矛盾菌体浓度，使不致于加剧供氧矛盾菌体浓度，使不致于加剧供氧矛盾菌体浓度，使不致于加剧供氧矛盾避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏。避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏。避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏。避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏。不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问题题题题 。第70页，讲稿共72张，创作于星期二第71页，讲稿共72张，创作于星期二感谢大家观看第72页，讲稿共72张，创作于星期二