第五章發(fā)酵動(dòng)力學(xué).ppt

1、第五章 發(fā)酵動(dòng)力學(xué),第一節(jié) 微生物反應(yīng)過(guò)程概論,一、微生物反應(yīng)過(guò)程的主要特征 1、微生物是該反應(yīng)過(guò)程的主體：是生物催化劑，又是一微小的反應(yīng)容器。 2、微生物反應(yīng)的本質(zhì)是復(fù)雜的酶催化反應(yīng)體系。酶能夠進(jìn)行再生產(chǎn)。,輔酶Q10體內(nèi)轉(zhuǎn)化前體,枯草芽胞桿菌分泌胞外淀 粉酶,3、微生物反應(yīng)是非常復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程 （1）反應(yīng)體系中有細(xì)胞的生長(zhǎng)，基質(zhì)消耗和產(chǎn)物的生成，有各自的最佳反應(yīng)條件。 （2）微生物反應(yīng)有多種代謝途徑。 （3）微生物反應(yīng)過(guò)程中，細(xì)胞形態(tài)、組成要經(jīng)歷生長(zhǎng)、繁殖、維持、死亡等若干階段，不同菌齡，有不同的活性。,二、微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的描述方法,細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 反應(yīng)基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué) 代謝產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)

2、 發(fā)酵過(guò)程：包括細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)，胞內(nèi)與胞外的物質(zhì)交換，胞外物質(zhì)傳遞及反應(yīng)。,1、發(fā)酵過(guò)程特點(diǎn),多相：氣相、液相和固相 多組分：培養(yǎng)基中多種營(yíng)養(yǎng)成分，多種代謝產(chǎn)物，細(xì)胞內(nèi)也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。 非線性：細(xì)胞代謝過(guò)程用非線性方程描述。 復(fù)雜群體的生命活動(dòng),2、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)描述的簡(jiǎn)化,動(dòng)力學(xué)是對(duì)細(xì)胞群體的動(dòng)力學(xué)行為的描述 不考慮細(xì)胞之間的差別，而是取性質(zhì)上的平均值，在此基礎(chǔ)上建立的模型稱為確定論模型； 如果考試每個(gè)細(xì)胞之間的差別，則建立的模型為概率論模型。 如果在考慮細(xì)胞組成變化的基礎(chǔ)上建立的模型，稱為結(jié)構(gòu)模型，一般選取RNA、DNA、糖類及蛋白含量做為過(guò)程變量。 菌體視為單組分

3、的模型為非結(jié)構(gòu)模型。 通過(guò)物料平衡建立超經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)模型。,如果細(xì)胞內(nèi)的各種成分均以相同的比例增加，稱為均衡生長(zhǎng)。 如果由于各組分的合成速率不同而使各組分增加比例不同，稱為非均衡生長(zhǎng)。 生長(zhǎng)模型的簡(jiǎn)化考慮一般采用均衡生長(zhǎng)的非結(jié)構(gòu)模型。 將細(xì)胞作為與培養(yǎng)液分離的生物相處理所建立的模型為分離化模型。在細(xì)胞濃度很高時(shí)采用。 如果把細(xì)胞和培養(yǎng)液視為一相，建立的模型為均一化模型。,非結(jié)構(gòu)模型,結(jié)構(gòu)模型,確定論模型,最理想情況 不考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu) 各種細(xì)胞均一 細(xì)胞群體做為一種溶質(zhì) A,細(xì)胞之間無(wú)差異，是均一的，細(xì)胞內(nèi)有多個(gè)組分存在。 B,均衡生長(zhǎng),概率論模型,考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu) 各種細(xì)胞不均一 C,

4、實(shí)際情況： 細(xì)胞內(nèi)多組分； 細(xì)胞之間不均一 D,不均衡生長(zhǎng),對(duì)細(xì)胞群體的描述模型匯總,三、研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的步驟、方法和內(nèi)容,1、研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的步驟 （1）為了獲得發(fā)酵過(guò)程變化的第一手資料，要盡可能尋找能反映過(guò)程變化的各種理化參數(shù)。 （2）將各種參數(shù)變化和現(xiàn)象與發(fā)酵代謝規(guī)律聯(lián)系起來(lái)，找出它們之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律。 （3）建立各種數(shù)學(xué)模型以描述各參數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系。 （4）通過(guò)計(jì)算機(jī)的在線控制，反復(fù)驗(yàn)證各種模型的可行性與適用范圍。,2、過(guò)程控制和監(jiān)測(cè),Fermentation time (h),3、研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的目的,（1）確定最佳發(fā)酵工藝條件 （2）建立發(fā)酵過(guò)程中菌體濃度、基質(zhì)濃度、溫

5、度、pH、溶氧等工藝參數(shù)的控制方案 （3）可在此研究基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)選。,4、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容,主要包括：細(xì)胞生長(zhǎng)和死亡動(dòng)力學(xué)，基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)，氧消耗動(dòng)力學(xué)，CO2生成動(dòng)力學(xué)，產(chǎn)物合成和降解動(dòng)力學(xué)，代謝熱生成動(dòng)力學(xué)等。 以上各方面不是孤立的，而是既相互依賴又相互制約，構(gòu)成錯(cuò)綜復(fù)雜、豐富多彩的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)體系。,四、微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)（以分批發(fā)酵為例討論）,1、得率(或產(chǎn)率，轉(zhuǎn)化率，Y) ：是指被消耗的物質(zhì)和所合成產(chǎn)物之間的量的關(guān)系。 生長(zhǎng)得率（或稱細(xì)胞得率）：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)(一般指碳源)所產(chǎn)生的菌體重(g) 。,產(chǎn)物得率：,細(xì)胞生長(zhǎng)速率rx：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)細(xì)胞（菌體）重量的變化； 基質(zhì)

6、消耗速率rs：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)基質(zhì)的變化(一般指碳源)的變化量。,細(xì)胞得率的單位是g細(xì)胞/g基質(zhì)。這里的細(xì)胞是指干細(xì)胞。 實(shí)際生產(chǎn)中，細(xì)胞得率是一個(gè)較重要的概念，比如，在單細(xì)胞蛋白（Single Cell Protein，SCP）生產(chǎn)中，選用相對(duì)于基質(zhì)細(xì)胞得率高的菌株是必要的。,部分菌體得率與產(chǎn)物得率,2、微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率和比生長(zhǎng)速率,在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)物豐富，因而在一段時(shí)間內(nèi)細(xì)胞生長(zhǎng)不受限制，生長(zhǎng)速率維持恒定，與營(yíng)養(yǎng)物濃度無(wú)關(guān)。因此，細(xì)胞濃度的變化率與細(xì)胞濃度成正比：以下式表示這種關(guān)系,式中： X-細(xì)胞濃度，g/L; t-時(shí)間，h；-比生長(zhǎng)速率，h-1 是細(xì)胞濃度的瞬時(shí)最大速率和細(xì)胞濃度

7、的比例常數(shù)，即單位重量菌體的瞬時(shí)增量。它與細(xì)胞種類、培養(yǎng)溫度、pH、培養(yǎng)基組成和限制性基質(zhì)濃度有關(guān)，反映了對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞生長(zhǎng)的快慢。,微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間菌體的變化量,（5-1）,定義式為,比生長(zhǎng)速率：是菌體的生長(zhǎng)速率除以菌體濃度，在平衡條件下，比生長(zhǎng)速率的定義為：,比生長(zhǎng)速率除受細(xì)胞自身遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素的影響。,上式積分：,（5-2a）,（5-2c）,（5-2b）,5-2b得出，微生物細(xì)胞生長(zhǎng)（增量）的自然對(duì)數(shù)與時(shí)間呈直線關(guān)系，其斜率為,在單細(xì)胞微生物的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，生長(zhǎng)速率達(dá)到最大值，群體細(xì)胞以幾何倍數(shù)增加，當(dāng)細(xì)胞群體增加一倍時(shí)，所需的時(shí)間（td），稱倍增時(shí)間，用于描述

8、微生物的生長(zhǎng)狀況。（遲滯期后）,某些微生物的世代時(shí)間,例題,例題：以乙醇為唯一碳源進(jìn)行產(chǎn)氣桿菌培養(yǎng)，菌體初始濃度X0=0.1kg/m3，培養(yǎng)至3.2h，菌體濃度為8.44kg/m3，如果不考慮延遲期，比生長(zhǎng)速率一定，求倍增時(shí)間td,lnX= t+lnX0 Ln2=td,3、生長(zhǎng)的非結(jié)構(gòu)模型,根據(jù)T suchiya理論可分類 確定論的非結(jié)構(gòu)模型 確定論的結(jié)構(gòu)模型 概率論的非結(jié)構(gòu)模型 概率論的結(jié)構(gòu)模型 從工程角度看，理想的微生物生長(zhǎng)模型應(yīng)具備下列條件 要明確建立模型的目的 明確地給出建立模型的假定條件 希望所含有的參數(shù)，能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)逐個(gè)確定 模型應(yīng)盡可能地簡(jiǎn)單,4、微生物生長(zhǎng)模型方程,一個(gè)現(xiàn)代化學(xué)

9、者應(yīng)注意微生物群體生長(zhǎng)的合理數(shù)學(xué)模型。 群體的生長(zhǎng)改變了群體所處的環(huán)境，反之，群體所處的環(huán)境又促進(jìn)群體的生長(zhǎng)速率發(fā)生變化。 假設(shè)一定數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)成分(培養(yǎng)基)用來(lái)合成新群體的組成，并進(jìn)一步假定群體數(shù)量的繁殖速率與菌體密度和培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)成分的濃度乘積呈正比。 根據(jù)這些假說(shuō)，僅取決于限制性基質(zhì)的濃度S，此時(shí)，微生物生長(zhǎng)速率隨著限制性基質(zhì)的濃度的變化而呈拋物線型變化。 目前常使用確定論的非結(jié)構(gòu)模型是Monod方程,不是所有微生物的生長(zhǎng)都符合方程：,（1）Monod方程建立的基本假設(shè),微生物利用碳?xì)浠衔飼r(shí)dX/dt是常數(shù)，絲狀真菌（霉菌、放線菌）進(jìn)行頂端生長(zhǎng)，由于物質(zhì)在細(xì)胞組織中擴(kuò)散，其生長(zhǎng)速率也不符

10、合上述方程。,1942年，Monod首先提出分批發(fā)酵中比生長(zhǎng)速率與限制性營(yíng)養(yǎng)物濃度之間的關(guān)系符合方程：,式中：S限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，g/L； max 最大比生長(zhǎng)速率；Ks底物利用常數(shù)。,例題：乙醇為唯一碳源進(jìn)行面包酵母培養(yǎng)，獲得如下數(shù)據(jù)：Sg/l 0.40 0.33 0.18 0.10 0.071 0.049 0.038 0.020 0.014h-10.161 0.169 0.169 0.149 0.133 0.135 0.112 0.0909 0.0735求max 和Ks。,變形,max 和Ks的求解,微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué),（1）Monod方程建立的基本假設(shè),微生物生長(zhǎng)中，生長(zhǎng)培養(yǎng)基中只有一種物

11、質(zhì)的濃度（其它組分過(guò)量）會(huì)影響其生長(zhǎng)速率，這種物質(zhì)被稱為限制性(生長(zhǎng))基質(zhì)。并且認(rèn)為微生物為均衡生長(zhǎng)且為簡(jiǎn)單的單一反應(yīng)。 根據(jù)這些假說(shuō)，僅取決于限制性基質(zhì)的濃度S，此時(shí)，微生物生長(zhǎng)速率隨著限制性基質(zhì)的濃度的變化而呈拋物線型變化,Monod根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察到的E coli 的比生長(zhǎng)速率在底物濃度低時(shí)呈一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，在底物濃度高時(shí)呈二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，提出比生長(zhǎng)速率表達(dá)式。,Monod模型既以較好地描述很多情況下的細(xì)胞生長(zhǎng)行為，又具有模型簡(jiǎn)單、參數(shù)少的優(yōu)勢(shì)，因而廣泛應(yīng)用。,（2）無(wú)抑制作用的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)Monod方程,（3）Monod方程的解析(Monod model ),溫度和pH恒定時(shí)，對(duì)于某一特

12、定培養(yǎng)基組分的濃度S，Monod方程為,式中: max稱為最大比生長(zhǎng)速率(h-1)，Ks稱為半飽和常數(shù)(g/L)，表示（ =1/2max）時(shí)限制營(yíng)養(yǎng)物濃度。,Monod方程,提高 S，可明顯提高，一級(jí)反應(yīng)。,Ks，微生物對(duì)底物的半飽和常數(shù),與親和力成反比。 當(dāng)= 1/2max，S=KS 當(dāng)S KS，基質(zhì)濃度很低時(shí)，,Monod方程,當(dāng)X KS，基質(zhì)濃度較高時(shí)，,與S無(wú)關(guān)，零級(jí)反應(yīng)。,max是理論上最大的生長(zhǎng)潛力，即細(xì)胞處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，生長(zhǎng)速度達(dá)到最大值。,Monod方程圖示,C-A區(qū)：限制性基質(zhì)濃度限制了微生物的生長(zhǎng)，其比生長(zhǎng)速率低于最大比生長(zhǎng)速率max，相當(dāng)于分批培養(yǎng)的減速期。 A點(diǎn)：限制性

13、基質(zhì)濃度到達(dá)A點(diǎn)時(shí)，比生長(zhǎng)速率等于最大比生長(zhǎng)速率，這時(shí)該基質(zhì)的濃度就不再影響微生物的生長(zhǎng)，即不再成為限制性基質(zhì)，這個(gè)濃度成為臨界基質(zhì)濃度S crit 。 A-B區(qū)：基質(zhì)濃度過(guò)量，微生物以 max生長(zhǎng)。,Scrit,C,A,B,對(duì)于任一營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) S Scrit，為非限制性底物 S S crit，為限制性底物,Monod方程,Monod方程中單一限制性底物可以是培養(yǎng)基中任何一種與微生物生長(zhǎng)有關(guān)的營(yíng)養(yǎng)物，只要該基質(zhì)相對(duì)貧乏，就成為限制性生長(zhǎng)因子。實(shí)際過(guò)程中，可能出現(xiàn)多種限制性基質(zhì)和抑制性物質(zhì)，影響了Monod方程的適用性。,（4）非結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型-邏輯方程（logisticequation）,邏輯方

14、程適用于營(yíng)養(yǎng)成分復(fù)雜、生長(zhǎng)限制性因素不清楚的情形（兩種以上），至今在生態(tài)學(xué)和間歇發(fā)酵動(dòng)力學(xué)上廣泛應(yīng)用。,許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，有些情況下Monod方程并不完全符合微生物的生長(zhǎng)規(guī)律，例如由于初始底物濃度過(guò)高而造成的細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)快的細(xì)胞反應(yīng),不同方程所獲得的菌體濃度與時(shí)間的變化關(guān)系,五、基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué),1、基質(zhì)消耗速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)基質(zhì)的變化量。,(5-3),基質(zhì)比消耗速率 （g，或mo1)g菌體h)：系指每克菌體在一小時(shí)內(nèi)消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量。它表示細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用的速率或效率。,基質(zhì)的消耗速率被菌體量除稱之為基質(zhì)的比消耗速率(specific substrate consumption rate)，即：,(

15、5-4),根據(jù)5-1式、5-3式和5-4式，有,rX=dX/dt=X,由Monod方程表示時(shí)，上式變形為,(5-6),(5-5),當(dāng)以氮源、無(wú)機(jī)鹽類、維生素等為基質(zhì)時(shí)，由于這些成分只能組成菌體的構(gòu)成成分，不能成為能源，Yx/s近似一定，所以上式能夠成立。但當(dāng)基質(zhì)既作為能源又是碳源時(shí)，就應(yīng)考慮維持代謝所消耗的能量。此時(shí),(碳源總消耗速率)=(用于生長(zhǎng)的消耗速率)+(用于維持代謝的消耗速率),兩邊間除以X,則,(5-8),(5-7),式中： m基質(zhì)維持代謝系數(shù)，mol/(gh ); -rs-碳源總消耗速率，mol/(Lh); rx-菌體生長(zhǎng)速率， g/(Lh); YG-菌體得率系數(shù)（對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)所消

16、耗的基質(zhì)而言，g/mol;,建立了細(xì)胞比生長(zhǎng)速率與基質(zhì)的比消耗謝速率的關(guān)聯(lián)式,2、基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué),基質(zhì)比消耗率QS=-dS/Xdt；產(chǎn)物比生產(chǎn)率QP=dP/Xdt,如果限制性的基質(zhì)是碳源，消耗的碳源中一部分形成細(xì)胞物質(zhì)，一部分形成產(chǎn)物，一部分產(chǎn)物維持生命活動(dòng)，即有：,Yp/s:產(chǎn)物得率系數(shù)，g/g;,六、代謝產(chǎn)物的生成動(dòng)力學(xué),利用微生物生產(chǎn)的代謝產(chǎn)物種類很多，并且微生物細(xì)胞內(nèi)的生物合成途徑與代謝調(diào)節(jié)機(jī)制各有特色，因此代謝產(chǎn)物的生成動(dòng)力學(xué)很難用統(tǒng)一的式子表達(dá)。 代謝產(chǎn)物有分泌于培養(yǎng)液中的，也有保留在細(xì)胞內(nèi)的，因此在探討生成速率的數(shù)學(xué)模型時(shí)有必要區(qū)分這兩種情況,1、定義,代謝產(chǎn)物的生成速率（rp）

17、 ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)代謝產(chǎn)物的合成量。 產(chǎn)物比生成速率(qp，g(或mo1)g菌體h)：系指每克菌體在一小時(shí)內(nèi)合成產(chǎn)物的量，它表示細(xì)胞合成產(chǎn)物的速度或能力，可以作為判斷微生物合成代謝產(chǎn)物的效率。,2、代謝產(chǎn)物的生成速率和比生成速率的計(jì)算方法,與生長(zhǎng)速率和基質(zhì)消耗速率相同，當(dāng)以體積為基準(zhǔn)時(shí)，稱為代謝產(chǎn)物的生成速率，記為rp；當(dāng)以單位重量為基準(zhǔn)時(shí)，稱為產(chǎn)物的比生成速率，記為qp。相關(guān)式為,(5-11),生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，常使用到rp。但是，在 的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，當(dāng)微生物作為催化劑使用時(shí)，用qp更為合理些。可以認(rèn)為qp表達(dá)了細(xì)胞在 的轉(zhuǎn)化過(guò)程中的轉(zhuǎn)化活性,(5-12),發(fā)酵動(dòng)力學(xué)涉及的常規(guī)參數(shù)總結(jié),第二節(jié) 微

18、生物發(fā)酵方法及其動(dòng)力學(xué)類型,一、微生物發(fā)酵方法分類：微生物培養(yǎng)過(guò)程根據(jù)是否要求供氧的分類。 厭氧培養(yǎng)：不通氧的深層培養(yǎng) 好氧培養(yǎng)： 液體表面培養(yǎng) 通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵 通氧深層培養(yǎng),1、通氧深層培養(yǎng)反應(yīng)器的操作分類,（1）分批式操作（batch operation, batch fermentation） 基質(zhì)（底物）一次性加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下接種進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)完成后將全部反應(yīng)物取出的操作方式。 是目前發(fā)酵制品生長(zhǎng)采取的主要操作方式。 （2）反復(fù)分批式操作（repeated batch operation） 是指分批操作完成后取出部分反應(yīng)系，剩余部分重新加入一定量的基質(zhì)，再按照分批式操作方式反復(fù)

19、進(jìn)行。,（3）半分批式操作 半分批式操作(semibatch operation)也稱流加式操作(feedbatch operation)。 是指先將一定量基質(zhì)加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下接種使反應(yīng)開始。反應(yīng)過(guò)程中，將特定的限制性基質(zhì)按照一定要求加入到反應(yīng)器內(nèi)，以控制罐內(nèi)限制性底物濃度保持一定，當(dāng)反應(yīng)終止取出反應(yīng)物料的操作方式。 酵母、淀粉酶、某些氨基酸和抗生素等常用操作方式。,(4)反復(fù)半分批式操作（repeated semibatch opertion） 是指流加操作完成后，取出部分反應(yīng)系，剩余部分重新加入一定量基質(zhì)，再按流加操作方式進(jìn)行，反復(fù)進(jìn)行。,（5）連續(xù)式操作（continuous）

20、 是指在分批式操作進(jìn)行到一定階段，一方面將基質(zhì)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（如反應(yīng)液體積等）不隨時(shí)間變化的操作方式。 活性污泥法處理廢水、固定化微生物反應(yīng)等多采取連續(xù)式操作。,二、通氧深層發(fā)酵（培養(yǎng)）方式及其動(dòng)力學(xué),一般來(lái)說(shuō)，發(fā)酵工業(yè)中微生物的生長(zhǎng)和培養(yǎng)方式可以分為： 分批培養(yǎng) 補(bǔ)料分批培養(yǎng) 連續(xù)培養(yǎng),（一）分批發(fā)酵法,1、基本概念： 分批培養(yǎng)又稱分批發(fā)酵，是指在一個(gè)密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進(jìn)行培養(yǎng)，使微生物生長(zhǎng)繁殖，在特定的條件下只完成一個(gè)生長(zhǎng)周期的微生物培養(yǎng)方法。,空氣,發(fā)酵尾氣,消泡劑,酸堿,2、分批發(fā)酵的特點(diǎn),微生物

21、所處的環(huán)境是不斷變化的； 可進(jìn)行少量多品種的發(fā)酵生產(chǎn)； 發(fā)生雜菌污染能夠很容易終止操作； 當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化或需要生產(chǎn)新產(chǎn)品時(shí)，易改變處理對(duì)策； 對(duì)原料組成要求較粗放。,3、分批發(fā)酵一般工藝流程,4、細(xì)胞代謝特點(diǎn)及生長(zhǎng)過(guò)程,屬于非穩(wěn)定狀態(tài)下的培養(yǎng)與發(fā)酵方法，發(fā)酵環(huán)境（包括溫度、pH、培養(yǎng)基成分、溶解氧、氧化還原電位等）隨微生物生長(zhǎng)代謝的變化而變化；其生長(zhǎng)速率和比生長(zhǎng)速率也隨之變化。 細(xì)胞的生長(zhǎng)過(guò)程分為： 遲滯期 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期 穩(wěn)定期 死亡期,（1）遲滯期,概念：將少量的單細(xì)胞接種到一定體積的新鮮培養(yǎng)基中，開始階段細(xì)胞并不分裂，細(xì)胞數(shù)目不增加，這一階段稱為遲滯期。 表現(xiàn)：細(xì)胞不分裂，體積增大，代謝

22、活躍，蛋白質(zhì)、DNA、RNA含量增高，對(duì)不良環(huán)境敏感。 實(shí)質(zhì)：通過(guò)自身代謝機(jī)能調(diào)節(jié)，合成并完善內(nèi)酶系統(tǒng)，進(jìn)行DNA復(fù)制，為細(xì)胞增殖生長(zhǎng)做準(zhǔn)備。 特點(diǎn)：細(xì)胞本身面臨著一系列的變化，如pH值的改變、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給增加等。因而，延滯期的微生物主要是適應(yīng)新的環(huán)境，讓細(xì)胞內(nèi)部對(duì)新環(huán)境作出充分反應(yīng)和調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)新的環(huán)境。,A、遲滯期長(zhǎng)短對(duì)發(fā)酵結(jié)果的影響,種子培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件必須合適，只有這樣才能獲得高的產(chǎn)量。 接種后延滯期的長(zhǎng)短關(guān)系到發(fā)酵周期的長(zhǎng)短，而與產(chǎn)物形成速率和產(chǎn)率并無(wú)必然聯(lián)系。 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為縮短發(fā)酵周期、提高設(shè)備利用率、提高體積生產(chǎn)率，就必須盡可能地縮短延滯期。,B、影響延滯期長(zhǎng)短的因素及解

23、決途徑,接種材料的生理狀態(tài)：如果接種物正處于指數(shù)生長(zhǎng)期，則延滯期可能根本就不出現(xiàn)； 培養(yǎng)基的組成和培養(yǎng)條件也可影響延滯期的長(zhǎng)短。 接種物的濃度對(duì)延滯期長(zhǎng)短也有一定影響，加大接種濃度可相應(yīng)縮短延滯期。 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。,（2） 指數(shù)生長(zhǎng)期,A、基本概念：微生物經(jīng)過(guò)遲滯期調(diào)整，進(jìn)入快速生長(zhǎng)階段，細(xì)胞數(shù)目和菌體質(zhì)量隨培養(yǎng)時(shí)間成直線上升，這一階段為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。 對(duì)細(xì)菌、酵母等單細(xì)胞微生物來(lái)講，單位時(shí)間內(nèi)其細(xì)胞數(shù)目將成倍增加。 而對(duì)于絲狀微生

24、物而言，單位時(shí)間內(nèi)其生物量將加倍。 此時(shí)，如以細(xì)胞數(shù)目或生物量的對(duì)數(shù)對(duì)時(shí)間作一對(duì)數(shù)圖，將得一直線，因而這一時(shí)期稱作指數(shù)生長(zhǎng)期。,B、指數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞特點(diǎn):,細(xì)胞保持均恒生長(zhǎng)。 不斷吸收培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分以合成自身物質(zhì)，并不斷向培養(yǎng)基中分泌代謝產(chǎn)物。 由于此時(shí)培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)過(guò)量，且積累的代謝產(chǎn)物尚不足以抑制微生物本身的生長(zhǎng)繁殖，因而微生物的生長(zhǎng)速率不受這些因素的影響，而僅與微生物本身的比生長(zhǎng)速率及發(fā)酵液中的生物量濃度X(g/L)相關(guān)。,C、發(fā)酵動(dòng)力學(xué),生長(zhǎng)速率：在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，隨著時(shí)間的推移，培養(yǎng)基中的成分不斷發(fā)生變化，但此期間，細(xì)胞的生長(zhǎng)速度基本維持恒定，其生長(zhǎng)速度可用數(shù)學(xué)方程表示：,菌體

25、細(xì)胞生長(zhǎng)速率：?jiǎn)挝惑w積單位時(shí)間內(nèi)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)量 rx=dx/dt：菌體細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率：菌體細(xì)胞的瞬時(shí)生長(zhǎng)速率,x-細(xì)胞濃度（g/l）；t-培養(yǎng)時(shí)間（hr）； -細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率（1/h）；如果當(dāng)t=0時(shí)，細(xì)胞的濃度為x0(g/l)，上式積分后就為：,于是，用微生物細(xì)胞濃度的自然對(duì)數(shù)對(duì)時(shí)間作圖，就可得到一條直線，該直線的斜率就等于 。,倍增時(shí)間：微生物細(xì)胞濃度增加一倍所需要的時(shí)間，也叫增代時(shí)間。(td) 表示,微生物細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率和倍增時(shí)間因受遺傳特性及生長(zhǎng)條件的控制，有很大的差異，如下表：,表10-2 一些微生物在不同碳源上的比生長(zhǎng)速度和倍增時(shí)間,對(duì)于特定的微生物而言，其比生長(zhǎng)速率只與三

26、個(gè)因素有關(guān)。限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度、最大比生長(zhǎng)速率max、底物相關(guān)常數(shù)Ks。 假定營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞后，立即被利用而不積累，則存在以下關(guān)系式：,如果各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均大大過(guò)量的話，則= max ，這時(shí)便是指數(shù)生長(zhǎng)期。也就是說(shuō)，處于指數(shù)生長(zhǎng)期的微生物，其生長(zhǎng)繁殖不受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的限制，因而具有最大比生長(zhǎng)速率。 如果發(fā)酵的目的是為了獲得微生物菌體的話，則應(yīng)盡量設(shè)法維持指數(shù)生長(zhǎng)期。,D、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)

27、物質(zhì)的濃度，而是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的速度。,（3）穩(wěn)定期,A、概念：在細(xì)胞生長(zhǎng)代謝過(guò)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。 當(dāng)微生物賴以生存的培養(yǎng)基中存在多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，微生物將優(yōu)先利用其易于代謝的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，至其耗用完時(shí)，降解利用其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的酶才能誘導(dǎo)合成或解除抑制。,B、穩(wěn)定期特點(diǎn),細(xì)胞開始老化、裂解，形成芽孢，并向培養(yǎng)基中釋放出新的碳水化合物和蛋白質(zhì)等，這些物質(zhì)可以

28、用來(lái)維持生存下來(lái)的細(xì)胞緩慢生長(zhǎng)。 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。 所有微生物停止生長(zhǎng)或細(xì)胞增加速度與死亡速率相等 出現(xiàn)二次或隱性生長(zhǎng) 原因：由于細(xì)胞的溶解作用，一些新的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，諸如細(xì)胞內(nèi)的一些糖類、蛋白質(zhì)等被釋放出來(lái)，又作為細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而使存活的細(xì)胞繼續(xù)緩慢地生長(zhǎng)，出現(xiàn)通常所稱的二次或隱性生長(zhǎng)。或者是開始利用第二種碳源。,（4）死亡期,A、基本概念：穩(wěn)定生長(zhǎng)期后，隨基質(zhì)嚴(yán)重缺乏，代謝產(chǎn)物更多積累，細(xì)胞的能量?jī)?chǔ)備消耗完畢及環(huán)境條件（溫度、pH、無(wú)機(jī)離子濃度）劣化，細(xì)胞生長(zhǎng)進(jìn)入衰亡期。 B、特點(diǎn)： 微生物細(xì)胞內(nèi)所儲(chǔ)存的能量已經(jīng)基本耗盡， 細(xì)胞

29、開始在自身所含的酶的作用下死亡。 細(xì)胞死亡速率大于增加速度。 細(xì)胞產(chǎn)生或釋放對(duì)人類有用的抗生素等次生代謝產(chǎn)物的時(shí)期。 C、工業(yè)意義： 在進(jìn)入死亡期之前應(yīng)及時(shí)將發(fā)酵液放罐處理。,（二）分批發(fā)酵微生物生長(zhǎng)與代謝產(chǎn)物合成的動(dòng)力學(xué)關(guān)系,1、生產(chǎn)連動(dòng)型產(chǎn)物形成(I型發(fā)酵)：產(chǎn)物生成直接與基質(zhì)（糖類）消耗有關(guān)。 即偶聯(lián)型：產(chǎn)物生成速率與菌體生長(zhǎng)速率有緊密聯(lián)系。 （1）基本概念： 微生物的生長(zhǎng)、碳水化合物的降解代謝和產(chǎn)物的形成幾乎是平行進(jìn)行的，營(yíng)養(yǎng)期和分化期彼此不分開。 生產(chǎn)連動(dòng)型產(chǎn)物通常都直接涉及微生物的產(chǎn)能降解代謝途徑，或是正常的中間代謝產(chǎn)物。 酵母發(fā)酵生成酒精，以及葡萄糖酸和大部分氨基酸、單細(xì)胞蛋白都

30、屬于這種類型。,（2）動(dòng)力學(xué)關(guān)系,分批生物工藝中各種比速率(生長(zhǎng)速率、基質(zhì)比消耗速率qs和產(chǎn)物比生成速率qp)之間關(guān)系的圖示,生產(chǎn)連動(dòng)型,qp：?jiǎn)挝毁|(zhì)量細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)生成產(chǎn)物的速率,生產(chǎn)連動(dòng)型產(chǎn)物的生成反應(yīng)可表示如下：,產(chǎn)物形成的比速率則與微生物的比生長(zhǎng)速率呈正比。 所以，對(duì)于這種類型的產(chǎn)物來(lái)說(shuō)，調(diào)整發(fā)酵工藝參數(shù)，使微生物保持高的比生長(zhǎng)速率，對(duì)于快速獲得產(chǎn)物、縮短發(fā)酵周期十分有利。,即：,產(chǎn)物得率：,產(chǎn)物生成速率：,因?yàn)椋?有：,qp：?jiǎn)挝毁|(zhì)量細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)生成產(chǎn)物的速率,該式表明生長(zhǎng)于產(chǎn)物生成相偶聯(lián)，產(chǎn)物比生成速率隨著比生長(zhǎng)速率的增長(zhǎng)而提高，在這種類型的發(fā)酵生產(chǎn)中，控制好最佳生長(zhǎng)條件就可

31、獲得產(chǎn)物合成的最適條件。,2、部分生長(zhǎng)連動(dòng)型產(chǎn)物形成(II型發(fā)酵)：產(chǎn)物生成與基質(zhì)（糖類）消耗間接有關(guān)。 即：部分偶聯(lián)型，產(chǎn)物生成速率與菌體生長(zhǎng)速率只有部分聯(lián)系。 （1）基本概念： 微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成是分開進(jìn)行的，糖既滿足菌體生長(zhǎng)所需的能量，又作為產(chǎn)物合成的碳源。,其生成反應(yīng)可表示為；,分批發(fā)酵中，這種類型產(chǎn)物的形成分成兩個(gè)極限：起初，微生物消耗大量底物用于產(chǎn)能代謝和生長(zhǎng)，而產(chǎn)物形成很緩饅，甚至根本不形成； 此后，微生物的生長(zhǎng)速率開始減慢后，細(xì)胞開始大量消耗底物以合成產(chǎn)物。對(duì)這類產(chǎn)物來(lái)說(shuō)，營(yíng)養(yǎng)期和分化期在時(shí)間上是彼此分開的。 檸檬酸、衣糠酸、乳酸和部分氨基酸為這種類型產(chǎn)物的典型代表。,（

32、2）動(dòng)力學(xué)關(guān)系,分批生物工藝中各種比速率：菌體比生長(zhǎng)速率、基質(zhì)比消耗速率qs和產(chǎn)物比生成速率qp之間關(guān)系的圖示,(b)部分生長(zhǎng)連動(dòng)型,qs,細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成部分偶聯(lián)，當(dāng)比生長(zhǎng)速率下降后，產(chǎn)物比生成速率才明顯增加，進(jìn)入產(chǎn)物合成期后qp與接近同步，產(chǎn)物的合成與底物的消耗無(wú)直接的化學(xué)定量關(guān)系，這兩產(chǎn)物的合成是能量代謝的間接結(jié)果，不是底物的直接氧化產(chǎn)物。,式中：與生長(zhǎng)相關(guān)的產(chǎn)物形成常數(shù)； 與非生長(zhǎng)相關(guān)的產(chǎn)物形成常數(shù)。 Luedeking-Piret方程,qp,產(chǎn)物的形成只與發(fā)酵液中的菌體濃度有關(guān)，而微生物的生長(zhǎng)速率對(duì)它無(wú)直接影響。 對(duì)于這一類型發(fā)酵，只要能保證獲得足夠高濃度的生物量，就可以獲得高速率

33、的產(chǎn)物合成。,（1）基本概念： 非生長(zhǎng)連動(dòng)型的產(chǎn)物一般不是直接或間接來(lái)自微生物的產(chǎn)能降解代謝，而是通過(guò)兩用代謝途徑合成的。 在這一類型的發(fā)酵中，起初是微生物的初級(jí)代謝和菌體生長(zhǎng)，而沒有產(chǎn)物的合成。此時(shí)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗非常大。 當(dāng)培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗盡、微生物的生長(zhǎng)停止以后，產(chǎn)物才開始通過(guò)中間代謝大量合成。即產(chǎn)生該類產(chǎn)物的微生物，其營(yíng)養(yǎng)期和分化期在時(shí)間上是完全分開的。 非生產(chǎn)連動(dòng)型的產(chǎn)物大多數(shù)是微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物，大多數(shù)的抗生素和生物毒素，以及維生素類。,3、非生長(zhǎng)連動(dòng)型產(chǎn)物形成(型發(fā)酵)：產(chǎn)物生成與基質(zhì)（糖類）消耗無(wú)關(guān) 即，非偶聯(lián)型：產(chǎn)物生成速率與菌體生長(zhǎng)速率無(wú)緊密聯(lián)系。,（2）動(dòng)力學(xué)關(guān)系

34、,分批生物工藝中各種比速率：菌體比生長(zhǎng)速率、基質(zhì)比消耗速率qs和產(chǎn)物比生成速率qp之間關(guān)系的圖示,qs,特點(diǎn)：產(chǎn)物的合成是在菌體濃度接近或達(dá)到最高（進(jìn)入穩(wěn)定期）之后才開始，產(chǎn)物合成速率與底物的消耗不存在定量關(guān)系，產(chǎn)物的合成與能量代謝無(wú)關(guān)，與細(xì)胞生長(zhǎng)液無(wú)直接關(guān)系，只與細(xì)胞的積累量有關(guān)，這類發(fā)酵可劃分兩個(gè)階段，即菌體生長(zhǎng)階段和產(chǎn)物合成階段。,式中： 與非生長(zhǎng)相關(guān)的產(chǎn)物形成常數(shù)。,C、非生長(zhǎng)連動(dòng)型,例題1：以甘油為基質(zhì)進(jìn)行陰溝氣桿菌分批培養(yǎng)，時(shí)間t=0時(shí)，X0=0.1g/L，S0=50g/L。反應(yīng)方程式可以Monod方程表示，max=0.85h-1，Ks=1.23x10-2g/L，Yx/s=0.53

35、g/g（以細(xì)胞/葡萄糖計(jì)），若不考慮誘導(dǎo)期和死亡期，求培養(yǎng)至6h的菌體濃度。,由菌體得率定義式，帶入已知數(shù)值：,(1),變形，得：S=-1.89X+50.2,(2),變形得：,(3),因?yàn)椋?(4),將公式（3）帶入到（4）中，積分得：,X=16g/L,例題2：采用合成培養(yǎng)基，在1m3生物反應(yīng)器中進(jìn)行大腸桿菌分批培養(yǎng)，菌體的生長(zhǎng)變化可利用Monod方程描述，已知max=0.935h-1，Ks=0.71kg/m3，基質(zhì)初始濃度為50kg/m3，菌體初始濃度X0=0.1kg/m3，Yx/s=0.6kg/kg（以細(xì)胞/基質(zhì)計(jì)），求當(dāng)80%的基質(zhì)已反應(yīng)時(shí)所需時(shí)間。,當(dāng)80%的基質(zhì)已反應(yīng)時(shí)的基質(zhì)濃度為S

36、=50-(50 x80%)=10kg/m3 由于在整體反應(yīng)過(guò)程中SKs=0.71kg/m3,Monod方程,可以寫成,S0=50kg/m3，S=10kg/m3，Yx/s=0.6 X=(S0 - S )Yx/s+X0=40X0.6+0.1=24.1kg,時(shí)間從t=0至t=t時(shí)，菌體增量由0.1kg增至24kg,(1)式積分,（三）補(bǔ)料分批培養(yǎng)技術(shù),在傳統(tǒng)的分批培養(yǎng)發(fā)酵工藝中，所有的物料都是在發(fā)酵開始前加入反應(yīng)器中的。 一般來(lái)說(shuō)，微生物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度并不十分高，往往在10Ks以上時(shí)就可達(dá)到最大比生長(zhǎng)速率。在此基礎(chǔ)上，即使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)濃度再進(jìn)一步提高，比生長(zhǎng)速率也不會(huì)再增加了。 然而，在分批發(fā)

37、酵工藝中，低濃度培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)迅速耗盡，引起微生物過(guò)早地從指數(shù)生長(zhǎng)期向穩(wěn)定期轉(zhuǎn)變，這樣，設(shè)備的利用率和產(chǎn)物的積累濃度都不高。,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(guò)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。,高底物濃度的優(yōu)缺點(diǎn),1、補(bǔ)料分批發(fā)酵基本概念,（1）定義：指在分批培養(yǎng)伊始，投入較低濃度的底物，在發(fā)酵過(guò)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)中間歇或連續(xù)補(bǔ)加一定

38、的新鮮物料，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。 （2）發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用 單細(xì)胞蛋白、氨基酸、抗生素、維生素、酶制劑、有機(jī)酸以及的生產(chǎn)過(guò)程,（3）補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度，解除底物抑制、葡萄糖效應(yīng)、代謝阻遏等問(wèn)題； 和連續(xù)發(fā)酵比、不需要嚴(yán)格的無(wú)菌條件； 不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問(wèn)題 對(duì)發(fā)酵過(guò)程可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。 缺點(diǎn) 存在一定的非生產(chǎn)時(shí)間； 和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基，增加了染菌的危險(xiǎn)。,（4）補(bǔ)料控制目的,解除基質(zhì)過(guò)濃的抑制 解除產(chǎn)物的反饋抑

39、制 解除葡萄糖分解代謝阻遏效應(yīng),（5）補(bǔ)料的內(nèi)容,補(bǔ)充微生物能源和碳源的需要。 補(bǔ)充菌體所需要的氮源。 補(bǔ)充微量元素或無(wú)機(jī)鹽。,（6）補(bǔ)料的原則,控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。 為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在中間補(bǔ)料控制時(shí)，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)和補(bǔ)料速率。,（7）分批補(bǔ)料培養(yǎng)特點(diǎn),分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)是介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的一種發(fā)酵技術(shù)。 由于在發(fā)酵過(guò)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)并不連續(xù)地向罐外放出發(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。,2、補(bǔ)料分批發(fā)酵的類型,補(bǔ)料方式 連續(xù)流加 不連

40、續(xù)流加 多周期流加 補(bǔ)料成分 單一組分流加 多組分流加 控制方式 反饋控制 無(wú)反饋控制,表10-5 補(bǔ)料方法對(duì)細(xì)胞密度、生長(zhǎng)速度及生產(chǎn)率的影響,流加發(fā)酵目前應(yīng)用范圍非常廣泛，幾乎遍及整個(gè)發(fā)酵行業(yè)。 補(bǔ)料分批發(fā)酵的理論研究在20世紀(jì)70年代以前幾乎是個(gè)空白，在早期的工業(yè)生產(chǎn)中，補(bǔ)料的方式非常簡(jiǎn)單，采用的方式就僅僅局限于間歇流加和恒速流加，控制發(fā)酵也是以經(jīng)驗(yàn)為主。 直到1973年日本學(xué)者Yoshida等人提出了“Fed-batch fermentation”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，并從理論上建立了第一個(gè)數(shù)學(xué)模型，補(bǔ)料分批發(fā)酵的研究才進(jìn)入理論研究階段。,3、補(bǔ)料控制的策略,大多數(shù)補(bǔ)料分批發(fā)酵均補(bǔ)加生長(zhǎng)限制性基質(zhì) 以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)控制流加； 以pH、溶氧、產(chǎn)物濃度等參數(shù)間接控制流加； 以物料平衡方程，通過(guò)傳感器在線測(cè)定的一些參數(shù)計(jì)算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加； 用傳感器直接測(cè)定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加。,4、補(bǔ)料控制參數(shù)的選擇,為了有效地進(jìn)行中間補(bǔ)料，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩?/p>