第八章-发酵培养方法及发酵动力学课件

第八章发酵培养方法及发酵动力学第八章发酵培养方法及发酵动力学1根据操作方式不同分为：分批培养：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。连续培养：反应开始后，一方面把底物连续地供给到反应器中，另一方面又把反应液连续不断地取出，使反应条件不随时间变化。分批补料培养：介于分批与连续培养之间，又分为。半分批培养（流加培养）反复分批培养反复半分批式培养第一节发酵培养的方法根据操作方式不同分为：第一节发酵培养的方法2一、分批发酵培养基中接入菌种以后，除了空气的进出，没有物料的加入和取出。过程中发酵参数（菌浓、底物浓度、产物浓度等）都随时间变化。F(X,P,S,T,...,t)一、分批发酵培养基中接入菌种以后，除了空气的进出，没有物料3分批发酵的特点优点可进行少量多品种的发酵生产原料要求较粗放操作简单周期短染菌机会少缺点产率低不适于测定动力学数据分批发酵的特点优点4分批培养中微生物的生长迟滞期对数生长期稳定期衰亡期分批培养中微生物的生长迟滞期对数生长期稳定期衰亡5二、分批补料培养技术较低浓度底物补加底物底物消耗底物浓度保持在一定范围维持微生物生长促进产物形成避免不利因素产生体积产量、产物浓度和产物得率提高二、分批补料培养技术较低浓度底物补加底物底物消耗底物浓度保持6优点：在于使发酵系统维持低的基质浓度。低基质浓度的优点为：①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，使不致于加剧供氧的矛盾。②避免培养基积累有毒代谢物。缺点：增加了染菌机会；比生产速率下降。适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶、核苷酸、有机酸等的生产。分批补料培养特点优点：在于使发酵系统维持低的基质浓度。分批补料培养特点7三、连续培养技术连续进出料液，保持发酵液体积恒定，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。达到稳态后，整个过程中所有发酵参数（X、P、S等）恒定不变。优点：高效、可自控、产品质量稳定、降低劳动强度等三、连续培养技术连续进出料液，保持发酵液体积恒定，使培养物在8

连续培养过程中的主要问题

易遭杂菌污染生产菌株突变问题（菌种易退化）回复突变的菌株有可能会取代生产菌株而成为优势菌株，使连续发酵过程失败。培养基质量工业培养基的组成成分，如玉米浆、蛋白胨和淀粉等，批与批之间有时会出现较大变化。

连续培养过程中的主要问题

易遭杂菌污染9连续培养装置均匀混合的生物反应器恒化器恒浊器非均匀混合的生物反应器活塞流反应器连续培养装置均匀混合的生物反应器10恒化器(A)、恒浊器(B)和活塞流反应器(C)中的连续发酵恒化器(A)、恒浊器(B)和活塞流反应器(C)中的连续发酵11第二节发酵动力学基本概念

发酵动力学是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。第二节发酵动力学基本概念发酵动力学是研究发酵过程中菌体121.常用参数符号及意义X：细胞干重（g/L）S：底物浓度（g/L）P：产物浓度（g/L)T：温度（ºC）t：发酵时间（h）F：补料速率或体积流率（L/h）V：发酵体积（L）D：稀释率（F/V，h-1）1.常用参数符号及意义X：细胞干重（g/L）132.发酵动力学中常用术语得率(Y)，是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系，包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS。（1）得率2.发酵动力学中常用术语得率(Y)，是指被消耗的物质和14产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或mol数)，即YP/S=P/(S。-S)。转化率：（已经反应的基质量）/（总共加入的基质量）*100%

产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数15基质消耗速率：菌体生长速率：(g·L-1·h-1)(g·L-1·h-1)XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）（2）发酵过程反应速度的描述产物生成速率：(g·L-1·h-1)基质消耗速率：菌体生长速率：(g·L-1·h-1)(g·L-16基质的消耗比速：（比消耗速率）(qs,h-1)菌体的生长比速：（比生长速率）产物的形成比速：（比生成速率）(qx,h-1)(qp,h-1)单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念基质的消耗比速：(qs,h-1)菌体的生长比速：产物的形成17第三节发酵动力学与发酵过程控制

F0,S0,X0,P0S,X,Xd,V,PF,S,X,P,Xd第三节发酵动力学与发酵过程控制F0,S0,X0,P181、微生物细胞的生长动力学

一、发酵动力学

细胞量的积累速率=细胞生长速率–细胞的死亡速率+细胞的添加速率-细胞的移去速率死细胞积累速率1、微生物细胞的生长动力学一、发酵动力学细胞量的积累速率19

菌体生长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

在对数生长期，是一个常数，这时

（1）比生长速率（μ)如何推导？（1）比生长速率（μ)如何推导？20例题：某微生物的＝0.125h-1，求td。此式可在△t=td（td为倍增时间）时求得，td即在时所需时间，于是td=ln2/μ=0.693/μ。为比生长速率，单位是h-1。此式可在△t=td（td为倍增时间）时求得，td21（2）微生物的生长动力学、Monod方程微生物的生长速度：

μ＝f(S,P,T,pH,……,)在一定条件下(基质限制)：μ＝f(S)（2）微生物的生长动力学、Monod方程微生物的生长22现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年指出，在培养基中无抑制剂存在的情况下，细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示：现代细胞生长动力学的奠基人Monod在123μ：菌体的比生长速率S：限制性基质浓度Ks：半饱和常数μmax:最大比生长速率μ单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。（Monod方程）μmax/2Ksμ：菌体的比生长速率μ单一限制性基质：就是指在培养微生24Monod方程中：比生长速率(h-1)；：最大比生长速率(h-1)S：限制性基质浓度(g/L)；Ks：饱和常数(g/L)，当μ等于1/2时的限制性基质浓度。

Monod方程中25Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或：这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速率，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数26例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)27μmax＝1.11(h-1);

Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64hμmax＝1.11(h-1);td＝ln2/282、基质的利用

基质的消耗速率=补料中基质的添加速率-基质的移去速率

-生长消耗的基质速率-产物合成用去的基质速率-维持细胞活性所消耗的基质速率

2、基质的利用基质的消耗速率=补料中基质的添加速率-29S1

菌体SS2

产物S3

维持

XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+维持m:维持消耗系数YP/s:产物对基质的理论得率系数YX/s:细胞对基质的理论得率系数S1菌体SS2产物S330

3、产物的形成产物形成的速率=产物合成速率–产物移去速率–产物被破坏速率（一般P0=0）3、产物的形成产物形成的速率=产物合成速率–产物移31类型Ⅰ（相关模型）：产物的形成和菌体的生长相偶联，乙醇、葡萄糖酸、乳酸；类型Ⅱ（部分相关模型）：产物的形成和菌体的生长部分偶联，柠檬酸、氨基酸；类型Ⅲ（非相关模型）：产物的形成和菌体的生长不偶联，抗生素、微生物毒素。产物生成与细胞生长之间的关系类型Ⅰ（相关模型）：产物的形成和菌体的生长相偶联，乙醇、葡萄32〖类型I〗

α

≠0、β

=0、（类型I）〖类型I〗α≠0、β=0、（类型I）33〖类型II〗

α

≠0、β

≠0、（类型II）〖类型II〗α≠0、β≠0、（类型II）34〖类型III〗xp

α

=0、β

≠0、（类型III）〖类型III〗xpα=0、β≠0、（类型III）35二、发酵过程的代谢变化规律

(一)分批发酵1.菌体生长及基质利用动力学分批发酵情况下如何简化？二、发酵过程的代谢变化规律(一)分批发酵分批发酵情36时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期稳定期衰亡期延迟期：指数生长期:倍增时间：td减速期:稳定期：衰亡期:μ=0μ>0μ=0μ<02.分批发酵过程微生物的生长情况时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期稳定期衰亡期延迟期：指数生37Monod方程的适用范围。时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期稳定期衰亡期Monod方程的适用范围。时间菌体浓度延迟38

3.分批发酵过程的生产率

每升发酵液每小时产生的产物（或菌体）克数（g/L/h），是对发酵过程总成果的一种衡量。总生产率:发酵总周期为：3.分批发酵过程的生产率每升发酵液每小时产生的产物（或39第八章-发酵培养方法及发酵动力学课件40(二)连续发酵

F0=F反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等F0,S0,X0,P0S,X,Xd,V,PF,S,X,P,Xd(二)连续发酵F0=F反应器内(V)全混流溶质浓度411.基于细胞量（X）的物料平衡

细胞的进入速率－细胞的流出速率＋细胞的生长速率－细胞的死亡速率＝细胞的积累速率1.基于细胞量（X）的物料平衡细胞的进入速率－细胞的流42简化后：在连续培养系统达到稳定状态时，上式可变为：

简化后：在连续培养系统达到稳定状态时43在连续培养技术中被称为稀释速率，用符号“D”表示

（等于培养液在罐中平均停留时间τ的倒数）在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。

在连续培养技术中被称为稀释速率，用符号“D”表示442.基于限制性营养成分（S）的物料平衡

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－用于维持的养分消耗的速率－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2.基于限制性营养成分（S）的物料平衡45在稳定状态下，则以代入上式，得在稳定状态下，则46

生产率

每升发酵液每小时产生的产物克数（g/L/h）b=DX（或DP）请大家自己推导

生产率

每升发酵液每小时产生的产物克数（g/L/h）47连续培养的操作特性连续培养的操作特性48第四节发酵动力学计算实例1.Monod方程有关参数计算例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?第四节发酵动力学计算实例1.Monod方程有关参数计算例49μmax＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221μmax＝1.11(h-1);td＝ln2/502.假设通过实验测定，反应基质十六烷烃或葡萄糖中有2/3的碳转化为细胞中的碳。计算下述反应的得率系数YX/S（g干细胞/g基质）和YX/O：十六烷烃：C16H34+12.427O2+2.085NH3→2.42(C4.4H7.3N0.86O1.2)+12.43H2O+5.33CO2葡萄糖：C6H12O6+1.473O2+0.782NH3→0.909(C4.4H7.3N0.86O1.2)+3.854H2O+2CO2解：(a)正十六烷烃91.34YX/S=——×2.42=0.98g干细胞/g基质22691.342.42YX/O=——×———=0.557g干细胞/g氧3212.4272.假设通过实验测定，反应基质十六烷烃或葡萄糖中有2/3的51(b)葡萄糖91.34YX/S=——×0.909=0.461g干细胞/g基质180

91.340.909YX/O=——×———=1.76g干细胞/g氧321.473(b)葡萄糖523.酵母在需氧条件下，以乙醇为基质进行生长可表示下列总反应式：

C2H5OH+aO2+bNH3→cCH1.704N0.149O0.408+dCO2+

eH2O试求：（1）当RQ=0.66时，a、b、c、d和e的值。（2）确定YX/S和YX/O2的值。注：RQ—呼吸熵，为二氧化碳释放速率与氧消耗速率的比值。3.酵母在需氧条件下，以乙醇为基质进行生长可表示下列总反应534.在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间歇培养时得到结果如表所示：时间/hX/(g/L)S/(g/L)时间/hX/(g/L)S/(g/L)00.29.23123.24.620.2119.21145.60.9240.3069.07166.150.07780.988.03186.20101.776.8试求：

（1）μmax值；（2）YX/S值；（3）细胞倍增时间td值；（4）饱和常数Ks值；（5）在t=10h时比生长速率μ值。4.在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间歇培养时得到结545.某一发酵过程是在一连续搅拌的釜式反应器中进行，反应基质连续稳定地加入，反应产物连续稳定流出。假设其发酵反应可表示为S+X→X+P。

若已知X0=0，P0=0，反应器有效体积为1L。现改变加入反应器内基质的流量和浓度，同时测定反应器出口未反应基质和细菌的浓度，得到的数据列于下表。序号F(L/h)S0(mol/L)S(mol/L)X(g/L)τmh122002217.80.524100505.00.2536100851.50.174102502005.00.10

τm：物料在反应器内平均停留时间，有τm=1/D。

试根据上述数据，确定其速率方程式。5.某一发酵过程是在一连续搅拌的釜式反应器中进行，反应基质556.间歇培养和连续培养过程生产率和最大生产率的计算。（1）间歇培养

对一定反应S→P

总生产率为

X（或）P

P=——————

tf+tT+tL+tD

生产率达到最大时，dP/dtf=0，即

dP(tf+tT+tL+tD)dX/dt-X

——=——————————=0

dt(tf+tT+tL+tD)2

则得到

dXX

—=—————

dttf+tT+tL+tD6.间歇培养和连续培养过程生产率和最大生产率的计算。（1）56(2)连续培养在单级CSTR中进行符合Monod模型的简单细胞反应，其优化的目标函数一般以单位体积的细胞产量X为最大，b一般称为细胞的生产率。

b=DX所以，KsD

b=DYX/S(S0－—————)µmax

－D当b最大时，有db/dD=0，相应稀释率D称为最佳稀释率Dopt，并有KsDopt=µmax（1-———）Ks+S0Dopt(2)连续培养Dopt577.在甘露糖醇中培养大肠杆菌，其动力学方程式为

1.2×S

rX=————Xg/(L·min)

2+S

已知S0=6g/L，YX/S=0.1

试问：（1）当甘露糖醇溶液以1L/min的流量进入体积为5L的CSTR中进行反应时，其反应器内细胞的浓度及其生长速率为多少？

（2）如果寻求使大肠杆菌在CSTR内的生长速率达到最大，试问最佳加料速率是多少？大肠杆菌的生长速率为多大？7.在甘露糖醇中培养大肠杆菌，其动力学方程式为

58第八章发酵培养方法及发酵动力学第八章发酵培养方法及发酵动力学59根据操作方式不同分为：分批培养：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。连续培养：反应开始后，一方面把底物连续地供给到反应器中，另一方面又把反应液连续不断地取出，使反应条件不随时间变化。分批补料培养：介于分批与连续培养之间，又分为。半分批培养（流加培养）反复分批培养反复半分批式培养第一节发酵培养的方法根据操作方式不同分为：第一节发酵培养的方法60一、分批发酵培养基中接入菌种以后，除了空气的进出，没有物料的加入和取出。过程中发酵参数（菌浓、底物浓度、产物浓度等）都随时间变化。F(X,P,S,T,...,t)一、分批发酵培养基中接入菌种以后，除了空气的进出，没有物料61分批发酵的特点优点可进行少量多品种的发酵生产原料要求较粗放操作简单周期短染菌机会少缺点产率低不适于测定动力学数据分批发酵的特点优点62分批培养中微生物的生长迟滞期对数生长期稳定期衰亡期分批培养中微生物的生长迟滞期对数生长期稳定期衰亡63二、分批补料培养技术较低浓度底物补加底物底物消耗底物浓度保持在一定范围维持微生物生长促进产物形成避免不利因素产生体积产量、产物浓度和产物得率提高二、分批补料培养技术较低浓度底物补加底物底物消耗底物浓度保持64优点：在于使发酵系统维持低的基质浓度。低基质浓度的优点为：①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，使不致于加剧供氧的矛盾。②避免培养基积累有毒代谢物。缺点：增加了染菌机会；比生产速率下降。适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶、核苷酸、有机酸等的生产。分批补料培养特点优点：在于使发酵系统维持低的基质浓度。分批补料培养特点65三、连续培养技术连续进出料液，保持发酵液体积恒定，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。达到稳态后，整个过程中所有发酵参数（X、P、S等）恒定不变。优点：高效、可自控、产品质量稳定、降低劳动强度等三、连续培养技术连续进出料液，保持发酵液体积恒定，使培养物在66

连续培养过程中的主要问题

易遭杂菌污染生产菌株突变问题（菌种易退化）回复突变的菌株有可能会取代生产菌株而成为优势菌株，使连续发酵过程失败。培养基质量工业培养基的组成成分，如玉米浆、蛋白胨和淀粉等，批与批之间有时会出现较大变化。

连续培养过程中的主要问题

易遭杂菌污染67连续培养装置均匀混合的生物反应器恒化器恒浊器非均匀混合的生物反应器活塞流反应器连续培养装置均匀混合的生物反应器68恒化器(A)、恒浊器(B)和活塞流反应器(C)中的连续发酵恒化器(A)、恒浊器(B)和活塞流反应器(C)中的连续发酵69第二节发酵动力学基本概念

发酵动力学是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。第二节发酵动力学基本概念发酵动力学是研究发酵过程中菌体701.常用参数符号及意义X：细胞干重（g/L）S：底物浓度（g/L）P：产物浓度（g/L)T：温度（ºC）t：发酵时间（h）F：补料速率或体积流率（L/h）V：发酵体积（L）D：稀释率（F/V，h-1）1.常用参数符号及意义X：细胞干重（g/L）712.发酵动力学中常用术语得率(Y)，是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系，包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS。（1）得率2.发酵动力学中常用术语得率(Y)，是指被消耗的物质和72产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或mol数)，即YP/S=P/(S。-S)。转化率：（已经反应的基质量）/（总共加入的基质量）*100%

产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数73基质消耗速率：菌体生长速率：(g·L-1·h-1)(g·L-1·h-1)XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）（2）发酵过程反应速度的描述产物生成速率：(g·L-1·h-1)基质消耗速率：菌体生长速率：(g·L-1·h-1)(g·L-74基质的消耗比速：（比消耗速率）(qs,h-1)菌体的生长比速：（比生长速率）产物的形成比速：（比生成速率）(qx,h-1)(qp,h-1)单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念基质的消耗比速：(qs,h-1)菌体的生长比速：产物的形成75第三节发酵动力学与发酵过程控制

F0,S0,X0,P0S,X,Xd,V,PF,S,X,P,Xd第三节发酵动力学与发酵过程控制F0,S0,X0,P761、微生物细胞的生长动力学

一、发酵动力学

细胞量的积累速率=细胞生长速率–细胞的死亡速率+细胞的添加速率-细胞的移去速率死细胞积累速率1、微生物细胞的生长动力学一、发酵动力学细胞量的积累速率77

菌体生长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

在对数生长期，是一个常数，这时

（1）比生长速率（μ)如何推导？（1）比生长速率（μ)如何推导？78例题：某微生物的＝0.125h-1，求td。此式可在△t=td（td为倍增时间）时求得，td即在时所需时间，于是td=ln2/μ=0.693/μ。为比生长速率，单位是h-1。此式可在△t=td（td为倍增时间）时求得，td79（2）微生物的生长动力学、Monod方程微生物的生长速度：

μ＝f(S,P,T,pH,……,)在一定条件下(基质限制)：μ＝f(S)（2）微生物的生长动力学、Monod方程微生物的生长80现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年指出，在培养基中无抑制剂存在的情况下，细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示：现代细胞生长动力学的奠基人Monod在181μ：菌体的比生长速率S：限制性基质浓度Ks：半饱和常数μmax:最大比生长速率μ单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。（Monod方程）μmax/2Ksμ：菌体的比生长速率μ单一限制性基质：就是指在培养微生82Monod方程中：比生长速率(h-1)；：最大比生长速率(h-1)S：限制性基质浓度(g/L)；Ks：饱和常数(g/L)，当μ等于1/2时的限制性基质浓度。

Monod方程中83Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或：这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速率，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数84例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)85μmax＝1.11(h-1);

Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64hμmax＝1.11(h-1);td＝ln2/862、基质的利用

基质的消耗速率=补料中基质的添加速率-基质的移去速率

-生长消耗的基质速率-产物合成用去的基质速率-维持细胞活性所消耗的基质速率

2、基质的利用基质的消耗速率=补料中基质的添加速率-87S1

菌体SS2

产物S3

维持

XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+维持m:维持消耗系数YP/s:产物对基质的理论得率系数YX/s:细胞对基质的理论得率系数S1菌体SS2产物S388

3、产物的形成产物形成的速率=产物合成速率–产物移去速率–产物被破坏速率（一般P0=0）3、产物的形成产物形成的速率=产物合成速率–产物移89类型Ⅰ（相关模型）：产物的形成和菌体的生长相偶联，乙醇、葡萄糖酸、乳酸；类型Ⅱ（部分相关模型）：产物的形成和菌体的生长部分偶联，柠檬酸、氨基酸；类型Ⅲ（非相关模型）：产物的形成和菌体的生长不偶联，抗生素、微生物毒素。产物生成与细胞生长之间的关系类型Ⅰ（相关模型）：产物的形成和菌体的生长相偶联，乙醇、葡萄90〖类型I〗

α

≠0、β

=0、（类型I）〖类型I〗α≠0、β=0、（类型I）91〖类型II〗

α

≠0、β

≠0、（类型II）〖类型II〗α≠0、β≠0、（类型II）92〖类型III〗xp

α

=0、β

≠0、（类型III）〖类型III〗xpα=0、β≠0、（类型III）93二、发酵过程的代谢变化规律

(一)分批发酵1.菌体生长及基质利用动力学分批发酵情况下如何简化？二、发酵过程的代谢变化规律(一)分批发酵分批发酵情94时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期稳定期衰亡期延迟期：指数生长期:倍增时间：td减速期:稳定期：衰亡期:μ=0μ>0μ=0μ<02.分批发酵过程微生物的生长情况时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期稳定期衰亡期延迟期：指数生95Monod方程的适用范围。时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期稳定期衰亡期Monod方程的适用范围。时间菌体浓度延迟96

3.分批发酵过程的生产率

每升发酵液每小时产生的产物（或菌体）克数（g/L/h），是对发酵过程总成果的一种衡量。总生产率:发酵总周期为：3.分批发酵过程的生产率每升发酵液每小时产生的产物（或97第八章-发酵培养方法及发酵动力学课件98(二)连续发酵

F0=F反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等F0,S0,X0,P0S,X,Xd,V,PF,S,X,P,Xd(二)连续发酵F0=F反应器内(V)全混流溶质浓度991.基于细胞量（X）的物料平衡

细胞的进入速率－细胞的流出速率＋细胞的生长速率－细胞的死亡速率＝细胞的积累速率1.基于细胞量（X）的物料平衡细胞的进入速率－细胞的流100简化后：在连续培养系统达到稳定状态时，上式可变为：

简化后：在连续培养系统达到稳定状态时101在连续培养技术中被称为稀释速率，用符号“D”表示

（等于培养液在罐中平均停留时间τ的倒数）在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。

在连续培养技术中被称为稀释速率，用符号“D”表示1022.基于限制性营养成分（S）的物料平衡

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－用于维持的养分消耗的速率－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2.基于限制性营养成分（S）的物料平衡103在稳定状态下，则以代入上式，得在稳定状态下，则104

生产率

每升发酵液每小时产生的产物克数（g/L/h）b=DX（或DP）请大家自己推导

生产率

每升发酵液每小时产生的产物克数（g/L/h）105连续培养的操作特性连续培养的操作特性106第四节发酵动力学计算实例1.Monod方程有关参数计算例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?第四节发酵动力学计算实例1.Monod方程有关参数计算例107μmax＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221μmax＝1.11(h-1);td＝ln2/1082.假设通过实验测定，反应基质十六烷烃或葡萄糖中有2/3的碳转化为细胞中的碳。计算下述反应的得率系数YX/S（g干细胞/g基质）和YX/O：十六烷烃：C16H34+12.427O2+2.085NH3→2.42(C4.4H7.3N0.86O1.2)+12.43H2O+5.33CO2葡萄糖：C6H12O6+1.473O2+0.782NH3→0.909(C4.4H7.3N0.86O1.2)+3.854H2O+2CO2解：(a)正十六烷烃91.34YX/S=——×2.42=0.98g干细胞/g基质22691.342.42YX/O=——×———=0.557g干细胞/g氧3212.4272.假设通过实验测定，反应基质十六烷烃或葡萄糖中有2/3的109(b)葡萄糖91.34YX/S=——×0.909=0.461g干细胞/g基质180

91.340.909YX/O=——×———=1.76g干细胞/g氧321.473(b)葡萄糖1103.酵母在需氧条件下，以乙醇为基质进行生长可表示下列总反应式：

C2H5OH+aO2+bNH3→cCH1.704N0.149O0.408+dCO2+

eH2O试求：（1）当RQ=0.66时，a、b、c、d和e的值。（2）确定YX/S和YX/O2的值。注：RQ—呼吸熵，为二氧化碳释放速率与氧消耗速率的比值。3.酵母在需氧条件下，以乙醇为基质进行生长可表示下列总反应1114.在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间歇培养时得到结果如表所示：时间/hX/(g/L)S/