发酵动力学与发酵

发酵动力学与发酵1、本征动力学（又称微观动力学）

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，而与传递因素无关。

2、反应器动力学（又称宏观动力学）

在一反应器内所观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形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。

由于生物反应过程的复杂性，给生物反应动力学带来了多样性。例如对酶催化反应，反应动力学可表达为分子水平动力学；对微生物发酵反应，其动力学可在细胞水平上表达；对废水的生物处理，则可表达为群体动力学。每个表达水平都有其独特特征，这些特征需要有其特有的动力学处理方法。第一节发酵动力学

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律的科学。用数学模型定量地表达发酵过程中各种与生长、基质代谢、产物生成有关的因素，是发酵动力学研究的重要方法。

研究发酵动力学的目的在于按人们的需要控制发酵过程。

一、产物合成动力学

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，可以看出产物的形成与生长和细胞浓度的关系

1、细胞的生长

细胞量的积累速率=细胞生长速率－细胞的消失速率

X—菌体浓度

μ

—比生长速率F0—培养液移走速率V—培养液体积

2、基质的利用

基质的消耗速率=补料中基质的添加速率－生长消耗基质的速率－产物合成用去基质的速率－维持所消耗基质的速率－基质的移去速率

S—基质浓度Fi—补料速率—以消耗的基质为基准的细胞得率系数（g细胞/g消耗的基质）—以消耗的基质为基准的产物生成系数，即转化率（g产物/g消耗的基质）—产物的比生产速率。它的意义是单位浓度的生产菌细胞在单位时间形成的产物量。其数学表达式为

其中：P—产物的浓度；

—单位质量细胞生成的产物量（g产物/g细胞）。m为维持系数，它表示单位浓度的细胞在单位时间里用于细胞物质的转化、营养物质的运输、产物的分泌等生命活动所消耗的基质量。

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

K—产物破坏常数这些方程对稳态和非稳态发酵过程均适用，但在非稳态发酵过程中得到其方程解是困难的。如果过程中不存在补料或产物的移去，即为间歇发酵，则碳和能源的方程可改为显而易见，碳源（一般是培养基组分中成本最高的）被用于细胞的合成和生命活动的维持以及产物的合成中。重排上式得

—基质利用的比速率

二、代谢产物形成的动力学模型

Gaden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：类型Ⅰ称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模型；类型Ⅱ称为部分相关模型，或称不完全伴随生长的产物形成模型；类型Ⅲ称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成模型。

类型Ⅰ

类型Ⅰ是指产物的生成与细胞的生长相关的过程，此时产物通常是基质的分解代谢产物，代谢产物的生成与细胞的生长是同步的。动力学方程为：

或类型Ⅱ该类反应产物的生成与细胞生长仅有间接关系。在细胞生长期内，基本无产物生成。对此类生长模型，其μ和qS下降到一定值后，产物生成才比较明显，qP增大。当进入产物生成期，qP与μ和qS基本同步。其动力学方程可表示为：或该式又称为Leudeking-Piret方程。类型Ⅲ

产物的生成与细胞的生长无直接联系。它的特点是当细胞处于生长阶段时，并无产物积累，而当细胞停止生长后，产物却大量生成。在反应前期，rP和qP都很小，反应后期rP和qP值很大，而rX和μ则很小，甚至为0。此时产物生成速率可表示为：或

习惯上把与生长无关联的产物称为次级代谢产物，他们的合成发生在生长停止之后。次级代谢作用的一个重要特征是，产物的生成只有在生产菌处于低的生长速率条件下才能发生。所以生长速率有可能是分解代谢产物的阻抑作用因子，而与营养限制无关。

与μ之间的关系图

qP与μ为负相关联的模型，例如黑曲霉产生黑素，其qP与μ关系可表示为

当要考虑到产物可能存在分解时，则方程可改写为当考虑到细胞活性上存在差异时，假定高活性细胞所占比例为，低活性细胞所占比例为，则产物生成速率可表示为：此模型称为细胞活性分布模型。此外还有细胞成熟模型、细胞年令分布模型、细胞成熟时间模型等。

讨论发酵动力学的意义，研究发酵动力学的目的。微生物代谢产物的动力学模型一般分为几种类型？列出动力学方程。请说明初级代谢产物和次级代谢产物的生物合成模式。请解释。各代表什么意义？请写出它们的数学表达式。第二节发酵过程的代谢变化规律

一、分批发酵1.概念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

发酵工业中常见的分批方法是采用单罐深层培养法，每一个分批发酵过程都经历接种，生长繁殖，菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。这一过程是在某些培养液条件的支配下，微生物经历着由生到死的一系列变化阶段，在各个变化的进程中都受到菌体本身特性的制约，也受周围环境的影响。分批发酵的特点微生物所处的环境是不断变化的可进行少量多品种的发酵生产发生杂菌污染能够很容易终止操作.当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易改变处理对策对原料组成要求较粗放分批培养过程中菌体生长曲线：可分为调整期、对数生长期、平衡期和衰亡期四个阶段。研究细胞的代谢和遗传宜采用生长最旺盛的对数生长期细胞。在发酵工业生产中，使用的种子应处于对数生长期，把它们接种到发酵罐新鲜培养基时，几乎不出现调整期，这样可在短时间内获得大量生长旺盛的菌体，有利于缩短生产周期。在研究和生产中，时常需要延长细胞对数生长阶段。分批培养条件下微生物的生长曲线

2.分批发酵过程的典型类型

简单反应a、生长型：如产气杆菌（Aerobactercloacae）的生长

b、非生长型：如黑曲霉（Aspegillusniger）转化葡萄糖成为葡萄糖酸

并行反应：如粘红酵母（Rhodotorubaglutirus）

相继反应：如假单孢菌（Pseudomonoasoualis）

分段反应：如大肠杆菌（E.coli）的二阶段式生长

生长型被消耗的葡糖碳和细胞碳t并行反应葡萄糖酸葡萄糖葡萄糖内酯（中间物）相继反应浓度t葡萄糖被利用山梨醇被利用分段反应t细菌浓度的对数例：葡萄糖、葡萄糖内酯和葡萄糖酸分别用A、B、C表示，其浓度分别为a、b、c，他们的相继反应如下：K1、K2为反应速率常数。葡萄糖、葡萄糖内酯和葡萄糖酸，在反应系统中的浓度变化分别为：假定：K1，K2，葡萄糖原始浓度a0=1（任意单位），试作图分别解上述相继反应。

解：依题意：开始反应前：

b=0

c=0a=a0=1将已知数代入得积分常数

tabc

a+b+c01001100.36790.47730.15481200.13530.46510.39961300.04980.34670.60351400.01830.23400.74771500.00670.15070.84261600.00250.09460.90291700.00090.05860.94051讨论什么是分批发酵？分批发酵有哪些特点？分批发酵有哪些典型类型？

3.分批发酵过程的生产率

发酵动力学中常用的几个术语

1．得率(或产率，转化率，Y)：包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重量(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS。产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物的克数(或mol数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质量(So-S)。转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。提高微生物生长得率的措施首先，要筛选优良的菌种，其本身就应具备高的生长得率。其二，要选择合适的培养基配方，提供略微过量的其它营养物质，使碳源成为最终的限制性物质。其三，须选择和控制合适的培养条件，使得微生物的代谢按所需方向进行。另外，在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染。2．基质比消耗速率[qs,g(或mo1)／g菌体·h]：系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。3．产物比生产速率[qp，g(或mo1)／g菌体·h]：系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速率或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。

发酵周期：实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌、冷却等辅助时间也计算在内。即从第一罐接种经发酵到结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵周期，这样才能正确地反映发酵设备的利用效率。工业发酵的技术经济指标体积产率和产物形成的比速率体积产率指是单位时间内单位反应器容积的产物量。即以每升发酵液每小时产生的产物的重量（g/Lh）表示的，是对发酵过程总成果的一种衡量。计算产率时，不仅应把合成产物所用时间考虑进去，还应计入与生产相关的其他时间，即发酵罐的维修、清洗、准备所用时间，灭菌时间，以及接种后的延滞期时间，这样才能全面、客观地评估出工艺过程的成本效益。总的生产率可用从发酵过程的起点到终点的直线斜率表示，最高生产率可通过原点与单产曲线相切的直线的斜率表示，切点位置的细胞浓度或产物浓度比终点（最大值）低。

总生产率:

其中发酵过程总的运转周期为：由此式可以求出发酵操作过程的变化对总生产率的影响。种子量大，即增加X0值，从而缩短发酵的周期，减少放罐、检修、打料、灭菌的时间，同样可缩短总周期。使用生长活力强的种子可缩短生长停滞期。丝状微生物发酵的

产物产率和基质的利用

霉菌和其它丝状微生物发酵产物的产率和基质利用的动力学是很复杂的，典型的例子是青霉素发酵

丝状微生物发酵过程获得高产的

一般规律

(1)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，菌丝体生长过度，消耗大量基质导致“短周期发酵”现象的出现，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制造产物。

（2）为了提高产物形成速率，对菌丝分枝程度也须加以优化。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培养条件。

（3）为了提高氧的传递速率，对深层发酵过程似乎宜采用剧烈的搅拌，但是对于青霉素等利用丝状微生物的发酵过程来说，中等程度的搅拌对高产有利。对此有几种解释，普遍的认为是剧烈的搅拌所施加的剪切力会影响霉菌的形态，促进菌丝过多分枝，而使产量下降。二、连续发酵

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

，并且使发酵罐内的液量维持恒定不变，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。恒定状态可以有效地延长分批培养中的对数生长期。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（如营养物质浓度和产物浓度）均处于不随时间而变化的稳定状态之下，甚至还可以根据需要来调节生长速率。要维持恒定的生长速度，必须使发酵罐中发酵液的稀释度，恰恰等于该微生物的生长速度。连续培养系统大大提高了发酵的生产效率和设备利用率。

（一）连续培养系统

恒化器：能维持恒定的发酵液体积的培养容器恒浊器：恒定发酵液中的细胞浓度

塞流型反应器：（Plug-flow）微生物培养器。细胞浓度和养分浓度随其所处的位置不同而变化

恒化器这样，既可获得一定生长速率的均一菌体，又可获得虽低于最高菌体产量，却能保持稳定菌体密度的菌体。恒浊器是一种根据反应器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养装置。在这一系统中，当培养基的流速低于微生物生长速度时，菌体密度增高，这时通过光电控制系统的调节，可促使培养液流速加快，反之亦然，并以此来达到恒密度的目的。因此，这类反应器的工作精度是由光电控制系统的灵敏度来决定的。在恒浊器中的微生物，始终能以最高生长速率进行生长，并可在允许范围内控制不同的菌体密度。活塞流反应器这是一种不均一的管状反应器，培养基由反应器的一端流入，而从另一端流出。在这种反应器中，没有返混现象，因而，反应器内的培养基呈极化状态，在其不同的部位，营养物的成分、细胞数目、传质效果、氧供应和生产量都不相同。对于这类反应器，在其入口处，加入物料的同时也必须加入微生物细胞。通常是在反应器的出口处装一支路，使细胞返回，也可以来自另一连续培养装置(种子供应系统)。这种反应器常用于固定化菌体和固定化细胞所催化的反应，这时就无需再在进料口处加入催化剂。恒化器(A)、恒浊器(B)和活塞流反应器(c)中的连续发酵（二）连续培养的原理

1、基于细胞量的物料平衡

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

通常添加到单级恒化器中的新鲜料液是不含菌的，故，而且几乎所有的连续培养过程的比生长速率大大超过比死亡速率（），简化后：

在连续培养系统达到稳定状态时，上式可变为：

F/V在连续培养技术中被称为稀释速率，用符号“D”表示

(1)

（等于培养液在罐中平均停留时间的倒数）

在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。

2、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－用于生长的养分消耗速率－用于维持的养分消耗速率－用于产物形成的养分消耗速率＝养分在系统中的积累速率

和生长相比，细胞用于维持的限制性营养成分的需求往往是很低的即），而且产物形成的需求也可忽略，因此可略去。故在稳定状态下

，则以代入上式，得

(2)

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

假定细胞浓度的绝对值与除限制性营养成分以外的所有营养成分无关

限制性营养成分的细胞得率系数只受限制性养分的影响，但是其它环境因素如pH、温度和溶解氧必须维持恒定

3生长模式

上两式是连续培养的两个稳定方程。为了把X和S同稀释速率关联起来，需要有一种表示生长速率是限制性基质浓度的函数的数学模型。Monod方程是最常用的模型。

该模型表示，生长速率只是限制性营养成分浓度的函数，并假定与其它营养成分或其它环境因素无关。如将它用于连续培养可得：Dc－临界稀释速率，代表恒化器所能运行的最大稀释速率。

Dc通常相当于在分批培养中细胞的最大生长速率。解上式的S，使S成为D的函数，得一限制性养分的稳态浓度的方程：

(3)将其代入，得一把稳态细胞浓度同稀释速率关联起来的表达式：(4)

根据式(3)、(4)，在理论上恒化器中各参数的变化如图所示：

（三）产率发酵工艺的优劣是根据转化率和总的产率评价的，在连续培养中，细胞产率P（g/L⋅h）可由下式确定：

将式代入得：

为了找到达到最大产率值时稀释速率Dm，可通过P对D的导数求得：

如果Y仍然不受D的影响，可解上式求D：(5)从上式可见，达到最大细胞产率的稀释率，并不等于达到最大细胞得率时的稀释率。因此，过程的最佳化往往必须采取折衷的方法，要同时考虑到产率、转化率和流出液的残留基质浓度。

1、分批培养过程与连续培养过程产率的比较通过验证分批发酵过程总生产率与的乘积之比（其中是在稀释速率下的细胞浓度），可比较分批和连续发酵过程的菌体生产率。这可将式(5)代入式(4)得到。值可由下式表达：

连续培养产率与分批培养产率之比为：

分批和连续培养产率的比较

分批培养中最大比生长速率（h-1）

分批培养中最大比生长速率（h-1）0.050.090.804.60.100.211.06.80.200.531.29.50.401.52.微生物产物的形成

在比较分批发酵和连续发酵的发酵过程产物的产率时，从经济的角度出发，不仅要考虑过程产物产率，而且也要考虑发酵液离开发酵系统后进入回收工段时的产物的浓度，因为产物回收的成本与要处理的液体量成正比而与产物的浓度成反比。

讨论什么是恒化器？什么是恒浊器？稀释率的定义是什么？在连续培养处于稳定状态时会出现什么样的现象？为什么？从细胞产率角度分析，若菌体生长速率足够快，采用何种发酵方式有利？

（四）恒化器的实际运行情况

与理论状态的对比

到目前为止所讨论的仅是理想的恒化器的特性，实际上，恒化器并不总是按理想的方式工作的。下图表示的是在不同限制条件下，在恒化器连续培养过程中所出现的异常曲线。

四种异常现象碳源限制性恒化器

受N或硫酸盐限制的恒化器

受K、Mg或磷酸盐限制的恒化器非恒化连续培养

1、碳源限制性恒化器

在低稀释速率时，细胞浓度随稀释速率减少而降低，细胞得率系数也随之下跌。这种与理论状况偏离的现象是由于细胞把系统中所提供的碳源大部分用于满足细胞的维持需求所造成的。

当μ降低（即D低）时，碳源主要用于细胞的维持，而用于新细胞合成的量少了，导致细胞得率降低。但在较高的μ下，也常观察到细胞得率的降低，这是由于生成和积累了某些中间代谢产物，微生物在这种情况下对C源的浪费原因，在多数情况下还不清楚。

2.受N或硫酸盐限制的恒化器

当D减少时，细胞浓度增加。在此条件下，细胞的分裂受到限制，从而积累可作C源和能源使用的化合物如多糖、脂类等。这些物质的积累导致细胞变大和质量增加，从而使测得的细胞得率明显地增加。如果细胞得率以每升含克细胞蛋白或细胞氮的量来表示，则所得数据会更接近于理论预期曲线。3.受K、Mg或磷酸盐限制的

恒化器

K、Mg和磷酸盐同细胞中核酸的含量有化学计量关系，缓慢生长的细胞比迅速生长的细胞所需的RNA要少。因此，随着D降低，细胞的生长速率也降低。同量的钾、镁或磷酸盐足以支持比快速生长的细胞数目更多的低速生长细胞的生长。如果细胞浓度以每毫升发酵液中RNA或总核酸量作曲线，则曲线将如虚线所示。4.非恒化连续培养

细胞成分的改变也会使细胞对每一种必需营养成分的需求发生改变。在连续培养时，如果细胞生长在化学成分不明确的培养基中，其生长情况便出现图d的状况。在这种情况下，很难确定培养基中的限制性组分是哪一个。随着D的增加，X连续地降低。

（五）连续培养过程中的主要问题

连续发酵过程具有许多优点：在连续发酵达到稳定状态之后，①其非生产时间几乎等于0，因此设备利用率高；②操作比较简单；③产品质量比较稳定；④对发酵设备以外的外围设备（如蒸汽锅炉、泵）的利用率高；⑤可以及时排出在发酵过程中产生的、对发酵过程有害的物质等。

连续发酵技术也存在一些问题，其中最主要的是菌种的稳定性问题：杂菌污染生产菌株突变

1、杂菌污染问题在连续发酵过程中，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，这就不可避免地发生杂菌污染问题。杂菌污染问题是连续培养中难以解决的问题。要了解污染的杂菌在什么样的条件下会在系统中发展成为主要的微生物群体。

假设连续培养系统被外来的生物Y、Z和W污染，这些污染菌的积累速率可用以下物料平衡式表示：

污染菌积累的速率＝污染菌进入的速率－污染菌流出的速率＋污染菌生长速率

式中X’是污染菌Y、Z和W的浓度，在稀释率为D时的残留限制性基质浓度为S。

将污染的生物Y、Z和W的生长速率－基质浓度曲线与连续培养系统中作为生产菌的生物X的曲线作比较，分别示于图（a）、(b)、(c)。由于限制性养分浓度是S，生物Y的生长速率比系统的稀释率D要小（图a）。因此Y的积累由下式表示：结果是负值，污染物Y不能在系统中存留。这是一次性污染，没有造成持续污染。

污染物Z的生长速率与基质浓度的关系则与图a中的有显著不同。在基质浓度为S的情况下，生物Z能以比D大的比生长速率生长。生物Z的物料平衡为：

生物W侵入的成功与失败决定于系统的稀释速率。在稀释率为下(式中Dc是临界稀释速率)，W竞争不过X，W被冲走；如果稀释率增加到，污染物W将和Z一样有竞争力，而原来的菌被冲走。

在培养基浓度高时，造成杂菌积累，X被洗出，W成为杂菌污染。在培养基浓度低，D也较小情况下，可以淘汰W。所以在了解杂菌性能后，既要控制稀释率D，又要控制培养基浓度来排除杂菌污染。在分批培养中，任何能在发酵培养液中生长的污染物将存活和开始积累，但在连续培养中污染物能否生长取决于它在培养环境中的竞争能力。因此用连续培养技术可选择性地积累一种能有效使用限制性养分的菌种。

2.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，一旦在连续培养系统中的生产菌细胞群体中的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速生长的能力，则它就有可能像杂菌Z一样，取代系统中原来的生产菌株，而使连续发酵过程失败。

（六）多种基质的发酵作用

和混合培养

1、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是同时进行的。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多种基质的有利条件。2、混合培养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养需求是各不相同的，而且是相互依赖的。连续培养技术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，而使这类微生物得以积累。

（七）简单恒化器的改进

1带有细胞重新循环的单级恒化器

如把出口中的一部分菌体再循环使用，能改善简单恒化器的性能，然而要做到无杂菌污染的再循环是困难的，因而微生物反应的再循环操作受到限制。α为再循环的比例，c为浓缩因子，X1和X2代表离开发酵罐和细胞分离器的发酵液中的细胞浓度。

基于细胞量的物料平衡为：

注入的培再循环排出的生长出细胞的养基中带液流中细胞的细胞积累进的细胞的细胞在系统达到稳定状态时，解上式，代入，并假设补入的培养基没有菌种，得：

基于生长限制性基质的物料平衡为：

随注入的

再循环

基质

基质

基质培养基流

流进的

排出

消耗

积累入的基质基质

在稳态下解上式，代入，得稳态细胞浓度方程：将代入上式：

为了建立生长速率与基质浓度的关系表达式，可再应用Monod模型。经转换后变为：

将代入得：

代入X1式：按这些方程作的曲线与常规的恒化器相应的曲线作比较，如图：曲线E和B是在出口处测量的细胞生产率，

A是带有细胞循环的发酵罐的细胞浓度，C

是带有细胞循环的排出细胞浓度。

由于细胞再循环的结果，有可能增加系统中总的产率。因为整个系统可以在大于最大比生长速率的一种稀释速率下运行。在培养容器中细胞浓度增加，基质消耗的速率也按比例地增加。2多级连续培养

第一种多级连续培养系统如图示：在第一级连续发酵系统中，基于细胞量和限制性基质的物料平衡与单级恒化器的一样。第二级连续培养系统的细胞量的物料平衡可写成：细胞细胞细胞细胞流进流出生长积累速率速率速率速率第二级恒化器中的限制性基质的物料平衡：基质

基质

基质

基质进入

流出

消耗

积累速率

速率

速率

速率

表示第二级罐中细胞和限制性基质的物料平衡上两式的稳态解与第一级的解作比较示于表中：

细胞量基质第一级第二级第二级带补料

如果向第二级发酵罐添加物料液，此液流可以含有限制性营养物质，也可以含有附加的其他营养物质、诱导剂或抑制剂，则这种连续培养系统便可以用来研究微生物的代谢调节作用。在此系统中，第一级为第二级连续提供了生理状况始终如一的微生物细胞群体。

三、补料分批发酵

补料分批发酵也叫半连续发酵、半连续培养，流加发酵（fed-batchfermentation），它是以分批培养为基础，间歇或连续地补加新鲜培养基的一种发酵方法。分批补料培养技术是介于分批培养相连续培养之间的一种发酵技术。由于在发酵过程中向发酵罐中补加了物料，分批补料系统不再是一个封闭的系统。分批补料系统并不连续地向罐外放出发酵液，因而发酵罐内的培养基体积不再是个常数，而是随时间和物料流速而变化的变量。与分批发酵相比，发酵系统可维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：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，使不致于加剧供氧矛盾。②避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏。③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。适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。补料分批培养特点分批、连续、补料操作方式的比较

方式优点缺点分批发酵1一般投资小2易转产、生产灵活3分批操作中某一阶段可获得高的转化率4发酵周期短，菌种退化率小1因放罐、灭菌等原因，非生产时间长2经常灭菌会降低仪器寿命3前培养和种子的花费大4需较多的操作人员或自动控制系统连续发酵1可实现有规律的机械、自动化2操作人员少3反应器体积小、非生产时间少4产品质量稳定5操作人员接触毒害物质的可能性小6测量仪器使用寿命长1操作不灵活2因操作条件不易改变，原料质量必须稳定3若连续灭菌，加上控制系统和自动化设备，投资较大4必须不断地排除一些非溶性的固型物5易染菌，菌种易退化补料发酵1操作灵活2染菌、退化几率小3可获得高的转化率4对发酵过程可实现优化控制5因经常灭菌会降低仪器使用寿命1非生产时间长2需较多的操作人员或计算机控制系统3操作人员接触一些病原和有毒产品的可能性大讨论在连续培养中最容易出现的是什么问题？你认为应该如何应对？在多基质中对微生物以不同的发酵方式培养时会出现什么样的现象？为什么会出现该现象？补料分批发酵有什么优越性？

微生物在具有一定温度和湿度的固体培养基的表面进行生长、繁殖、代谢的发酵过程称作为固态发酵（solidstatefermentation）。固态发酵主要适合于霉菌。这是由于霉菌细胞内的渗透压比较高，不会因固体基质的高渗透压而致死。

四、固态发酵

(一)固态发酵的特点

1、原料来源广，价格低廉。2、在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌。3、能耗低。4、固态发酵的产物回收一般步骤少，费用也省。优点缺点

1.培养基含水量少，废水、废渣少，环境污染少，容易处理；1.菌种限于耐低水活性（aw）的微生物，菌种选择性少2.消耗低，供能设备简易；2.发酵速度慢，周期较长3.培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉3.天然原料成分复杂，有时变化，影响发酵产物的质和量4.设备和技术较简易，后处理方便。4.工艺参数难检测和控制5.产物浓度较高，后处理方便5.产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大固态发酵存在一个显著特点，即菌体、基质、产物均处于一个非均一的发酵系统中，尤其是在一个大规模的固态发酵系统中，随着发酵的进行，菌体呼吸产热，料芯散热慢，菌体生长、基质利用和产物合成都处在一个非均匀的系统之中，致使发酵不能稳定进行。

固态发酵存在的主要工程问题是传质和传热受限制，表现在大规模生产时的散热比较困难；模拟和控制较困难，使参数的检测如pH值、温度、菌体增殖量、产物生成量等很难实现。因此，实现固态发酵的最优化困难重重。(二)固态发酵的传质

固态发酵中底物的特征扮演着重要的角色。固态发酵的培养基可以是固体、液体和气体。对固体培养基，微生物必须黏附于培养基上进行交换，吸取营养成分，排出代谢产物，微生物所需的水分通常高于固态底物所含的水分，因此需要用湿润的空气来补充，有时也用喷淋湿润的方法补充水分。

在固态发酵中，有效的供氧和及时排出挥发性产品的过程是不复杂的。但对颗粒的结构和微生物特性必须了解清楚，以确定内部质量传递在发酵过程中是否起着重要的作用，颗粒内是否缺氧。培养基的湿润程度对氧传递也有影响，湿度太大会影响气体的通透性。

在生长时期，由于微生物的大量摄取，氧被消耗，固体床较深时中间氧浓度有可能为零，成为厌氧区。氧浓度变为零处的床层深度称为临界床厚度，事先求出或测出临界厚度对反应器的设计很有用处，可使反应器效率提高。在固态发酵中，缺乏可流动的水，液相没有宏观混合，因此通气是氧传递的主要途径。减少颗粒直径，可以增加氧传递的界面积，也是增强传递的手段之一。颗粒内的传质还包括营养物和酶在底物内的传递。在这过程中主要应考虑氧的扩散和微生物分泌酶对固体基质的降解。

(三)固态发酵中的传热

在固态发酵中所涉及的热量变化是相当可观的，直接影响代谢的活力。由于固体基质的导热性差，过程中又缺乏有效的混合，因此填充床的散热困难，温度变化陡峭，甚至在很浅的基质层处也会发现显著的温度差别。与液体发酵相比，散热性能差是填充床发酵最主要的缺点之一。在固态发酵反应器中，温度主要靠小心地调节通气速率来控制。

四、固态发酵的应用

1．固态发酵在资源环境上的应用

（1）生物燃料(biofuel)（2）生物农药(biopesticide)（3）生物转化(biotransformation)（4）生物解毒(biologicaldetoxification)（5）生物修复(bioremediation)2．生产有价值的物质

固态发酵可用来生产许多有价值的物质，例如谷物或者谷物残余物营养的富集，发酵食品、酶、色素、抗生素、生物杀虫剂、有机酸和风味化合物的生产。

生产生物活性化合物生产酶生产有机酸生产其他化合物黄曲霉素纤维素酶柠檬酸L-谷氨酸曲霉素漆酶反丁烯二酸色素细菌内毒素聚半乳糖酶乳酸胡萝卜素赤霉素木聚糖酶五倍子酸黄原胶玉米素乙酰乙酸酯酶

琥珀酰甘露糖麦角素木糖酶

乙醇头孢菌素儿茶酚氧化酶

芳香化合物头孢菌素C脂肪酶

维生素B12、B6四环素谷氨酸酶

核黄素、硫胺素、烟碱放线紫红植酸酶

亚油酸环孢菌素A单宁酶

生物表面活性剂真菌酚β-葡萄糖苷酶Li-和Mn-过氧化酶

生物杀虫剂、除草剂固态发酵的应用领域

固态发酵设备

按照固态培养方式分为六种形式：浅盘式反应器填充床反应器流化床反应器转鼓式反应器搅拌反应器压力脉动反应器

第三节发酵参数的检测和控制

建立各种监测系统，对于发现和分析发酵过程中出现的问题，及时对发酵过程实施人工控制，是发酵过程高产和稳产的重要条件。发酵参数检测中的困难缺少各种可以在发酵罐中“在线（on-line）”测定的探测传感器。只能依靠定时从发酵罐中取样“离线（off-line）”测定的方法。不但繁琐费时，而且也不能及时反映发酵系统中的状况。

对传感器的要求除了应满足对一般测量仪器的要求外，还应具有以下几个方面的特性：⑴传感器能安装在发酵罐内耐受高压蒸汽（120～

135℃，30min以上）无菌处理。⑵传感器及二次仪表具有长期工作的稳定性，在1～2

周内其测定误差应小于5％。⑶最好能在使用过程中随时校正。⑷材料不易老化，使用寿命长。⑸传感器探头安装和使用方便。⑹探头不易被物料粘住、堵塞。⑺价格便宜。

可用以下补救办法弥补缺乏在线测定的传感器：⑴传感器可用一些化学试剂进行冷灭菌，然后用无菌手段安装到罐内。

⑵采用连续取样或罐外循环的办法，把传感器安装在罐外流动样品槽内，用化学试剂对整个罐外循环系统灭菌，再用无菌水冲洗，再与发酵罐内接通。⑶用多孔氟塑料管道（透气法）监测惰性载气带出的样品。⑷利用透析装置，以水为载体，使发酵液中的低分子化合物透过半透膜，进入水中被输送到有传感器的容器中测定。

反映发酵过程变化的参数可以分为两类：1、可以直接采用特定的传感器监测的参数，又被称为直接参数。2、没有可供使用的传感器监测的参数，需要根据一些直接监测出来的参数，借助于电脑快速运算的功能和特定的数学模型才能得到，又被称为间接参

数。一、发酵过程中的直接参数的检测

㈠物理环境参数的监测

⒈温度的影响及检测

⑴影响发酵温度的因素⑴影响发酵温度的因素

发酵过程中释放出来的净热量称为发酵热：生物热Q生物：

它是生产菌在生长繁殖过程中，本身所产生的大量的热。是培养基中的碳水化合物、脂肪和蛋白质被微生物分解成CO2、NH3、水以及其他物质时释放出来的。部分用来合成高能化合物，供微生物合成和代谢活动的需要，部分用来合成产物，其余部分则以热的形式散发出来。

搅拌热Q搅拌：在好气性培养的发酵设备中都有大功率的搅拌。搅拌器带动发酵液作机械运动，造成液体与设备之间、液体与液体之间的摩擦，产生数量可观的热。

蒸发热Q蒸发：

是随发酵罐排出的尾气带走的水蒸发的热量。其温度和湿度随控制条件和季节的不同而各异。水的蒸发以及排出的气体还夹带着部分显热（Q显）散失到外界。

辐射热Q辐射：因罐内外温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。

由于Q生物、Q蒸发和Q显在发酵过程中是随时间变化的，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化。为了使发酵保持在一定温度下进行，必须采取措施，如在夹套层或蛇管内通入冷水来控制，对小型发酵罐，散热较快，需用热水保温。⑵温度对发酵的影响

由于微生物反应是由各种生物酶参加的反应，所以从酶动力学角度看，温度升高，反应速度加大，生长代谢加快，产物生产期提前。但酶本身很易因热而失去活性，温度越高，酶的失活也越快。它表现在菌体易于衰老，发酵周期缩短，产物产量减少。温度除了直接影响发酵过程中各种反应速率外，还会通过改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。此外，温度还会影响生物合成或代谢调节的方向和最终产物。

⑶最适温度的选择

最适温度：最适于菌体生长和产物合成的温度。不同的菌体，不同的培养条件，不同的酶反应，不同的生长阶段，最适温度应是不同的，而且菌体生长的最适温度不一定等于产物合成的最适温度。

在接种的初始阶段，应考虑生长菌体为主，优先调节适于生长的温度。产物合成阶段，调节最适的合成温度，以满足生物合成的需要。根据环境条件的优劣，可以通过调节温度来加以弥补。

2．泡沫的控制

⑴泡沫的产生及其影响由于通气、搅拌、代谢气体的产生等原因以及培养基中蛋白质、糖份、代谢物等能够稳定泡沫的表面活性物质，使发酵液产生泡沫。

“逃液”给发酵带来的负作用：⑴降低了发酵罐的填料系数。⑵泡沫的存在增加了微生物菌群的非均一性。⑶增加了污染杂菌的机会。⑷导致产物损失。

⑵泡沫的控制

泡沫控制的方法有两类：机械消泡消泡剂消泡

机械消泡机械消泡的原理：靠机械作用引起压力变化（挤压）或强烈振动，促使泡沫破裂。机械消泡的利弊：不需引进其他物质，如消泡剂，这样可以减少培养液性质上的微小改变。也可节省原材料，减少污染机会。但不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。

消泡剂消泡

化学消泡的机理：a.如果泡沫的表层带有极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强度；或加入某些具有强极性的物质与发泡物质争夺液膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破碎。b.如果泡沫液膜的表面强度较大，可加些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，使泡沫破碎。

对消泡剂的要求：能同时降低液膜的机械强度和液膜的表面粘度，这是比较好的消泡剂。应具有较小的表面张力和溶解度，以利于附着在泡沫表面上。应对菌体无毒性，对发酵、提取过程以及产品质量无影响。成本低，来源广。

工业上使用的消泡剂

天然油脂类：玉米油、豆油、棉子油、米糠油、猪油、鱼油等。聚醚类：如聚氧丙烯甘油（GP）和聚氧乙烯氧丙稀甘油（泡敌）。高级醇类：最常用的是十八醇、聚二醇。硅酮类：这类消泡剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。

3．压力

用相当简单的薄膜式压力计测量。测得的气动信号直接或通过一简单的装置转换为电信号，启动装在发酵罐上的罐压调节阀以调节罐压。

4．轴输入功率

有两种测量轴功率的装置：扭力（功率）计和应变仪。扭力计系统只能放在罐外测量，其测定值包含轴封摩擦力的损失。应变仪测量则可以避免这一缺点。仪器的应变片安装在发酵罐内的搅拌轴上，导线从轴向孔中引出罐外，电讯号通过旋转轴上的滑动环传出。

5．搅拌器转速

不同大小的通用型发酵罐搅拌器转速范围

罐的容积（升）转速范围（r.p.m）罐的容积（升）转速范围（r.p.m）3200～200020050～40010200～120050050～30030150～100010，00025～20050100～80050，00025～1606．空气流量

常用转子流量计测定。流量计中浮动转子的位置可以通过电容或电阻原理转换为电信号，经过放大之后启动控制器便可实现气体流量控制自动化。

7．料液流量

常用的流体流量检测器有转子流量计

、电磁流量计和通过测定发酵罐的重量变化间接测定