本科課件發(fā)酵工程

本科課件發(fā)酵工程,本科課件,發(fā)酵工程,本科,課件,發(fā)酵,工程 第三章第三章 發(fā)酵動力學模式和發(fā)酵發(fā)酵動力學模式和發(fā)酵 培養(yǎng)方法培養(yǎng)方法第一節(jié)第一節(jié)微生物反應過程概論微生物反應過程概論一、微生物反應過程的主要特征微生物是該反應過程的主體：是生物催化劑，又是一微小的反應容器。微生物反應的本質(zhì)是復雜的酶催化反應體系。酶能夠進行再生產(chǎn)。微生物反應是非常復雜的反應過程微生物反應是非常復雜的反應過程（1）反應體系中有細胞的生長，基質(zhì)消耗和產(chǎn)物的生成，有各自的最佳反應條件。（2）微生物反應有多種代謝途徑。（3）微生物反應過程中，細胞形態(tài)、組成要經(jīng)歷生長、繁殖、維持、死亡等若干階段，不同菌齡，有不同的活性。二、微生物反應動力學的描述方法二、微生物反應動力學的描述方法細胞生長動力學反應基質(zhì)消耗動力學代謝產(chǎn)物生成動力學發(fā)酵過程：包括細胞內(nèi)的生化反應，胞內(nèi)與胞外的物質(zhì)交換，胞外物質(zhì)傳遞及反應。發(fā)酵過程特點發(fā)酵過程特點多相：氣相、液相和固相多組分：培養(yǎng)基中多種營養(yǎng)成分，多種代謝產(chǎn)物，細胞內(nèi)也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。非線性：細胞代謝過程用非線性方程描述。復雜群體的生命活動反應動力學描述的簡化反應動力學描述的簡化動力學是對細胞群體的動力學行為的描述不考慮細胞之間的差別，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，如果考試每個細胞之間的差別，則建立的模型為概率論模型。如果在考慮細胞組成變化的基礎(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程變量。菌體視為單組分的模型為非結(jié)構(gòu)模型，通過物料平衡建立超經(jīng)驗或半經(jīng)驗的關(guān)聯(lián)模型。如果細胞內(nèi)的各種成分均以相同的比例增加，稱為均衡生長。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。生長模型的簡化考慮一般采用均衡生長的非結(jié)構(gòu)模型。將細胞作為與培養(yǎng)液分離的生物相處理所建立的模型為分離化模型。在細胞濃度很高時采用。如果把細胞和培養(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胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)各種細胞均一細胞群體做為一種溶質(zhì)A細胞之間無差異，是均一的，細胞內(nèi)有多個組分存在。B均衡生長概率論模型不考慮細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)各種細胞不均一C實際情況：細胞內(nèi)多組分；細胞之間不均一D均衡生長對細胞群體的描述模型發(fā)酵動力學中常用的幾個術(shù)語發(fā)酵動力學中常用的幾個術(shù)語1得率(或產(chǎn)率，轉(zhuǎn)化率，Y)：包括生長得率(Yx/s)和產(chǎn)物得率(Yp/s)。得率：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)，即Yx/s=X/S。產(chǎn)物得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)所合成的產(chǎn)物g數(shù)(或mol數(shù))。這里消耗的基質(zhì)是指被微生物實際利用掉的基質(zhì)數(shù)量，即投入的基數(shù)減去殘留的基質(zhì)量(S。-S)。轉(zhuǎn)化率：往往是指投入的原料與合成產(chǎn)物數(shù)量之比。提高微生物生長得率的措施提高微生物生長得率的措施首先，要篩選優(yōu)良的菌種，其本身就應具備高的生長得率。其二，要選擇合適的培養(yǎng)基配方，提供略微過量的其它營養(yǎng)物質(zhì)，使碳源成為最終的限制性物質(zhì)。其三，還須選擇和控制合適的培養(yǎng)條件，使得微生物的代謝按所需方向進行。另外，在發(fā)酵的操作過程中要盡量防止雜菌污染。2基質(zhì)比消耗速率(qs，g(或mo1)g菌體h)：系指每克菌體在一小時內(nèi)消耗營養(yǎng)物質(zhì)的量。它表示細胞對營養(yǎng)物質(zhì)利用的速率或效率。在比較不同微生物的發(fā)酵效率上這個參數(shù)很有用。3產(chǎn)物比生產(chǎn)速率(qp，g(或mo1)g菌體h)：系指每克菌體在一小時內(nèi)合成產(chǎn)物的量，它表示細胞合成產(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。4發(fā)酵周期：實驗周期是指接種開始至培養(yǎng)結(jié)束放罐這段時間。但在工業(yè)生產(chǎn)上計算勞動生產(chǎn)率時則還應把發(fā)酵罐的清洗、投料、滅菌、冷卻等輔助時間也計算在內(nèi)。即從第一罐接種經(jīng)發(fā)酵結(jié)束至第二次接種為止這段時間為一個發(fā)酵周期，這樣才能正確反映發(fā)酵設(shè)備的利用效率。工業(yè)發(fā)酵的技術(shù)經(jīng)濟指標工業(yè)發(fā)酵的技術(shù)經(jīng)濟指標一、容量產(chǎn)率和產(chǎn)物形成的比速率容量產(chǎn)率指的是單位時間內(nèi)單位反應器容積的產(chǎn)物。計算產(chǎn)率時，不僅應把合成產(chǎn)物所用時間考慮進去，還應計入與生產(chǎn)相關(guān)的其他時間，即發(fā)酵罐的維修、清洗、準備所用時間，滅菌時間，以及接種后的延滯期時間，這樣才能全面、客觀地評估出工藝過程的成本效益。分批發(fā)酵的容量產(chǎn)率產(chǎn)物形成曲線的切線表示的是最大容量產(chǎn)率；連接原點和產(chǎn)物形成曲線終點的連線其斜率表示的是總的平均容量產(chǎn)率。研究發(fā)酵動力學的步驟研究發(fā)酵動力學的步驟1.為了獲得發(fā)酵過程變化的第一手資料，要盡可能尋找能反映過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，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)學模型以描述各參數(shù)隨時間變化的關(guān)系。4.通過計算機的在線控制，反復驗證各種模型的可行性與適用范圍。發(fā)酵動力學的研究內(nèi)容發(fā)酵動力學的研究內(nèi)容主要包括：細胞生長和死亡動力學，基質(zhì)消耗動力學，氧消耗動力學，CO2生成動力學，產(chǎn)物合成和降解動力學，代謝熱生成動力學等。以上各方面不是孤立的，而是既相互依賴又相互制約，構(gòu)成錯綜復雜、豐富多彩的發(fā)酵動力學體系。過程控制和監(jiān)測SugarconsumptionpHTemperatureFermentationtime(h)AgitationCellDryWeightProduct發(fā)酵動力學內(nèi)容及目的發(fā)酵動力學內(nèi)容及目的發(fā)發(fā)酵酵動動力力學學：是研究發(fā)酵過程中菌體生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。研研究究內(nèi)內(nèi)容容：包括了解發(fā)酵過程中菌體生長速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生成速率的相互關(guān)系，環(huán)境因素對三者的影響，以及影響其反應速度的條件。研究發(fā)酵動力學的目的研究發(fā)酵動力學的目的（1）確定最佳發(fā)酵工藝條件（2）建立發(fā)酵過程中菌體濃度、基質(zhì)濃度、溫度、pH、溶氧等工藝參數(shù)的控制方案（3）可在此研究基礎(chǔ)上進行優(yōu)選。發(fā)酵動力學的作用發(fā)酵動力學的作用要進行合理的發(fā)酵過程設(shè)計，必須以發(fā)酵動力學模型作為依據(jù)。目前國內(nèi)外正利用電子計算機，根據(jù)發(fā)酵動力學模型來設(shè)計程序，模擬最優(yōu)化的工藝流程和發(fā)酵工藝參數(shù)，從而使生產(chǎn)控制達到最優(yōu)化。發(fā)酵動力學的研究正在為試驗工廠數(shù)據(jù)的放大、為分批發(fā)酵過渡到連續(xù)發(fā)酵提供理論依據(jù)。第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵動力學分類發(fā)酵動力學分類一、根據(jù)細胞生長與產(chǎn)物形成一、根據(jù)細胞生長與產(chǎn)物形成有否偶聯(lián)進行分類有否偶聯(lián)進行分類細胞濃度(x)或產(chǎn)物濃度對時間作圖時，兩者密切平行，其最大的比生長速率和最大的產(chǎn)物合成比速率出現(xiàn)在同一時刻。一般來說在這種類型的發(fā)酵生產(chǎn)中，控制好最佳生長條件就可獲得產(chǎn)物合成的最適條件。1生長產(chǎn)物合成偶聯(lián)型：也稱型。這種發(fā)酵類型的特點是：微生物的生長和糖的利用與產(chǎn)物合成直接相關(guān)連。產(chǎn)物的形成與生長是平行的。產(chǎn)物合成速度與微生物生長速度呈線性關(guān)系，而且生長與營養(yǎng)物的消耗成準定量關(guān)系。這種類型的產(chǎn)物主要是葡萄糖代謝的初級中間產(chǎn)物，如乙醇發(fā)酵就屬于此類型。2生產(chǎn)與產(chǎn)物合成非偶聯(lián)類型：多數(shù)次生代謝產(chǎn)物的發(fā)酵屬這種類型，如各種抗生素和微生物毒素等物質(zhì)的生產(chǎn)速率很難與生長相聯(lián)系。產(chǎn)物合成速度與碳源利用也不存在定量關(guān)系。一般產(chǎn)物的合成是在菌體的濃度接近或達到最高之后才開始的，此時比生長速率已不處于最高速率。3生長產(chǎn)物合成半偶聯(lián)類型：亦稱型。它是介于生長產(chǎn)物合成偶聯(lián)型與生長產(chǎn)物合成非偶聯(lián)之間的中間類型，產(chǎn)物的合成存在著與生長相聯(lián)和不相聯(lián)兩個部分。該類型的動力學產(chǎn)物合成比速率的最高時刻要遲于比生長速率最高時刻的到來。二、二、根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗的關(guān)系分類的關(guān)系分類(1)類型產(chǎn)物的形成直接與基質(zhì)(糖類)的消耗有關(guān)，這是一種產(chǎn)物合成與利用糖類有化學計量關(guān)系的發(fā)酵，糖提供了生長所需的能量。糖耗速度與產(chǎn)物合成速度的變化是平行的，如利用酵母菌的酒精發(fā)酵和酵母菌的好氣生長。在厭氧條件下，酵母菌生長和產(chǎn)物合成是平行的過程；在通氣條件下培養(yǎng)酵母時，底物消耗的速度和菌體細胞合成的速度是平行的。這種形式也叫做有生長聯(lián)系的培養(yǎng)。(2)類型產(chǎn)物的形成間接與基質(zhì)(糖類)的消耗有關(guān)，例如檸檬酸、谷氨酸發(fā)酵等。即微生物生長和產(chǎn)物合成是分開的，糖分既供應生長所需能量，又充作產(chǎn)物合成的碳源。但在發(fā)酵過程中有兩個時期對糖的利用最為迅速，一個是最高生長時期，另一個是最大產(chǎn)物合成時期。如在用黑曲霉生產(chǎn)檸檬酸的過程中，發(fā)酵早期糖被用于滿足菌體生長，直到其他營養(yǎng)成分耗盡為止；然后代謝進入使檸檬酸積累的階段，產(chǎn)物積累的數(shù)量與利用糖分數(shù)量有關(guān)，這一過程僅得到少量的能量。(3)類型 產(chǎn)物的形成顯然與基質(zhì)(糖類)的消耗無關(guān)，例如青霉素、鏈霉素等抗生素發(fā)酵。即產(chǎn)物是微生物的次級代謝產(chǎn)物，其特征是產(chǎn)物合成與利用碳源無準量關(guān)系。產(chǎn)物合成在菌體生長停止及底物被消耗完以后才開始。此種培養(yǎng)類型也叫做無生長聯(lián)系的培養(yǎng)。三、三、根據(jù)反應形式分類根據(jù)反應形式分類(1)簡單反應型營養(yǎng)成分以固定的化學量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，沒有中間物積聚。又可分為有生長偶聯(lián)和無生長偶聯(lián)兩類。(2)并行反應型營養(yǎng)成分以不定的化學量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，在反應過程中產(chǎn)生一種以上的產(chǎn)物，而且這些產(chǎn)物的生成速率隨營養(yǎng)成分的濃度而異，同時沒有中間物積聚。(4)分段反應型其營養(yǎng)成分在轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物之前全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g物，或營養(yǎng)成分以優(yōu)先順序選擇性地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。反應過程是由兩個簡單反應段組成，這兩段反應由酶誘導調(diào)節(jié)。(5)復合型大多數(shù)發(fā)酵過程是一個聯(lián)合反應，它們的聯(lián)合可能相當復雜。(3)串聯(lián)反應型是指在形成產(chǎn)物之前積累一定程度的中間物的反應。第三節(jié)第三節(jié)微生物生長動力學微生物生長動力學微生物培養(yǎng)過程根據(jù)培養(yǎng)條件要求分為好氧培養(yǎng)和厭氧培養(yǎng)。好氧發(fā)酵有液體表面培養(yǎng)，在多孔或顆粒狀固體培養(yǎng)基表面上培養(yǎng)和通氧深層培養(yǎng)幾種方法。厭氧發(fā)酵采用不通氧的深層培養(yǎng)。無論好氧與厭氧發(fā)酵都可以通過深層培養(yǎng)來實現(xiàn)，這種培養(yǎng)均在具有一定徑高比的圓柱形發(fā)酵罐內(nèi)完成。(1)分批式操作底物一次裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種進行反應，經(jīng)過一定時間后將全部反應系取出。(2)半分批式操作也稱流加式操作。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開始。反應過程中，將特定的限制性底物送入反應器，以控制罐內(nèi)限制性底物濃度保持一定，反應終止取出反應系。(3)反復分批式操作分批操作完成后取出部分反應系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作進行。(4)反復半分批式操作 流加操作完成后，取出部分反應系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作進行。(5)連續(xù)式操作 反應開始后，一方面把底物連續(xù)地供給到反應器中，另一方面又把反應液連續(xù)不斷地取出，使反應條件不隨時間變化。一一、分批發(fā)酵法分批發(fā)酵法發(fā)酵工業(yè)中常見的分批方法是采用單罐深層培養(yǎng)法，每一個分批發(fā)酵過程都經(jīng)歷接種，生長繁殖，菌體衰老進而結(jié)束發(fā)酵，最終提取出產(chǎn)物。這一過程中在某些培養(yǎng)液的條件支配下，微生物經(jīng)歷著由生到死的一系列變化階段，在各個變化的進程中都受到菌體本身特性的制約，也受周圍環(huán)境的影響。分批發(fā)酵的特點分批發(fā)酵的特點微生物所處的環(huán)境是不斷變化的可進行少量多品種的發(fā)酵生產(chǎn)發(fā)生雜菌污染能夠很容易終止操作.當運轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化或需要生產(chǎn)新產(chǎn)品時，易改變處理對策對原料組成要求較粗放分批培養(yǎng)過程中細菌生長曲線：可分為調(diào)整期、對數(shù)生長期、平衡期和衰亡期四個階段。研究細胞的代謝和遺傳宜采用生長最旺盛的對數(shù)生長期細胞。在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，使用的種子應處于對數(shù)生長期，把它們接種到發(fā)酵罐新鮮培養(yǎng)基時，幾乎不出現(xiàn)調(diào)整期，這樣可在短時間內(nèi)獲得大量生長旺盛的菌體，有利于縮短生產(chǎn)周期。在研究和生產(chǎn)中，時常需要延長細胞對數(shù)生長階段。分批培養(yǎng)條件下微生物的生長曲線(一一)延滯期延滯期把微生物從一種培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)接到另一培養(yǎng)基的最初一段時間里，盡管微生物細胞的重量有所增加，但細胞的數(shù)量沒有增加。這段時間稱之為延滯期。延滯期延滯期細胞特點：細胞特點：細胞本身面臨著一系列的變化，如PH值的改變、營養(yǎng)物質(zhì)供給增加等。因而，延滯期的微生物主要是適應新的環(huán)境，讓細胞內(nèi)部對新環(huán)境作出充分反應和調(diào)節(jié)，從而適應新的環(huán)境。從生理學的角度來說，延滯期是活躍地進行生物合成的時期。微生物細胞將釋放必需的輔助因子，合成出適應新環(huán)境的酶系，為將來的增殖作準備。延滯期長短的因素延滯期長短的因素接種材料的生理狀態(tài)，如果接種物正處于指數(shù)生長期，則延滯期可能根本就不出現(xiàn)，微生物在新的培養(yǎng)基中迅速開始生長繁殖，如果接種物在原培養(yǎng)基中已將營養(yǎng)成分消耗殆盡，則要花費較長時間來適應新培養(yǎng)基。培養(yǎng)基的組成和培養(yǎng)條件也可影響延滯期的長短。接種物的濃度對延滯期長短也有一定影響，加大接種濃度可相應縮短延滯期。延滯期長短對發(fā)酵結(jié)果的影響延滯期長短對發(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。接種后延滯期的長短關(guān)系到發(fā)酵周期的長短，而與產(chǎn)物形成速率和產(chǎn)率并無必然聯(lián)系。實際生產(chǎn)過程中，為縮短發(fā)酵周期、提高設(shè)備利用宰、提高體積生產(chǎn)率，就必須盡可能地縮短延滯期。解決途徑：一是盡量選擇處于指數(shù)生長期的種子；二是擴大接種量。但是，如果要擴大接種量，又往往需要多級擴大制種，這不僅增加了發(fā)酵的復雜程度，又容易造成雜菌污染，故而應從多方面考慮。(二二)指數(shù)生長期指數(shù)生長期對細菌、酵母等單細胞微生物來講，單位時間內(nèi)其細胞數(shù)目將成倍增加。而對于絲狀微生物而言，單位時間內(nèi)其生物量將加倍。此時，如以細胞數(shù)目或生物量的對數(shù)對時間作一對數(shù)圖，將得一直線，因而這一時期稱作指數(shù)生長期。指數(shù)生長期細胞特點指數(shù)生長期細胞特點細胞保持均恒生長。不斷吸收培養(yǎng)基中的營養(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。由于此時培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分遠遠過量，且積累的代謝產(chǎn)物尚不足以抑制微生物本身的生長繁殖，因而微生物的生長速率不受這些因素的影響，而僅與微生物本身的比生長速率及發(fā)酵液中的生物量濃度X(g/L)相關(guān)。對于單細胞的微生物來說，還可進一步簡化為N培養(yǎng)基中的細胞密度。對于特定的微生物而言，其比生長速率只與三個因素有關(guān)。限制性營養(yǎng)物質(zhì)的濃度、最大比生長速率m、底物相關(guān)常數(shù)Ks。假定營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞后，立即被利用而不積累，則存在以下關(guān)系式：Ks一一底物相關(guān)常效，為為1/2m時限制性營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。如果各種營養(yǎng)物質(zhì)均大大過量的話，則=m，這時便是指數(shù)生長期。也就是說，處于指數(shù)生長期的微生物,其生長繁殖不受營養(yǎng)物質(zhì)的限制，因而具有最大比生長速率。如果發(fā)酵的目的是為了獲得微生物菌體的話，則應盡量設(shè)法維持指數(shù)生長期。微生物的最大比生長速率在工業(yè)上的意義微生物的最大比生長速率在工業(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速率接近其最大值。最大比生長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)。限制微生物生長代謝的并不是發(fā)酵液中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，而是營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞的速度。(三三)穩(wěn)定期穩(wěn)定期在細胞生長代謝過程中，培養(yǎng)基中的底物不斷被消耗，一些對微生物生長代謝有害的物質(zhì)在不斷積累。受此影響，微生物的生長速率和比生長速率就會逐漸下降，直至完全停止，這時就進入穩(wěn)定期。處于穩(wěn)定期的生物量增加十分緩慢或基本不變；但微生物細胞的代謝還在旺盛地進行著，細胞的組成物質(zhì)還在不斷變化。此時，有的細胞開始老化、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)可以用來維持生存下來的細胞的緩慢生長。微生物的很多代謝產(chǎn)物，尤其是次級代謝產(chǎn)物，是在進入穩(wěn)定期后才大量合成和分泌的。當微生物賴以生存的培養(yǎng)基中存在多種營養(yǎng) 物質(zhì)時，微生物將優(yōu)先利用其易于代謝的營養(yǎng)物質(zhì)，至其耗用完時，降解利用其他營養(yǎng)物質(zhì)的酶才能誘導合成或解除抑制。(四四)死亡期死亡期在死亡期，細胞的營養(yǎng)物質(zhì)和能源儲備已消耗殆盡，不能再維持細胞的生長和代謝，因而細胞開始死亡。這時，以生存細胞的數(shù)目的對數(shù)對時間作半對數(shù)圖，可得一直線，這說明微生物細胞的死亡呈指數(shù)比率增加。在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中在進入死亡期之前應及時將發(fā)酵液放罐處理。分批發(fā)酵產(chǎn)物形成的動力學分批發(fā)酵產(chǎn)物形成的動力學(一)生產(chǎn)連動型產(chǎn)物形成(I型發(fā)酵)生產(chǎn)連動型產(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、單細胞蛋白都屬于這種類型。在這種類型的發(fā)酵中，微生物的生長、碳水化合物的降解代謝和產(chǎn)物的形成幾乎是平行進行的，營養(yǎng)期和分化期彼此不分開。分批生物工藝中各種比速率(生長速率、基質(zhì)消耗qk和產(chǎn)物形成qp)之間關(guān)系的圖示生產(chǎn)連動型生產(chǎn)連動型產(chǎn)物的生成反應可表示如下：生產(chǎn)連動型產(chǎn)物的合成速率與微生物的比生長速率以及培養(yǎng)基中的菌體濃度呈正比。產(chǎn)物形成的比速率則與微生物的比生長速率呈正比。所以，對于這種類型的產(chǎn)物來說，調(diào)整發(fā)酵工藝參數(shù)，使微生物保持高的比生長速率，對于快速獲得產(chǎn)物、縮短發(fā)酵周期十分有利。(二)部分生長連動型產(chǎn)物形成(II型發(fā)酵)部分生長連動型產(chǎn)物又稱混合型產(chǎn)物，它們通常都間接地與微生物的初級產(chǎn)能代謝途徑相關(guān)，是由產(chǎn)能代謝派生的代謝途徑產(chǎn)生的。其生成反應可表示為；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。在分批發(fā)酵中，這種類型產(chǎn)物的形成分成兩個極限：起初，微生物消耗大量底物用于產(chǎn)能代謝和生長，而產(chǎn)物形成很緩饅，甚至根本不形成；此后，當微生物的生長速率開始減慢后，細胞開始大量消耗底物以合成產(chǎn)物。對這類產(chǎn)物來說，營養(yǎng)期和分化期在時間上是彼此分開的。分批生物工藝中各種比速率分批生物工藝中各種比速率(生長速率生長速率、基質(zhì)消耗基質(zhì)消耗qk和產(chǎn)物形成和產(chǎn)物形成qp)之間關(guān)系的圖示之間關(guān)系的圖示(b)部分生長連動型部分生長連動型產(chǎn)物的形成只與發(fā)酵被中的菌體濃度有關(guān)，而微生物的生長速率對它無直接影響。對于這一類型發(fā)酵，只要能保證獲得足夠高濃度的生物量，就可以獲得高速率的產(chǎn)物合成。(三三)非生長連動型產(chǎn)物形成非生長連動型產(chǎn)物形成(型發(fā)型發(fā)酸酸)非生長連動型的產(chǎn)物一般不是直接或間接來自微生物的產(chǎn)能降解代謝，而是通過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代謝和菌體生長，而沒有產(chǎn)物的合成。此時，營養(yǎng)物質(zhì)的消耗非常大。當培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)消耗盡、微生物的生長停止以后，產(chǎn)物才開始通過中間代謝大量合成。即產(chǎn)生該類產(chǎn)物的微生物，其營養(yǎng)期和分化期在時間上是完全分開的。非生產(chǎn)連動型的產(chǎn)物大多數(shù)是微生物的次級代謝產(chǎn)物，大多數(shù)的抗生素和生物毒素，以及維生素類。分批生物工藝中各種比速率(生長速率、基質(zhì)消耗qk和產(chǎn)物形成qp)之間關(guān)系的圖示c)非生長連動型二、分批補料培養(yǎng)技術(shù)二、分批補料培養(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)酵開始前加入反應器中的。一般來說，微生物生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)濃度并不十分高，往往在10Ks以上時就可達到最大比生長速率。在此基礎(chǔ)上，即使營養(yǎng)物質(zhì)濃度再進一步提高，比生長速率也不會再增加了。然而，在分批發(fā)酵工藝中，低濃度培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)會迅速耗盡，引起微生物過早地從指數(shù)生長期向穩(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。高高底物濃度的缺點底物濃度的缺點提高底物濃度可以延長微生物的指數(shù)生長期，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。尤為嚴重的是，微生物的許多次級代謝產(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。所謂分批補料培養(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)中補加一定的物料，使培養(yǎng)基中的底物濃度在較長時間內(nèi)保持在一定范圍內(nèi)，以維持微生物的生長和產(chǎn)物的形成，并避免不利因素的產(chǎn)生，從而達到提高容積產(chǎn)量、產(chǎn)物濃度和產(chǎn)物得率的目的。分批補料培養(yǎng)特點分批補料培養(yǎng)特點分批補料培養(yǎng)技術(shù)是介于分批培養(yǎng)相連續(xù)培養(yǎng)之間的一種發(fā)酵技術(shù)。由于在發(fā)酵過程中向發(fā)酵罐中補加了物料，分批補料系統(tǒng)不再是一個封閉的系統(tǒng)。分批補料系統(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)基體積不再是個常數(shù)，而是隨時間和物料流速而變化的變量。補料分批發(fā)酵法補料分批發(fā)酵法與傳統(tǒng)分批發(fā)酵相比，其優(yōu)點在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點為：可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?shù)木w濃度，使不致于加劇供氧的矛盾。避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物。適用范圍：補料分批發(fā)酵廣泛應用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有機酸及高聚物等的生產(chǎn)。四、連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)四、連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)與在密閉系統(tǒng)中進行的分批培養(yǎng)相反，連續(xù)培養(yǎng)是在開放系統(tǒng)中進行的。所謂連續(xù)培養(yǎng)，是指以一定的速率向發(fā)酵液中添加新鮮培養(yǎng)基的同時，以相同的速率流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定不變，使培養(yǎng)物在近似恒定狀態(tài)下生長的培養(yǎng)方法。(三三)連續(xù)發(fā)酵法連續(xù)發(fā)酵法從系統(tǒng)外部予以調(diào)整，使菌體維持在衡定生長速度下進行連續(xù)生長和發(fā)酵。要維持這一衡定的速度，必須使發(fā)酵罐中發(fā)酵液的稀釋度，恰恰等于該微生物的生長速度。大大提高了發(fā)酵的生長效率和設(shè)備利用率。恒定狀態(tài)可以有效地延長分批培養(yǎng)中的指數(shù)生長期。在恒定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件，如營養(yǎng)物質(zhì)濃度、產(chǎn)物濃度、pH值，以及微生物細胞的濃度、比生長速率等可以始終維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)生長速率。連續(xù)培養(yǎng)的工藝種類連續(xù)培養(yǎng)的工藝種類 1均勻混合的生物反應器 在這種反應器中，培養(yǎng)基經(jīng)攪拌而混合均勻，反應器中的各部分培養(yǎng)基間不存在濃度梯度。這種連續(xù)培養(yǎng)裝置又可進一步分為恒化器和恒濁器兩種。(1)恒化器是一種設(shè)法使培養(yǎng)液流速保持不變，并使微生物始終在低于其最高生長速率條件下進行生長繁殖的一種連續(xù)培養(yǎng)裝置。這是一種通過控制某一種營養(yǎng)物的濃度，使其始終成為生長限制因子的條件下達到的，因而可稱為外控制式的連續(xù)培養(yǎng)裝置。在恒化器中，一方面菌體密度會隨時間的增長而增高，另一方面，限制生長因子的濃度又會隨時間的增長而降低，兩者互相作用的結(jié)果，出現(xiàn)微生物的生長速率正好與恒速流入的新鮮培養(yǎng)基流速相平衡。這樣，既可獲得一定生長速率的均一菌體，又可獲得雖低于最高菌體產(chǎn)量，卻能保持穩(wěn)定菌體密度的菌體。(2)恒濁器 是根據(jù)培養(yǎng)器內(nèi)微生物的生長密度，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、生長速度恒定的微生物細胞的連續(xù)培養(yǎng)器。在這一系統(tǒng)中，當培養(yǎng)基的流速低于微生物生長速度時，菌體密度增高，這時通過光電控制系統(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，始終能以最高生長速率進行生長，并可在允許范圍內(nèi)控制不同的菌體密度。在生產(chǎn)實踐上，為了獲得大量菌體或與菌體生長相平行的某些代謝產(chǎn)物如乳酸、乙醇時，都可以利用恒濁器。在恒濁器中，微生物可維持該培養(yǎng)在分批培養(yǎng)時達到的最大生長速率。一般來說，恒濁器較難控制，目前大多數(shù)研究工作者都利用恒化器進行連續(xù)培養(yǎng)的研究。群體生長速率與臨界底物濃度的關(guān)系 2，活塞流反應器這是一種不均一的管狀反應器，培養(yǎng)基由反應器的一端流入，而從另一端流出。在這種反應器中，沒有返混現(xiàn)象，因而，反應器內(nèi)的培養(yǎng)基呈極化狀態(tài)，在其不同的部位，營養(yǎng)物的成分、細胞數(shù)目、傳質(zhì)效果、氧供應和生產(chǎn)量都不相同。對于這類反應器，在其入口處，加入物料的同時也必須加入微生物細胞。通常是在反應器的出口處裝一支路，使細胞返回，也可以來自另一連續(xù)培養(yǎng)裝置(種子供應系統(tǒng))。恒化器(A)、恒濁器(B)和活塞流反應器(c)中的連續(xù)發(fā)酵另外，這種反應器常用于固定化菌和固定化細胞所催化的反應，這時就無需再在進料口處加入催化劑。連續(xù)培養(yǎng)在生產(chǎn)上的應用還很有限的原因許多方法只能連續(xù)運轉(zhuǎn)20一200小時，而工業(yè)系統(tǒng)則要求必須能穩(wěn)定運行500一1000小時以上；工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模長時間保持無菌狀態(tài)有一定困難；連續(xù)培養(yǎng)所用培養(yǎng)基的組成要保持相對穩(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，在批與批之間有時會出現(xiàn)較大變化；當使用高產(chǎn)菌株進行生產(chǎn)時，回復突變可能發(fā)生。在連續(xù)培養(yǎng)過程中，回復突變的菌株有可能會取代生產(chǎn)菌株而成為優(yōu)勢菌株。連續(xù)發(fā)酵分類連續(xù)發(fā)酵分類開放式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)：單罐均勻混 合連續(xù)發(fā)酵、多罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵、管道非均勻混合連續(xù)發(fā)酵、塔式非均勻混合連續(xù)發(fā)酵封閉式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)：連續(xù)發(fā)酵類型連續(xù)發(fā)酵類型類型開放式(菌體取出)封閉式(菌體不取出)單罐多罐單罐多罐均勻混合非循環(huán)攪拌發(fā)酵罐攪拌罐(串聯(lián))透析膜培養(yǎng)循環(huán)攪拌發(fā)酵罐(菌體部分重復使用)攪拌罐串聯(lián)(菌體部分重復使用)攪拌發(fā)酵罐(菌體100重復使用)攪拌發(fā)酵罐串 聯(lián)(菌 體100重復使用)非均勻混合非循環(huán)管道發(fā)酵器塔式發(fā)酵罐塔式發(fā)酵罐裝有隔板的管道發(fā)酵器(臥式、立式)塔式發(fā)酵罐(菌體100重復使用)塔式發(fā)酵罐(菌 體 100重復使用)循環(huán)管道發(fā)酵器塔式發(fā)酵罐(菌體部分重復使用)塔式發(fā)酵罐裝有隔板的管道發(fā)酵器(菌體部分重復使用)管道發(fā)酵器(菌體100重復使用)塔式發(fā)酵罐裝有隔板的管 道(菌 體100重復使用)1開放式連續(xù)發(fā)酵開放式連續(xù)發(fā)酵 在開放式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)中，培養(yǎng)系統(tǒng)中的微生物細胞隨著發(fā)酵液的流出而一起流出，細胞流出速度等于新細胞形成速度。因此在這種情況下，可使細胞濃度處于某種穩(wěn)定狀態(tài)。另外，最后流出的發(fā)酵液如部分返回(反饋)發(fā)酵罐進行重復使用，則該裝置叫做循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)酵液不重復使用的裝置叫做不循環(huán)系統(tǒng)。(1)單罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵：培養(yǎng)液以一定的流速不斷地流加到帶機械攪拌的發(fā)酵罐中，與罐內(nèi)發(fā)酵液充分混合，同時帶有細胞和產(chǎn)物的發(fā)酵液又以同樣流速連續(xù)流出。如果用一個裝置將流出的發(fā)酵液中部分細胞返回發(fā)酵罐，就構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)。(2)多罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵：將若干攪拌發(fā)酵罐串聯(lián)起來，就構(gòu)成多罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵裝置。新鮮培養(yǎng)液不斷流人第一只發(fā)酵罐，發(fā)酵液以同樣流速依次流人下一只發(fā)酵罐，在最后一只罐中流出。多級連續(xù)發(fā)酵可以在每個罐中控制不同的環(huán)境條件以滿足微生物生長各階段的不同需要，并能使培養(yǎng)液中的營養(yǎng)成分得到較充分的利用，最后流出的發(fā)酵液中細胞和產(chǎn)物的濃度較高，所以是最經(jīng)濟的連續(xù)方法。(3)管道非均勻混合連續(xù)發(fā)酵：管道的形式有多種，如直線形、S形、蛇形管等。培養(yǎng)液和從種子罐來的種子不斷流入管道發(fā)酵器內(nèi)，使微生物在其中生長。這種連續(xù)發(fā)酵的方法主要用于厭氧發(fā)酵。如在管道中用隔板加以分隔，每一個分隔等于一臺發(fā)酵罐，就相當于多罐串聯(lián)的連續(xù)發(fā)酵。(4)塔式非均勻混合連續(xù)發(fā)酵：塔式發(fā)酵罐有兩種：一種是用多孔板將其分隔成若干室，每個室等于一臺發(fā)酵罐，這樣一臺多孔板塔式發(fā)酵罐就相當于一組多級串聯(lián)的連續(xù)發(fā)酵裝置。另一種是在罐內(nèi)裝設(shè)填充物，使菌體在上面生長，這種形式仍然屬于單罐式。2封閉式連續(xù)發(fā)酵封閉式連續(xù)發(fā)酵在封閉式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)中，運用某種方法使細胞一直保持在培養(yǎng)器內(nèi)，并使其數(shù)量不斷增加。這種條件下，某些限制因素在培養(yǎng)器中發(fā)生變化，最后大部分細胞死亡。因此在這種系統(tǒng)中，不可能維持穩(wěn)定狀態(tài)。封閉式連續(xù)發(fā)酵可以用開放式連續(xù)發(fā)酵設(shè)備加以改裝，只要使全部菌體重新循環(huán)使用。另一種方法是采用間隔物或填充物置于設(shè)備內(nèi)，使菌體在上面生長，發(fā)酵液流出時不帶細胞或所帶細胞極少。透析膜連續(xù)發(fā)酵是一個新方法，它是采用一種具有微孔的有機膜將發(fā)酵設(shè)備分隔，這種膜只能通過發(fā)酵產(chǎn)物，而不能通過菌體細胞。將培養(yǎng)液連續(xù)流加到發(fā)酵設(shè)備的具有菌體的間隔中，微生物的代謝產(chǎn)物就通過透析膜連續(xù)不斷地從另一間隔流出。在一些發(fā)酵過程中，當發(fā)酵液中代謝產(chǎn)物積累到一定程度時就會抑制它的繼續(xù)積累，而采用透析膜發(fā)酵的方法可使代謝產(chǎn)物不斷透析出去，發(fā)酵液中留下不多，因而可以提高產(chǎn)品得率。單級連續(xù)發(fā)酵的設(shè)計原則單級連續(xù)發(fā)酵的設(shè)計原則對于正確設(shè)計一種連續(xù)發(fā)酵方案，重要的是選擇適宜的稀釋度D，為此必須了解產(chǎn)率Yx/s，生長比速率，最大比生長速率m、飽和常數(shù)Ks、產(chǎn)物形成速率以及營養(yǎng)消耗速率等。如何決定最合適的D值，具有很大經(jīng)濟意義，它不僅和產(chǎn)量曲線(DX)有關(guān)，而且還應考慮原料的類型、價格、產(chǎn)品的經(jīng)濟價值等方面。連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)點連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)點1.有利于縮短發(fā)酵周期，提高勞動生產(chǎn)率。連續(xù)發(fā)酵減少分批發(fā)酵中的清洗、投料、消毒等輔助時間，大大縮短發(fā)酵周期和提高設(shè)備利用率。同時連續(xù)培養(yǎng)過程始終使細胞生長處于最高生長繁殖狀態(tài)，因此可明顯提高生產(chǎn)效率，特別是對生產(chǎn)周期短的產(chǎn)品，效果更為顯著。2.連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)過程比較穩(wěn)定、均衡，各項參數(shù)也較恒定，便于自動化控制，品質(zhì)量穩(wěn)定。3.由于連續(xù)發(fā)酵采用管道化和自動化生產(chǎn)，明顯降低勞動強度。雖然取Dm時的稀釋度可以獲得最大的產(chǎn)量，但因稀釋度較高，流出液中未被利用的營養(yǎng)物也較多，當原料價格較貴時，為充分利用基質(zhì)，應適當降低D值。如果產(chǎn)品有較大經(jīng)濟效益，則可采用接近Dm時的稀釋度。連續(xù)發(fā)酵存在的問題連續(xù)發(fā)酵存在的問題 特別是以中間代謝產(chǎn)物為發(fā)酵產(chǎn)品的發(fā)酵，在理論和實踐上都沒有完全解決，如發(fā)酵過程中微生物生理生化特性變化，發(fā)酵動力學等并未充分了解。在生產(chǎn)上要保持在連續(xù)發(fā)酵的整個過程中，生產(chǎn)菌株不發(fā)生退化也十分不容易。長時間的連續(xù)發(fā)酵中對發(fā)酵設(shè)備和空氣凈化系統(tǒng)的無菌要求更高。不能保持長時間的無菌操作是導致連續(xù)發(fā)酵失敗的主要原因。對于某些原材料價格昂貴的產(chǎn)品，由于連續(xù)發(fā)酵對基質(zhì)利用率較低，往往造成生產(chǎn)成本的增加。連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點高效，它簡化了裝料、滅菌、出料、清洗發(fā)酵罐等許多單元操作，從而減少了非生產(chǎn)時間和提高了設(shè)備的利用率；自控，便于利用各種儀表進行自動控制；產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定；生長與代謝產(chǎn)物形成的兩種類型節(jié)約了大量動力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、電的負荷均勻合理。連續(xù)發(fā)酵缺點連續(xù)發(fā)酵缺點菌種易于退化。其次是易遭雜菌污染。所謂“連續(xù)”是有時間限制的，一般可達數(shù)月至一、二年。在連續(xù)培養(yǎng)中，營養(yǎng)物的利用率一般亦低于單批培養(yǎng)。連續(xù)發(fā)酵的應用連續(xù)發(fā)酵的應用 采用連續(xù)發(fā)酵的方法可以有效地提高產(chǎn)量，但是也存在著某些較難克服的困難，因此目前僅在些比較簡單的發(fā)酵產(chǎn)品中應用，如酵母，單細胞蛋白，酒精發(fā)酵、丙酮乙醇、石油脫蠟、活性污泥廢水處理等。其余產(chǎn)品的連續(xù)發(fā)酵尚未工業(yè)化生產(chǎn)。