第七章发酵工艺控制

第七章发酵工艺控制为什么要研究发酵过程微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来。深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。描述发酵过程的几个重要参数S（底物）→X（菌体）＋

P（产物）底物消耗速率产物形成速率菌体生长速率[g/(L·h)][g/(L·h)][g/(L·h)]比基质消耗速率（h-1）比产物形成速率（h-1）比生长速率（h-1）(1)(2)(3)(4)(5)(6)第一节发酵类型及其代谢特征微生物发酵过程可以分为三种主要方式：分批发酵(Batchfermentation)补料分批发酵(Fed-batchfermentation)连续发酵(Continuousfermentation)1、分批发酵(Batchfermentation)⑴分批发酵的定义

将微生物置于一定容积的培养基中，经过培养生长，最后一次收获的培养方式。（注意必要时需要通入无菌空气）⑵分批发酵的生长曲线（细胞生长）延滞期对数生长期稳定期(7)倍增时间（td）：微生物浓度增加一倍所需要的时间。(8)在对数生长期（比生长速率达到最大值）在稳定期合成次级代谢产物⑶生长关联型（产物生成）按照产物生成与菌体生长是否同步，Piret将产物形成动力学分为生长关联型和非生长关联型。a.生长关联型产物形成速率随比生长速率的增长而增长以菌体生长为基准的产物得率（g/g）比产物生成速率（h-1）(9)(10)(11)(12)b.非生长关联型产物形成速率只与细胞积累量有关，而与生物生长速率无关(13)⑷基质浓度对比生长速率μ的影响（Monod方程）微生物的生长速度：μ＝f(底物,产物,温度,pH,……,)培养基中只存在一种对微生物的生长起到限制作用的营养物时：最大比生长速率（指数生长期）S

限制性基质浓度

KS基质利用常数（饱和常数）KS越小对比生长速率影响越小？？☞(14)KS

的物理意义为当比生长速率为最大比生长速率一半时，KS在数值上等于限制性营养物的质量浓度。Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。μmax＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/L(15)(16)⑸分批发酵的特点如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期；如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。优点操作简单；发酵周期短操作引起染菌的概率低。产品质量易于掌握缺点不能测定发酵动力学存在基质抑制问题对基质敏感的产物不适用（1）定义：补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。2、补料分批发酵(Fed-batchfermentation)新鲜培养基只有料液的输入没有输出，发酵液的体积在增加（3）补料方式（3）补料方式本章以恒定速率补料为例发酵液的体积：（17）稀释率（D）：培养基流入速度与发酵罐中培养液体积的比值（单位为时间的倒数）。对于恒定速率补料进行的补料分批发酵(18)（3）补料分批发酵理论基础菌体对基质的得率系数（g/g）(20)①假设基质消耗完毕（St=0）时，最终菌体量（X）恰好达到最大值（Xmax）(18)式可以变为(21)X0-刚接种时培养基中细胞浓度（g/L）S0-刚接种时培养基中基质浓度（g/L）(19)②假设当菌体量达到最大值（Xt=Xmax）时开始以恒定速率（F）补料，且稀释率小于最大比生长速率，事实上随着流加的进行，所有限制性基质都很快被消耗完，即此时输入的基质约等于细胞消耗的基质,可以认为dS/dt=0(22)尽管随着时间延长，培养液中细胞总量（Xt·Vt）增加，但由于不断补料引起培养液体积增加，两者综合效应表现为细胞浓度（Xt）保持不变，即dx/dt=0.因此准稳态（拟稳态）特征ds/dt=0dx/dt=0(18)补料分批发酵中的稀释率是逐渐降低的2、补料分批发酵的特点优点：使发酵系统中维持很低的基质浓度；与连续发酵比、不需要严格的无菌条件；不会产生菌种老化和变异等问题。缺点：存在一定的非生产时间；与分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。新鲜培养基发酵液3.连续发酵(Continuousfermentation)（1）定义：培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定的发酵方式。连续发酵（恒化培养）过程中稀释率保持不变（23）(2)细胞的物料平衡对单级恒化器而言，X0=0，上式同除体积V（常数）可以变为(24)两等式结合(25)当体系处于稳定条件下，细胞的数量保持不变，即dx/dt=0,（26）式简化为(23)积累的细胞速率=流入的细胞速率-

流出的细胞速率+生长的细胞速率☺在稳态条件下，可以通过补料速度来控制细胞的比生长速率.由于(26)(3)营养物质的物料平衡积累的营养物=流入的营养物-流出的营养物-生长消耗的营养物

当体系处于稳定条件下，营养物的数量保持不变，即dS/dt=0,由于此时还存在D=μ，（27）式简化为(27)(28)分批培养的菌体量计算公式连续培养的菌体量计算公式（4）为了增加细胞比生长速率，稀释率能否无限制的增大？为了使细胞浓度X、基质浓度S、稀释率D之间发生联系，引入Monod方程（14）式，(14)得到，结合（28）式，得出菌体浓度的计算公式即当稀释率达到最大比生长速率时（此时稀释率称为临界稀释率），细胞完全被洗出。令X=0,即培养液中的细胞完全被洗出(washout),由(29)得出经整理变形得到(29)连续培养中发酵生产率发酵时间包含灭菌、发酵、放罐等时间（5）连续培养过程中存在的问题a.污染菌问题b.生产菌突变问