發(fā)酵工程第六章發(fā)酵動力學(xué)課件

第六章發(fā)酵動力學(xué)什么是發(fā)酵動力學(xué)？發(fā)酵動力學(xué)：是對微生物生長和產(chǎn)物形成過程的定量描述，研究微生物生長、產(chǎn)物合成、底物消耗之間動態(tài)定量關(guān)系，定量描述微生物生長

和產(chǎn)物形成

過程。主要研究：1、發(fā)酵動力學(xué)參數(shù)特征：微生物生長速率、發(fā)酵產(chǎn)物合成速率、底物消耗速率及其轉(zhuǎn)化率、效率等；2、影響發(fā)酵動力學(xué)參數(shù)的各種理化因子；3、發(fā)酵動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。

認識發(fā)酵過程的規(guī)律優(yōu)化發(fā)酵工藝條件，確定最優(yōu)發(fā)酵過程參數(shù)，如：基質(zhì)濃度、溫度、pH、溶氧，等等提高發(fā)酵產(chǎn)量、效率和轉(zhuǎn)化率等研究發(fā)酵動力學(xué)的目的本章主要內(nèi)容分批發(fā)酵動力學(xué)連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)補料分批發(fā)酵動力學(xué)6.1分批發(fā)酵動力學(xué)分批發(fā)酵動力學(xué)主要研究微生物在分批發(fā)酵過程中生長動力學(xué)、基質(zhì)消耗動力學(xué)和代謝產(chǎn)物生產(chǎn)動力學(xué)。什么是分批發(fā)酵？分批發(fā)酵：準封閉培養(yǎng)，指一次性投料、接種直到發(fā)酵結(jié)束，屬典型的非穩(wěn)態(tài)過程。

分批發(fā)酵動力學(xué)細胞生長動力學(xué)底物消耗動力學(xué)產(chǎn)物形成動力學(xué)微生物細胞倍增時間與群體生長動力學(xué)細菌：典型倍增時間1hr酵母：典型倍增時間2hr放線菌和絲狀真菌：典型倍增時間4－8hr

微生物細胞群體生長動力學(xué)是反映整個群體的生長特征，而不是單個微生物生長倍增的特征。因此，菌齡是指一個群體的表觀狀態(tài)。關(guān)于菌齡的描述所謂細胞生長動力學(xué)是以研究菌體濃度、限制性基質(zhì)（培養(yǎng)基中含量最少的基質(zhì)，其他組分都是過量的）濃度、抑制劑濃度、溫度和pH等對菌體生長速率的影響為內(nèi)容的。在分批發(fā)酵中，菌體濃度X,產(chǎn)物濃度P和限制性基質(zhì)濃度S均隨時間t變化三、微生物生長速率與底物濃度的關(guān)系分批發(fā)酵過程中，微生物生長通常要經(jīng)歷：延滯期、對數(shù)生長期、衰減期、穩(wěn)定期（靜止期）和衰亡期五個時期。t1t2t3t4t5

分批發(fā)酵時典型的微生物生長動力學(xué)曲線菌體濃度X時間t分批發(fā)酵動力學(xué)-細胞生長動力學(xué)ABOUTLAGPHASE（延遲期）在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)效率，希望延遲期縮短，要達到該目的，應(yīng)一般遵循下列規(guī)則：(1).接種的微生物應(yīng)盡可能是高活力的。

要用處于對數(shù)期的微生物作種子.(2)種子培養(yǎng)基和條件應(yīng)盡可能接近生產(chǎn)上使用的發(fā)酵液組成和培養(yǎng)條件。(3)建議采用大接種量。因細胞內(nèi)部的某些維生素和輔酶等生長素，向周圍培養(yǎng)液擴散，從而降低細胞的活性，延長延遲期。指數(shù)生長期微生物生長特性通常以單位細胞濃度或細胞數(shù)量倍增所需要的時間來表示（μ、μn）：或或X—細胞濃度（g/L）；N—細胞個數(shù)；t—生長時間；X0、Xt—初始微生物濃度和t時細胞濃度；N0、Nt—初始細胞個數(shù)和t時細胞個數(shù)；

—以細胞濃度表示的比生長速率；

—以細胞數(shù)量表示的比生長速率。

分批發(fā)酵動力學(xué)-細胞生長動力學(xué)經(jīng)過一段時間的培養(yǎng)后，由于營養(yǎng)的限制，微生物生長速率逐漸衰減，即進入生長衰減期，最終出現(xiàn)微生物凈生長速率為零，微生物進入靜止期。穩(wěn)定期細胞生長和死亡處于動態(tài)平衡，凈生長速率為0.衰亡期，比死亡速率大于比生長速率。在分批發(fā)酵體系中，可以通過探究在一定底物濃度范圍內(nèi)的微生物生長情況，來了解微生物生長受底物濃度限值的特性。分批發(fā)酵中初始底物濃度對穩(wěn)定期菌體濃度的影響

A～B區(qū)：菌體濃度與初始底物濃度成正比，有：

X為菌體濃度，為針對底物的細胞得率，初始X0為零；S0為底物初始濃度；St為底物殘留濃度。

B～C區(qū)：隨S0增加，菌體濃度達最高水平，再增加S0

，菌體不再增加。C區(qū)：菌體活性受初始高濃度底物及高滲作用抑制，菌體濃度與初始底物濃度成反比。

高濃度底物抑制的情形Decline（開始出現(xiàn)一種底物不足的限制）:(1)若不存在抑制物時

Monod模型:

分批發(fā)酵動力學(xué)-細胞生長動力學(xué)1949年Monod發(fā)現(xiàn)，細菌的比生長速率與單一限制性底物之間存在這樣的關(guān)系：比生長素率μ限制性底物殘留濃度St

殘留的限制性底物濃度對微生物比生長率的影響

表征μ與培養(yǎng)基中殘留的生長限制性底物St的關(guān)系

Monod方程：Ks—底物親和常數(shù)，等于處于1/2μm時的底物濃度，表征微生物對底物的親和力，兩者成反比。Monod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設(shè)如下：?（1）描述細胞生長的唯一變量是細胞濃度X，?（2）培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，其它組分均過量，?（3）細胞的生長視為單一反應(yīng)，細胞得率為常數(shù)，當S﹤﹤Ks時，μ=μmS/Ks，μ與S是一級動力學(xué)關(guān)系，（4）S﹥﹥Ks，μ=μm，μ與S是零級動力學(xué)關(guān)系。Monod研究了基質(zhì)濃度與生長速度的關(guān)系———Monod方程(1949)米氏方程:μKsμ莫諾方程表面上與米氏方程同型。但是Monod方程來自于對實驗現(xiàn)象的總結(jié)，而米氏方程是根據(jù)酶促反應(yīng)機理推導(dǎo)出的。前者是經(jīng)驗方程，后者是機理方程。Monod方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法)：將Monod方程取倒數(shù)可得：或：

這樣通過測定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長速度，就可以通過回歸分析計算出Monod方程的兩個參數(shù)。但在低S值時，μ的偏差較大，影響Ks值的精度。第二方程好用一些，在低S值時精度高，也可用回歸方法。Monod方程的意義當S?

Ks,μ-S是線性關(guān)系，μ與S成正比。當S?

Ks，μ≈μmax，此時微生物的生長不受限制基質(zhì)的影響。對某一鐘微生物在某種基質(zhì)條件下，μmax和Ks是一定值。不同的微生物有不同的μmax和Ks。即使同一種微生物在不同的基質(zhì)種也有不同的μmax和Ks。Ks越大，表示菌體對基質(zhì)的親和力越小。Monod方程應(yīng)用：測定微生物對不同底物的親和力大?。↘s值）實驗確定適于微生物生長的最佳底物（？）比較不同底物發(fā)酵最終殘留的大?。ǎ浚┍容^不同微生物對同一底物的競爭優(yōu)勢，確定連續(xù)培養(yǎng)的稀釋率

KS越大，表示微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸引親和力越小，反之越大。對于許多微生物來說，KS值是很小的，一般為0.1~120mg/l或0.01~3.0mmol/l，這表示微生物對營養(yǎng)物質(zhì)有較高的吸收親和力?；|(zhì)消耗動力學(xué)基質(zhì)包括細胞生長與代謝所需的各種營養(yǎng)成分，其消耗分為三個方面：細胞生長，合成新細胞；細胞維持生命所消耗能量的需求；合成代謝產(chǎn)物。

發(fā)酵動力學(xué)發(fā)酵動力學(xué)涉及的常規(guī)參數(shù)2、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。包括生長得率(Yx/s)和產(chǎn)物得率(Yp/s)。生長得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)(一般指碳源)所產(chǎn)生的菌體重量(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS產(chǎn)物得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)所合成的產(chǎn)物的克數(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。菌體生長速率為∶底物消耗速率為∶

產(chǎn)物生成速率為:3、有關(guān)速率的概念4、有關(guān)比速率的概念基質(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。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)物的速率或能力，可以作為判斷微生物合成代謝產(chǎn)物的效率。

細胞生長的比速率為：

底物消耗的比速率為qs∶

產(chǎn)物形成的比速率為qp：

根據(jù)發(fā)酵時間過程分析，微生物生長與產(chǎn)物合成存在以下三種關(guān)系：與生長相關(guān)→生長偶聯(lián)型與生長部分相關(guān)→生長部分偶聯(lián)型與生長不相關(guān)→無關(guān)聯(lián)分批發(fā)酵動力學(xué)-產(chǎn)物形成動力學(xué)相關(guān)型部分相關(guān)型非相關(guān)型產(chǎn)物合成相關(guān)、部分相關(guān)、非相關(guān)模型動力學(xué)示意圖與生長相關(guān)→生長偶聯(lián)型：乙醇發(fā)酵

產(chǎn)物的生成是微生物細胞主要能量代謝的直接結(jié)果，菌體生長速率的變化與產(chǎn)物生成速率的變化相平行。分批發(fā)酵動力學(xué)-產(chǎn)物形成動力學(xué)

與生長部分相關(guān)→生長部分偶聯(lián)型：

檸檬酸、氨基酸發(fā)酵

產(chǎn)物間接由能量代謝生成，不是底物的直接氧化產(chǎn)物，而是菌體內(nèi)生物氧化過程的主流產(chǎn)物（與初生代謝緊密關(guān)聯(lián)）。分批發(fā)酵動力學(xué)-產(chǎn)物形成動力學(xué)與生長不相關(guān)→無關(guān)聯(lián)：抗生素發(fā)酵若考慮到產(chǎn)物可能存在分解時，則

產(chǎn)物生成與能量代謝不直接相關(guān)，通過細胞進行的獨特的生物合成反應(yīng)而生成。分批發(fā)酵動力學(xué)-產(chǎn)物形成動力學(xué)

習(xí)慣上把與生長無關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物稱為次級代謝產(chǎn)物，他們的合成發(fā)生在生長停止之后。次級代謝作用的一個重要特征是，產(chǎn)物的生成只有在生產(chǎn)菌處于低的生長速率條件下才能發(fā)生。所以生長速率有可能是分解代謝產(chǎn)物的阻抑作用因子，而與營養(yǎng)限制無關(guān)。

殺假絲菌素分批發(fā)酵動力學(xué)分析

殺假絲菌素分批發(fā)酵中的葡萄糖消耗、DNA含量和殺假絲菌素合成的變化。

應(yīng)用舉例分批發(fā)酵的優(yōu)缺點優(yōu)點：操作簡單、投資少運行周期短染菌機會減少生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量較易控制缺點：不利于測定過程動力學(xué)，存在底物限制或抑制問題，會出現(xiàn)底物分解阻遏效應(yīng)?及二次生長?現(xiàn)象。對底物類型及初始高濃度敏感的次級代謝物如一些抗生素等就不適合用分批發(fā)酵（生長與合成條件差別大）養(yǎng)分會耗竭快，無法維持微生物繼續(xù)生長和生產(chǎn)非生產(chǎn)時間長，生產(chǎn)率較低

連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)什么是連續(xù)發(fā)酵？連續(xù)發(fā)酵概念：在發(fā)酵過程中，連續(xù)向發(fā)酵罐流加培養(yǎng)基，同時以相同流量從發(fā)酵罐中取出培養(yǎng)液。連續(xù)發(fā)酵特點：

添加培養(yǎng)基的同時，放出等體積發(fā)酵液，形成連續(xù)生產(chǎn)過程，獲得相對穩(wěn)定的連續(xù)發(fā)酵狀態(tài)。連續(xù)發(fā)酵類型：

單級多級連續(xù)發(fā)酵（一）連續(xù)發(fā)酵類型及裝置（二）連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)模型1.單級恒化器連續(xù)發(fā)酵2.多級恒化器連續(xù)發(fā)酵（三）連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)理論的應(yīng)用及存在問題

主要內(nèi)容連續(xù)發(fā)酵類型及裝置

罐式連續(xù)發(fā)酵單級多級串聯(lián)細胞回流式

塞流式連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置單級連續(xù)發(fā)酵示意圖連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置-單級

兩個及以上的發(fā)酵罐串聯(lián)起來，前一級發(fā)酵罐的出料作為下一級發(fā)酵罐的進料。

連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置-多級串聯(lián)兩級連續(xù)發(fā)酵示意圖罐式連續(xù)發(fā)酵實現(xiàn)方法恒濁法：通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)物的流加速度，利用濁度計檢測細胞濃度，使之恒定。恒化法：保持某一限制性基質(zhì)在一恒定濃度水平，使菌的比生長速率μ保持一定。培養(yǎng)基輸入培養(yǎng)基進入下一級發(fā)酵罐培養(yǎng)基進入后處理或到下一級發(fā)酵罐

多級罐式連續(xù)發(fā)酵裝置示意圖

連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置-多級串聯(lián)

a:再循環(huán)比率（回流比）

c:濃縮因子細胞回流的單級連續(xù)發(fā)酵示意圖連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置-細胞回流式發(fā)酵罐培養(yǎng)物流出無菌培養(yǎng)基流入供給連續(xù)接種再循環(huán)d連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置-塞流式

定義：

①稀釋率D=F/V(h-1)

F—流量（m3/h）V—原有培養(yǎng)液體積（m3）

②理論停留時間

連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵

細胞的物料衡算（μ和D的關(guān)系）對于單級恒化器：X0=0且通常有：

連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵積累的細胞（凈增量）=流入的細胞-流出的細胞+生長的細

胞-死亡的細胞連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵A.穩(wěn)定狀態(tài)時(恒濁培養(yǎng)）此時μ=D（單級連續(xù)發(fā)酵重要特征）B.不穩(wěn)定時，當μ<D，當μ>D，積累的營養(yǎng)組分=流入量-流出量-生長消耗量-

維持生命需要量-形成產(chǎn)物消耗量穩(wěn)態(tài)時（恒化培養(yǎng)），=0,一般條件下,mx<<產(chǎn)物相對菌體生長量較少,

限制性基質(zhì)的物料衡算連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵

穩(wěn)態(tài)時,

單級連續(xù)培養(yǎng)兩個穩(wěn)態(tài)方程是：

限制性基質(zhì)的物料衡算連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵

兩個穩(wěn)態(tài)方程隱含了幾點假設(shè)：Yx/s

對于一個特定微生物及具體操作參數(shù)(D)

來講是常數(shù)Yx/s只受一種限制性營養(yǎng)基質(zhì)S的影響：S一定，μ一定，則Yx/s一定

連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵恒化器

是一種使培養(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。稱為外控制式的連續(xù)培養(yǎng)裝置，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穩(wěn)態(tài)連續(xù)培養(yǎng)。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，卻保持穩(wěn)定菌體密度的菌體。在恒化器中，一方面菌體密度會隨時間增長而增高，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。(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。可稱為內(nèi)控制式的連續(xù)培養(yǎng)裝置，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。恒濁器恒濁器與恒化器的比較裝置控制對象培養(yǎng)基培養(yǎng)基流速恒濁器菌體密度（內(nèi)控制）無限制生長因子不恒定恒化器培養(yǎng)基流速（外控制）有限制生長因子恒定細胞濃度與稀釋率的關(guān)系（x與D的關(guān)系）臨界稀釋率Dc導(dǎo)致菌體開始從系統(tǒng)中洗出時的稀釋率，當流入底物濃度為S0時，臨界稀釋率Dc為：稀釋率D的大小不能超過連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的臨界稀釋率

如果取

D>DC

，則會出現(xiàn)：D>DC>μ由

可知

負增長，x↓，進入非穩(wěn)態(tài)，菌體最終被洗出，即x=0時，達到“清洗點”，此時，

連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵

細胞濃度與稀釋率的關(guān)聯(lián)（X與D的關(guān)系）

應(yīng)用Monod方程，此時，

連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵

生長模型

由兩個穩(wěn)態(tài)方程可以推出D與X關(guān)聯(lián)的生長模型當D<DC時，

細胞衡算

底物衡算

連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵

細胞生產(chǎn)率細胞生產(chǎn)率

當

即

時可獲得最大的細胞生產(chǎn)率，為連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵

細胞生產(chǎn)率

若S0>>Ks

（S0>10Ks）,底物供給濃度很大，為非限制性則

此時，最大臨界稀釋率

∴當D>Dc=時，連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵x,s,Dx與D關(guān)系總結(jié)：連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵

產(chǎn)物的物料衡算產(chǎn)物變化率=細胞合成產(chǎn)物速率+流入-流出-分解項

當連續(xù)發(fā)酵處于穩(wěn)態(tài)，，

且加料中不含產(chǎn)物，即，P分解速率可忽略。

得連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵圖6-9、6-10Ks值與細菌連續(xù)培養(yǎng)特征的關(guān)系多級連續(xù)發(fā)酵多級恒化器的優(yōu)點：在不同級的罐內(nèi)可以預(yù)先設(shè)定不同的培養(yǎng)條件，這將有利于多種碳源的利用和次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)。例如：產(chǎn)氣雷白菌，第一級：葡萄糖；第二級：麥芽糖連續(xù)培養(yǎng)在工業(yè)中的應(yīng)用連續(xù)發(fā)酵中，可采用能達到最大菌體產(chǎn)率DX的稀釋速率。圖6-13.分批發(fā)酵時，最大菌體生產(chǎn)能力出現(xiàn)于發(fā)酵終點；連續(xù)培養(yǎng)時，以最適稀釋速率使培養(yǎng)處于穩(wěn)定條件下，細胞的生產(chǎn)能力成為一個常數(shù)。連續(xù)培養(yǎng)過程中的主要問題

連續(xù)發(fā)酵過程具有許多優(yōu)點：在連續(xù)發(fā)酵達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，①其非生產(chǎn)時間幾乎等于0，因此設(shè)備利用率高；②操作比較簡單；③產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定；④對發(fā)酵設(shè)備以外的外圍設(shè)備（如蒸汽鍋爐、泵）的利用率高；⑤可以及時排出在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的、對發(fā)酵過程有害的物質(zhì)等。

連續(xù)發(fā)酵技術(shù)也存在一些問題，其中最主要的是菌種的穩(wěn)定性問題：雜菌污染生產(chǎn)菌株突變

雜菌污染問題在連續(xù)發(fā)酵過程中，需要長時間連續(xù)不斷地向發(fā)酵系統(tǒng)供給無菌的新鮮空氣和培養(yǎng)基，這就不可避免地發(fā)生雜菌污染問題。雜菌污染問題是連續(xù)培養(yǎng)中難以解決的問題。要了解污染的雜菌在什么樣的條件下會在系統(tǒng)中發(fā)展成為主要的微生物群體。

假設(shè)連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)被外來的生物Y、Z和W污染，這些污染菌的積累速率可用以下物料平衡式表示：

污染菌積累的速率＝污染菌進入的速率－污染菌流出的速率＋污染菌生長速率

式中X’是污染菌Y、Z和W的濃度，在稀釋率為D時的殘留限制性基質(zhì)濃度為S。

將污染的生物Y、Z和W的生長速率－基質(zhì)濃度曲線與連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中作為生產(chǎn)菌的生物X的曲線作比較，分別示于圖（a）、(b)、(c)。由于限制性養(yǎng)分濃度是S，生物Y的生長速率比系統(tǒng)的稀釋率D要?。▓Da）。因此Y的積累由下式表示：結(jié)果是負值，污染物Y不能在系統(tǒng)中存留。這是一次性污染，沒有造成持續(xù)污染。

污染物Z的生長速率與基質(zhì)濃度的關(guān)系則與圖a中的有顯著不同。在基質(zhì)濃度為S的情況下，生物Z能以比D大的比生長速率生長。生物Z的物料平衡為：

生物W侵入的成功與失敗決定于系統(tǒng)的稀釋速率。在稀釋率為0.25Dc下(式中Dc是臨界稀釋速率)，W競爭不過X，W被沖走；如果稀釋率增加到0.75Dc，污染物W將和Z一樣有競爭力，而原來的菌被沖走。

在培養(yǎng)基濃度高時，造成雜菌積累，X被洗出，W成為雜菌污染。在培養(yǎng)基濃度低，D也較小情況下，可以淘汰W。所以在了解雜菌性能后，既要控制稀釋率D，又要控制培養(yǎng)基濃度來排除雜菌污染。在分批培養(yǎng)中，任何能在發(fā)酵培養(yǎng)液中生長的污染物將存活和開始積累，但在連續(xù)培養(yǎng)中污染物能否生長取決于它在培養(yǎng)環(huán)境中的競爭能力。因此用連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)可選擇性地積累一種能有效使用限制性養(yǎng)分的菌種。

2.生產(chǎn)菌株突變問題

微生物在復(fù)制過程中難免會出現(xiàn)差錯引起突變，一旦在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中的生產(chǎn)菌細胞群體中的某一個細胞發(fā)生了突變，而且突變的結(jié)果使這一細胞獲得在給定條件下高速生長的能力，那么它就有可能像雜菌Z一樣，取代系統(tǒng)中原來的生產(chǎn)菌株，而使連續(xù)發(fā)酵過程失敗。

應(yīng)用有助于了解和研究細胞生長、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物生成的動力學(xué)規(guī)律，從而優(yōu)化發(fā)酵工藝。便于研究細胞在不同比生長速率下的特征。連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論利用細胞再循環(huán)連續(xù)發(fā)酵技術(shù)進行廢水的生化處理、發(fā)酵與產(chǎn)物分離耦合。利用連續(xù)培養(yǎng)的選擇性進行富集培養(yǎng)菌種選擇及防污染處理。

應(yīng)用連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論實驗數(shù)據(jù)如下：t24h(生長罐）48h（生產(chǎn)罐）60hP1=0.07g/LP2=0.4g/LP3=0.62g/LX1=7g/L

求操作參數(shù)D？并比較連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵的生產(chǎn)率。

應(yīng)用-青霉素連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵對比

計算：采用連續(xù)發(fā)酵時第一罐：第二罐：由

為了保證串聯(lián)穩(wěn)定，兩罐稀釋率差異用體積差異進行調(diào)節(jié)?！逨相同

產(chǎn)物在串聯(lián)系統(tǒng)停留時間產(chǎn)物形成速率

而分批發(fā)酵時，tn=48h,P=0.4g/L故產(chǎn)物形成速率DP=0.4/48=0.0083g/L·h

（比連續(xù)發(fā)酵低）為充分利用基質(zhì)，再加一罐(第三罐)(相當于60h)tn=1/D1+1/D2+1/D3=53.7h產(chǎn)物形成速率P3/tn=0.0115g/L·h分批發(fā)酵P3/t3=0.62/60=0.0103g/L·h什么是補料分批發(fā)酵？補料分批培養(yǎng)（Fed-batchculture）：

分批發(fā)酵過程中補充培養(yǎng)基，不從發(fā)酵體系中排出發(fā)酵液，使發(fā)酵液的體積隨著發(fā)酵時間逐漸增加。概念：在發(fā)酵過程中，不連續(xù)地向發(fā)酵罐內(nèi)加入培養(yǎng)基，但不取出發(fā)酵液的發(fā)酵方式。特點：由于培養(yǎng)基的加入，發(fā)酵液體積不斷增加。補料分批發(fā)酵動力學(xué)半連續(xù)發(fā)酵概念：在發(fā)酵過程中，每隔一定時間，取出一定體積的發(fā)酵液，同時在同一時間間隔內(nèi)加入相等體積的培養(yǎng)基，如此反復(fù)進行的發(fā)酵方式。特點：稀釋率、比生長速率以及其它與代謝有關(guān)的參數(shù)都將發(fā)生周期性的變化。補料分批發(fā)酵動力學(xué)

類型

連續(xù)流加補料方式不連續(xù)流加多周期流加

快速流加恒速流加變速流加單一組分補料多組分補料

流加方式補料分批發(fā)酵動力學(xué)以補加的培養(yǎng)基成分來區(qū)分

整個發(fā)酵罐中細胞、限制性基質(zhì)和產(chǎn)物總量的變化速率可用下式表示：

①②