五發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

研究目的：①進(jìn)行最佳發(fā)酵工藝條件的優(yōu)選和控制，如發(fā)酵過程中菌體濃度、基質(zhì)濃度、溫度、pH值、溶解氧等工藝參數(shù)；②根據(jù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型來設(shè)計(jì)程序，模擬最合適的工藝流程和發(fā)酵工藝參數(shù)，使生產(chǎn)控制達(dá)到自動(dòng)化和最佳化；③為試驗(yàn)工廠數(shù)據(jù)的放大和分批發(fā)酵過渡到連續(xù)發(fā)酵提供理論依據(jù)。第1頁/共85頁第一節(jié)微生物生長(zhǎng)代謝過程中的質(zhì)量平衡一、微生物反應(yīng)(生長(zhǎng)代謝)過程中的碳平衡微生物反應(yīng)通式：碳源＋氮源＋O2→菌體＋產(chǎn)物＋CO2+H2O微生物代謝的化學(xué)分子反應(yīng)可表示為：CHmOn+aNH3+bO2→Yc·CHxOyNz+Ycp·CHuOvNw+(1-Yc-Ycp)CO2+dH2OYc：是與碳相關(guān)的菌體得率，Ycp：是與碳相關(guān)的代調(diào)產(chǎn)物的得率。第2頁/共85頁根據(jù)反應(yīng)平衡原理有：a＝Y(jié)c·z+Ycp·wb＝(1-Yc-Ycp+m/4-n/2)+(Ycp/4)·(2v+3w-u)+(Yc/4)(2y+3z-x)d＝m/2+(Ycp/2)(3w-u)+(Yc/2)(3z-x)10-2式第3頁/共85頁1、最低培養(yǎng)基與完全培養(yǎng)基

(1)二者的概念；最低培養(yǎng)基：培養(yǎng)基是由單一碳源葡萄糖與無機(jī)鹽組成，葡萄糖在微生物生長(zhǎng)過程即作為生長(zhǎng)所需能源，又作為構(gòu)成菌體的材料完全培養(yǎng)基：在培養(yǎng)基內(nèi)不但含有碳源和無機(jī)鹽，還含有構(gòu)成菌體所需的材料，如酵母膏等

(2)微生物對(duì)兩種培養(yǎng)基的用途不同。第4頁/共85頁第5頁/共85頁第6頁/共85頁2、代謝過程中基質(zhì)和產(chǎn)物之間的C素平衡根據(jù)基質(zhì)的變化情況可建立如下平衡關(guān)系：

CS=CX+CP+CCO2如果用α1、α2、α3、α4表示基質(zhì)、菌體、CO2、產(chǎn)物中碳的含量(g碳/mol)

則，上述平衡也可表示為：第7頁/共85頁（微生物的基質(zhì)消耗比速）（微生物的生長(zhǎng)比速）（微生物的CO2生成比速）（微生物的產(chǎn)物生成比速）若定義：則，上式可簡(jiǎn)化為：第8頁/共85頁由上式可以判斷代謝途徑：此值接近1，說明估計(jì)途徑基本正確；小于0.6，則途徑有誤差。第9頁/共85頁3、微生物生長(zhǎng)過程中的主要基質(zhì)——碳平衡在以糖為碳源的生長(zhǎng)過程中，消耗的碳(△S)主要用來：(1)滿足菌體生長(zhǎng)(個(gè)體增加)的需要，(△S)G；(2)維持菌體生存(能量)的消耗，(△S)m

；(3)轉(zhuǎn)變?yōu)榇x產(chǎn)物所消耗，(△S)P

；則可表示為：第10頁/共85頁若用YG—表示用于微生物生長(zhǎng)的部分碳源對(duì)菌體的得率常數(shù)；m—表示微生物的碳源維持常數(shù)；YP

—表示用于微生物產(chǎn)物合成部分碳源對(duì)代謝產(chǎn)物的得率常數(shù)；則有第11頁/共85頁所以：-------------式（10-7）在以細(xì)胞為目的產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)中，如果忽略代謝產(chǎn)物的量，則有：第12頁/共85頁mμ(h-1)YG－1用μ對(duì)ν作圖，得直線，可求得維持常數(shù)m，用于微生物生長(zhǎng)的碳源對(duì)菌體的得率常數(shù)YG的倒數(shù)。如下圖所示：第13頁/共85頁若定義YX/S為基質(zhì)對(duì)菌體的得率，即：則：而：?第14頁/共85頁即有：用μ-1對(duì)作圖，也得直線。YG－1斜率＝mμ-1第15頁/共85頁4、細(xì)胞物質(zhì)生產(chǎn)過程中碳源的化學(xué)平衡

YG越接近YX/S，說明碳源轉(zhuǎn)化為菌體的效率越高。注意理解YX/S與YG的區(qū)別5、微生物生長(zhǎng)過程中進(jìn)行碳衡算的意義(1)為提高生產(chǎn)水平提供依據(jù)。(2)為建立發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型奠定基礎(chǔ)。(3)為探求X的代謝調(diào)控方式打下基礎(chǔ)。第16頁/共85頁二、生長(zhǎng)代謝過程中的ATP循環(huán)與氧平衡1、ATP循環(huán)合成代謝分解代謝維持代謝ATPADP繁殖第17頁/共85頁第18頁/共85頁2、ATP的產(chǎn)生——生物氧化底物水平磷酸化(獲得能量少)

電子傳遞水平磷酸化(獲得能量多)第19頁/共85頁底物水平磷酸化第20頁/共85頁H2OPi底物水平磷酸化第21頁/共85頁NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c-c1-aa3

FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸

FeS2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸第22頁/共85頁3、微生物生長(zhǎng)代謝過程中的氧平衡根據(jù)單一碳源培養(yǎng)基內(nèi)，可建立下列平衡：

A(-△S)=B(△X)+C(△P)+(△O2)式中：A、B、C分別為對(duì)應(yīng)物質(zhì)完全氧化時(shí)的需氧量.△O2

為微生物生長(zhǎng)代謝的耗氧量由此可得到M培養(yǎng)時(shí)氧平衡式為（假設(shè)沒有產(chǎn)物生成）：即：-------------式（10-10）第23頁/共85頁△O2單位時(shí)間內(nèi)維持生命活動(dòng)的耗氧：m0X△t生長(zhǎng)菌體的耗氧：△X/YGOYGO用于菌體生長(zhǎng)的氧對(duì)菌體的得率則有：△O2＝m0X△t＋△X/YGO-----（10-11）根據(jù)定義并結(jié)合10-11式，有：-------------式（10-12）X第24頁/共85頁m0μ(h-1)YGO－1當(dāng)：由實(shí)驗(yàn)求得微生物的某一生長(zhǎng)比速μ對(duì)其所對(duì)應(yīng)的耗氧比速Q(mào)o2作圖時(shí)，可得到一直線(如下圖所示)，可確定相應(yīng)的參數(shù)mo和1/YGO。第25頁/共85頁-------------式（10-7）-------------式（10-13）同時(shí)，前面可知第26頁/共85頁由（10-13）和（10-7）式可得有：第27頁/共85頁第二節(jié)微生物生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型的建立酶反應(yīng)服從米氏方程：第28頁/共85頁微生物葡萄糖的比消耗速率與限制性底物濃度的關(guān)系也類似于米氏方程，即：式中：νmax—葡萄糖最大的消耗比速；

KS—飽和常數(shù)；式(1)研究發(fā)現(xiàn)：微生物連續(xù)培養(yǎng)過程以葡萄糖作為限制性基質(zhì)，其濃度的倒數(shù)1/[S]與葡萄糖比消耗速率的倒數(shù)1/ν呈線性關(guān)系；葡萄糖濃度[S]與其比消耗速率v的關(guān)系呈飽和曲線。第29頁/共85頁由基質(zhì)消耗對(duì)細(xì)胞得率YX/S定義：有：根據(jù)μ的定義有：第30頁/共85頁該式就是Monod方程，式中：μmax：最大比生長(zhǎng)速率(h-1)。KS：為飽和常數(shù)，表示菌體對(duì)基質(zhì)的親和力的大小。[S]：限制性基質(zhì)濃度第31頁/共85頁Monod式的生物學(xué)意義：1、μmax、KS：

(1)特定M，確定培養(yǎng)條件，μmax、KS是定值，體現(xiàn)M的特性;(2)不同M，μmax、KS不同，但：μmax變化小，而KS變化大。

(3)同種M，在不同S中，μmax、KS值不同。KS↑,親和力↓，M對(duì)基質(zhì)越不敏感；反之親和力大，敏感。（4）KS數(shù)值上等于生長(zhǎng)比速達(dá)到最大生長(zhǎng)比速一半時(shí)的基質(zhì)濃度第32頁/共85頁

KS越大，表示微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸引親和力越小，反之越大。對(duì)于許多微生物來說，KS值是很小的，一般為0.1~120mg/l或0.01~3.0mmol/l，這表示微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有較高的吸收親和力。第33頁/共85頁2、S濃度變化對(duì)μ的影響(1)S很小(S<<KS)時(shí)，S＋KS≈KS，(2)當(dāng)S增大，μ與S漸不成正比；，μ與S成正比。(3)當(dāng)(S>>KS)時(shí)，KS＋S≈S,μ=μmax。第34頁/共85頁限制性基質(zhì)濃度與微生物生長(zhǎng)比速之間的關(guān)系第35頁/共85頁斜率Monod方程式雙倒數(shù)圖第36頁/共85頁微生物生長(zhǎng)的發(fā)酵過程，同樣存在抑制作用。競(jìng)爭(zhēng)性抑制：非競(jìng)爭(zhēng)性抑制：第37頁/共85頁第三節(jié)微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)一般說來，M生長(zhǎng)培養(yǎng)和發(fā)酵方式有分批發(fā)酵：底物一次裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過一定時(shí)間后將全部反應(yīng)系取出。連續(xù)發(fā)酵：反應(yīng)開始后，一方面把底物連續(xù)地供給到反應(yīng)器中，另一方面又把反應(yīng)液連續(xù)不斷地取出，使反應(yīng)條件不隨時(shí)間變化。補(bǔ)料發(fā)酵:是指先將一定量底物裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種使反應(yīng)開始。反應(yīng)過程中，將特定的限制性底物送入反應(yīng)器，以控制罐內(nèi)限制性底物濃度保持一定，反應(yīng)終止取出反應(yīng)體系。第38頁/共85頁一、微生物分批發(fā)酵生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)1、分批發(fā)酵的不同階段：時(shí)間菌體濃度延遲期指數(shù)生長(zhǎng)期減速期靜止期衰亡期延遲期：指數(shù)生長(zhǎng)期:減速期:靜止期：衰亡期:第39頁/共85頁

(1)

停滯期停滯期是微生物細(xì)胞適應(yīng)新環(huán)境的過程。接種物的生理狀態(tài)和濃度影響停滯期的長(zhǎng)短。解決途徑：一是盡量選擇處于指數(shù)生長(zhǎng)期的種子。二是擴(kuò)大接種量。但是，如果要擴(kuò)大接種量，又往往需要多級(jí)擴(kuò)大制種，這不僅增加了發(fā)酵的復(fù)雜程度，又容易造成雜菌污染，故而應(yīng)從多方面考慮。第40頁/共85頁

(2)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率大大加快，單位時(shí)間內(nèi)細(xì)胞的數(shù)目或質(zhì)量的增加維持穩(wěn)定，并達(dá)到最大值。此時(shí)，如以細(xì)胞數(shù)目或生物質(zhì)量的對(duì)數(shù)值對(duì)培養(yǎng)時(shí)圖，將得一直線，該直線的斜率就等于μ。第41頁/共85頁細(xì)胞濃度增長(zhǎng)一倍所需時(shí)間稱為倍增時(shí)間(doublingtime)或增代時(shí)間(generationtime)，

微生物細(xì)胞的倍增時(shí)間較短。細(xì)菌一般為0.25-1h，酵母菌約為1.15-2h;霉菌約為2-6.9h；

動(dòng)植物細(xì)胞的倍增時(shí)間較長(zhǎng)，如哺乳動(dòng)物細(xì)胞的td一般為15-100h；植物細(xì)胞約為24-74h。第42頁/共85頁例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的μmax，Ks和td?解：將數(shù)據(jù)整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221第43頁/共85頁μmax，＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.624h第44頁/共85頁微生物的最大比生長(zhǎng)速率在工業(yè)上的意義為保證工業(yè)發(fā)酵的正常周期，要盡可能地使微生物的比生長(zhǎng)速率接近其最大值。最大比生長(zhǎng)速率不僅與微生物本身的性質(zhì)有關(guān)，也與所消耗的底物以及培養(yǎng)的方式有關(guān)。限制微生物生長(zhǎng)代謝的并不是發(fā)酵液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度，而是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的速度。第45頁/共85頁

(3)穩(wěn)定期在細(xì)胞生長(zhǎng)代謝過程中，培養(yǎng)基中的底物不斷被消耗，一些對(duì)微生物生長(zhǎng)代謝有害的物質(zhì)在不斷積累。受此影響，微生物的生長(zhǎng)速率和比生長(zhǎng)速率就會(huì)逐漸下降，直至完全停止，這時(shí)就進(jìn)入穩(wěn)定期。處于穩(wěn)定期的生物量增加十分緩慢或基本不變；但微生物細(xì)胞的代謝還在旺盛地進(jìn)行著，細(xì)胞的組成物質(zhì)還在不斷變化。微生物的很多代謝產(chǎn)物，尤其是次級(jí)代謝產(chǎn)物，是在進(jìn)入穩(wěn)定期后才大量合成和分泌的。第46頁/共85頁

(4)衰亡期在衰亡期，細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能源儲(chǔ)備已消耗殆盡，不能再維持細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝，因而細(xì)胞開始死亡。在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中．在進(jìn)入衰亡期之前應(yīng)及時(shí)將發(fā)酵液放罐處理。第47頁/共85頁2、微生物生長(zhǎng)速度的動(dòng)力學(xué)方程比生長(zhǎng)速率受限制性基質(zhì)濃度的影響。二者之間的關(guān)系由Monod式描述：當(dāng)存在多種限制性營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)時(shí)，方程可改為:如果所有營(yíng)養(yǎng)物過量，也無抑制性因素時(shí)，細(xì)胞生長(zhǎng)可處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，可達(dá)到μ=μmax。第48頁/共85頁二、營(yíng)養(yǎng)利用和產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)1.反應(yīng)速度方程式的推導(dǎo)F,S0,X0V,S,X，PF',S,X,PF,F’：基質(zhì)流量(L/h)；X：細(xì)胞濃度(g菌體/L)；V：發(fā)酵液體積(L);S0：流入基質(zhì)濃度(g基質(zhì)/L)S：流出基質(zhì)濃度(g基質(zhì)/L)YX/S：基質(zhì)的菌體得率(g菌體/g基質(zhì))YP/S：基質(zhì)的產(chǎn)物得率(g產(chǎn)物/g基質(zhì))QP：比產(chǎn)物生成速率(g產(chǎn)物/g菌體.h)P：發(fā)酵液中產(chǎn)物濃度(g產(chǎn)物/L);第49頁/共85頁根據(jù)體系物料平衡原理有：(1)菌體增長(zhǎng)：(2)限制性基質(zhì)消耗（3）產(chǎn)物生成第50頁/共85頁菌體濃度變化：產(chǎn)物濃度變化：對(duì)于分批發(fā)酵，F(xiàn)，F(xiàn)’＝0，考慮產(chǎn)物不分解，則分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)為：第51頁/共85頁二、補(bǔ)料分批培養(yǎng)間歇補(bǔ)料操作連續(xù)補(bǔ)料操作按操作方式高底物濃度的優(yōu)缺點(diǎn)提高底物濃度可以延長(zhǎng)微生物的指數(shù)生長(zhǎng)期，從而提高發(fā)酵的設(shè)備利用率、容積產(chǎn)量和產(chǎn)物的積累濃度；但過高的底物濃度往往會(huì)引起一系列的不利影響，如底物抑制、粘度升高引起的傳質(zhì)效率降低等。尤為嚴(yán)重的是，微生物的許多次級(jí)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，都受高濃度的葡萄糖、碳水化合物以及含氮化合物的降解產(chǎn)物的抑制。第52頁/共85頁1、單一補(bǔ)料分批培養(yǎng)所謂分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)，就是指在分批培養(yǎng)伊始，投入較低濃度的底物，然后在發(fā)酵過程中，當(dāng)微生物開始消耗底物后，再以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)加一定的物料，使培養(yǎng)基中的底物濃度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在一定范圍內(nèi)，以維持微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成，并避免不利因素的產(chǎn)生，從而達(dá)到提高容積產(chǎn)量、產(chǎn)物濃度和產(chǎn)物得率的目的。特點(diǎn)由于在發(fā)酵過程中向發(fā)酵罐中補(bǔ)加了物料，分批補(bǔ)料系統(tǒng)不再是一個(gè)封閉的系統(tǒng)。分批補(bǔ)料系統(tǒng)不向罐外放出發(fā)酵液，因而發(fā)酵罐內(nèi)的培養(yǎng)基體積不再是個(gè)常數(shù)，而是隨時(shí)間和物料流速而變化的變量。第53頁/共85頁流加發(fā)酵反應(yīng)器中細(xì)胞、基質(zhì)和產(chǎn)物總量的變化速率：第54頁/共85頁細(xì)胞總量的變化率如果進(jìn)行恒速流量為F，則設(shè)同理可得基質(zhì)和產(chǎn)物濃度的變化率第55頁/共85頁隨著培養(yǎng)基的流加，細(xì)胞濃度逐漸增大，限制性基質(zhì)濃度逐漸減小，最后限制性基質(zhì)濃度趨向零，而細(xì)胞濃度則趨于定值,dS/dt=0，dX/dt≈0,進(jìn)入擬穩(wěn)態(tài)。這時(shí)μ≈D。

連續(xù)補(bǔ)料分批培養(yǎng)數(shù)屬半恒穩(wěn)狀態(tài)（擬穩(wěn)態(tài)），與恒穩(wěn)狀態(tài)μ＝D不同。在半恒穩(wěn)狀態(tài)下有：因培養(yǎng)液體積在逐漸增大，所以稀釋率和比生長(zhǎng)速率漸漸減小。

第56頁/共85頁2、補(bǔ)料分批培養(yǎng)應(yīng)用：

以某些很容易被微生物利用的物質(zhì)（如葡萄糖）作為碳源時(shí)，其某些分解代謝物會(huì)使細(xì)胞某些酶的合成受到阻遏；

采用補(bǔ)料的手段將葡萄糖逐漸加入反應(yīng)器中，使發(fā)酵液中的葡萄糖保持在低水平，避免分解代謝物的積累，從而可以有效去阻遏。1）細(xì)胞的高密度培養(yǎng)

一般培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度有一定的限度，過高的底物濃度會(huì)抑制菌體的生長(zhǎng)；

采用補(bǔ)料的方法將高濃度的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸加入反應(yīng)器，可使發(fā)酵液中的菌體濃度達(dá)到很高的程度，如大腸桿菌濃度可達(dá)145g/L。2）發(fā)生底物抑制的過程一些微生物能利用甲醇、乙醇、乙酸、某些芳香族化合物等，但它們?cè)谳^高濃度下會(huì)對(duì)菌體的生產(chǎn)產(chǎn)生抑制。3）分解代謝物阻遏4）營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的培養(yǎng)

一些營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株可以積累某種有用產(chǎn)物，如氨基酸、核苷、核苷酸等，利用這些菌株進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)須補(bǔ)充其不能合成的物質(zhì)供生產(chǎn)所需；但這些物質(zhì)過量存在時(shí)，可能產(chǎn)生反饋抑制或阻遏作用，影響產(chǎn)物的合成。采用補(bǔ)料的方法可將這些物質(zhì)保持在低濃度水平，有助于提高產(chǎn)物的生產(chǎn)。5）前體的補(bǔ)充

在一些發(fā)酵過程中，加入前體可使產(chǎn)物的生產(chǎn)大大增加；

但許多前體對(duì)菌體有毒性；

通過補(bǔ)料加入前體既滿足產(chǎn)物合成的需要，又不使前體大量積累而產(chǎn)生抑制作用。第57頁/共85頁(一)連續(xù)培養(yǎng)設(shè)備類型均勻混合反應(yīng)器恒化器恒濁器連續(xù)培養(yǎng)設(shè)備活塞流反應(yīng)器

1．均勻混合的生物反應(yīng)器在這種反應(yīng)器中，培養(yǎng)基經(jīng)攪拌而混合均勻，反應(yīng)器中的各部分培養(yǎng)基間不存在濃度梯度。操作：對(duì)數(shù)期后期，以一定的速度流進(jìn)新鮮培養(yǎng)基，同時(shí)以溢流方式流出培養(yǎng)液，使培養(yǎng)物達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

三、連續(xù)培養(yǎng)第58頁/共85頁(1)恒化器

是一種使培養(yǎng)液流速保持不變，并使微生物始終在低于其最高生長(zhǎng)速率條件下進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖的一種連續(xù)培養(yǎng)裝置。稱為外控制式的連續(xù)培養(yǎng)裝置，通過控制某一種營(yíng)養(yǎng)物的濃度，使其始終成為生長(zhǎng)限制因子的條件下達(dá)到的穩(wěn)態(tài)連續(xù)培養(yǎng)。這樣，既可獲得一定生長(zhǎng)速率的均一菌體，又可獲得雖低于最高菌體產(chǎn)量，卻保持穩(wěn)定菌體密度的菌體。在恒化器中，一方面菌體密度會(huì)隨時(shí)間增長(zhǎng)而增高，另一方面，限制生長(zhǎng)因子的濃度又會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，兩者互相作用的結(jié)果，出現(xiàn)微生物的生長(zhǎng)速率正好與恒速流入的新鮮培養(yǎng)基流速相平衡。第59頁/共85頁第60頁/共85頁(2)恒濁器是根據(jù)培養(yǎng)器內(nèi)微生物的生長(zhǎng)密度，并借光電控制系統(tǒng)來控制培養(yǎng)液流速，以取得菌體密度高、生長(zhǎng)速度恒定的微生物細(xì)胞的連續(xù)培養(yǎng)器?？煞Q為內(nèi)控制式的連續(xù)培養(yǎng)裝置，當(dāng)培養(yǎng)基的流速低于微生物生長(zhǎng)速度時(shí)，菌體密度增高，這時(shí)通過光電控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，可促使培養(yǎng)液流速加快，反之亦然，并以此來達(dá)到恒密度的目的。因此，這類培養(yǎng)器的工作精度是由光電控制系統(tǒng)的靈敏度來決定的。在恒濁器中的微生物，始終能以最高生長(zhǎng)速率進(jìn)行生長(zhǎng)，并可在允許范圍內(nèi)控制不同的菌體密度。在生產(chǎn)實(shí)踐上，為了獲得大量菌體或與菌體生長(zhǎng)相平行的某些代謝產(chǎn)物如乳酸、乙醇時(shí)，都可以利用恒濁器。第61頁/共85頁群體生長(zhǎng)速率與臨界底物濃度的關(guān)系第62頁/共85頁恒濁器與恒化器的比較裝置控制對(duì)象培養(yǎng)基培養(yǎng)基流速恒濁器菌體密度（內(nèi)控制）無限制生長(zhǎng)因子不恒定恒化器培養(yǎng)基流速（外控制）有限制生長(zhǎng)因子恒定第63頁/共85頁

2，活塞流反應(yīng)器這是一種不均一的管狀反應(yīng)器，培養(yǎng)基由反應(yīng)器的一端流入，而從另一端流出。在這種反應(yīng)器中，沒有返混現(xiàn)象，因而，反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基呈極化狀態(tài)，在其不同的部位，營(yíng)養(yǎng)物的成分、細(xì)胞數(shù)目、傳質(zhì)效果、氧供應(yīng)和生產(chǎn)量都不相同。對(duì)于這類反應(yīng)器，在其入口處，加入物料的同時(shí)也必須加入微生物細(xì)胞。通常是在反應(yīng)器的出口處裝一支路，使細(xì)胞返回，也可以來自另一連續(xù)培養(yǎng)裝置(種子供應(yīng)系統(tǒng))。第64頁/共85頁管道非均勻混合連續(xù)發(fā)酵第65頁/共85頁連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)：1）省去了反復(fù)放料、清洗、裝料、滅菌等步驟，避免了延遲期，提高設(shè)備的利用率和單位時(shí)間產(chǎn)量。2）發(fā)酵中各參數(shù)趨于恒值，便于自動(dòng)控制；3）易于分期控制，可以在不同罐中控制不同的條件。第66頁/共85頁連續(xù)培養(yǎng)在生產(chǎn)上的應(yīng)用還很有限的原因①許多方法只能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)20一200小時(shí)，而工業(yè)系統(tǒng)則要求必須能穩(wěn)定運(yùn)行500一1000小時(shí)以上；②工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間保持無菌狀態(tài)有一定困難；③連續(xù)培養(yǎng)所用培養(yǎng)基的組成要保持相對(duì)穩(wěn)定，這樣才能取得最大產(chǎn)量，而工業(yè)培養(yǎng)基的組成成分，如玉米漿、蛋白胨和淀粉等，在批與批之間有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大變化；④當(dāng)使用高產(chǎn)菌株進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，回復(fù)突變可能發(fā)生。在連續(xù)培養(yǎng)過程中，回復(fù)突變的菌株有可能會(huì)取代生產(chǎn)菌株而成為優(yōu)勢(shì)菌株。⑤對(duì)于某些原材料價(jià)格昂貴的產(chǎn)品，由于連續(xù)發(fā)酵對(duì)基質(zhì)利用率較低，往往造成生產(chǎn)成本的增加。第67頁/共85頁（二）連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)物料衡算積累速率＝流入速率-流出速率-反應(yīng)消耗速率S：限制性底物濃度（g/L）X：菌體濃度（g/L）P：產(chǎn)物濃度（g/L）V：培養(yǎng)液體積（L）F：培養(yǎng)基體積流率（L/h）假定：培養(yǎng)(發(fā)酵)是在理想狀態(tài)下進(jìn)行。(1)物料進(jìn)罐就混合均勻；(2)罐內(nèi)無菌體死亡；F,S0,X0V,S,X,PF,S,X,P第68頁/共85頁1、細(xì)胞衡算：對(duì)于連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)，細(xì)胞平衡為：在流加新鮮培養(yǎng)基和忽略細(xì)胞死亡的情況下，則有：流量與培養(yǎng)液體積之比稱為稀釋率，用D(1/時(shí)間)表示：第69頁/共85頁要使連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必有：

μ是一個(gè)表示M性質(zhì)的參數(shù)；

D是一個(gè)操作參數(shù)；單罐連續(xù)培養(yǎng)：在一定范圍內(nèi)，人為調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的流加速率，可以使細(xì)胞按所希望的比生長(zhǎng)速率來生長(zhǎng)。第70頁/共85頁2、限制性基質(zhì)物料平衡穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)：在這種情況下，細(xì)胞濃度為：+第71頁/共85頁2、限制性基質(zhì)物料平衡細(xì)胞濃度為：由Monod式可知：第72頁/共85頁3、產(chǎn)物衡算恒穩(wěn)狀態(tài)時(shí)：則有：第73頁/共85頁Dc：流出液中的基質(zhì)濃度與流入液流中的基質(zhì)濃度相等時(shí)的最小稀釋率（S=S0）。此時(shí)可能達(dá)到的比生長(zhǎng)速率μ，

當(dāng)D>Dc時(shí)，稀釋率超出臨界稀釋率，細(xì)胞的生長(zhǎng)速率跟不上稀釋速率，反應(yīng)器中的細(xì)胞濃度不斷降低，最后細(xì)胞從反應(yīng)器中被洗出(washout)。

當(dāng)D<Dc時(shí)，反應(yīng)器中限制性基質(zhì)的穩(wěn)態(tài)濃度S：4、臨界稀釋速率第74頁/共85頁連續(xù)培