第三章 发酵动力学模式和发酵
培养方法
第一节 微生物反应过程概论
? 一、微生物反应过程的主要特征
? 微生物是该反应过程的主体：是生物催
化剂，又是一微小的反应容器。
? 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应
体系。酶能够进行再生产。
? 微生物反应是非常复杂的反应过程
? （ 1）反应体系中有细胞的生长，基质消耗
和产物的生成，有各自的最佳反应条件。
? （ 2）微生物反应有多种代谢途径。
? （ 3）微生物反应过程中，细胞形态、组成
要经历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶
段，不同菌龄，有不同的活性。
二、微生物反应动力学的描述方法
? 细胞生长动力学
? 反应基质消耗动力学
? 代谢产物生成动力学
? 发酵过程：包括细胞内的生化反应，胞
内与胞外的物质交换，胞外物质传递及
反应。
发酵过程特点
? 多相：气相、液相和固相
? 多组分：培养基中多种营养成分，多种代
谢产物，细胞内也具有不同生理功能的大、
中、小分子化合物。
? 非线性：细胞代谢过程用非线性方程描述。
? 复杂群体的生命活动
反应动力学描述的简化
? 动力学是对细胞群体的动力学行为的描述
? 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均
值，在此基础上建立的模型称为确定论模型，
如果考试每个细胞之间的差别，则建立的模型
为概率论模型。
? 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，
称为结构模型，一般选取 RNA,DNA、糖类及
蛋白含量做为过程变量。菌体视为单组分的模
型为非结构模型，通过物料平衡建立超经验或
半经验的关联模型。
? 如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称
为均衡生长。
? 如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加
比例不同，称为非均衡生长。
? 生长模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构
模型。
? 将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的
模型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。
? 如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均
一化模型。
非结构模型 结构模型
确定论模型
最理想情况
不考虑细胞内部结构
各种细胞均一
细胞群体做为一种溶质
A
细胞之间无差异，
是均一的，细胞内
有多个组分存在。
B
均衡
生长
概率论模型
不考虑细胞内部结构
各种细胞不均一
C
实际情况：
细胞内多组分；
细胞之间不均一
D
均衡
生长
对细胞群体的描述模型
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 (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 g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 (S。 -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, 还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
胞合成产物的速度或能力, 可以作为判断微生物
合成代谢产物的效率 。
? 4,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
确反映发酵设备的利用效率 。
工业发酵的技术经济指标
? 一, 容量产率和产物形成的比速率
? 容量产率指的是单位时间内单位反应器容积的
产物 。
? 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 。
分
批
发
酵
的
容
量
产
率
产物形成曲线的切线表示的是最大容量产率；连接原 点和产物形成
曲线终点的连线．其斜率表示的是总的平均容量产率。
研究发酵动力学的步骤
? 1,为了获得发酵过程变化的第一手资料, 要尽可
能寻找能反映过程变化的各种理化参数 。
? 2,将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起
来, 找出它们之间的相互关系和变化规律 。
? 3,建立各种数学模型以描述各参数随时间变化的
关系 。
? 4,通过计算机的在线控制, 反复验证各种模型的
可行性与适用范围 。
发酵动力学的研究内容
? 主要包括：细胞生长和死亡动力学, 基质
消耗动力学, 氧消耗动力学, CO2生成动
力学, 产物合成和降解动力学, 代谢热生
成动力学等 。
? 以上各方面不是孤立的, 而是既相互依赖
又相互制约, 构成错综复杂, 丰富多彩的
发酵动力学体系 。
过程控制和监测
Sugar consumption
pH
Temperature
Fermentation time (h)
Agitation
Cell Dry Weight
Product
发酵动力学内容及目的
? 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 。
? 研究内容,包括了解发酵过程中菌体生
长速率, 基质消耗速率和产物生成速率
的相互关系, 环境因素对三者的影响,
以及影响其反应速度的条件 。
研究发酵动力学的目的
? （ 1） 确定最佳发酵工艺条件
? （ 2） 建立发酵过程中菌体浓度, 基质浓
度, 温度, pH,溶氧等工艺参数的控制
方案
? （ 3） 可在此研究基础上进行优选 。
发酵动力学的作用
? 要进行合理的发酵过程设计，必须以发酵动力学模
型作为依据。
? 目前国内外正利用电子计算机，根据发酵动力学模
型来设计程序，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺
参数，从而使生产控制达到最优化。
? 发酵动力学的研究正在为试验工厂数据的放大、为
分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。
第二节 发酵动力学分类
一、根据细胞生长与产物形成
有否偶联进行分类
? 细胞浓度 (x)或产物浓度对时间作图时,
两者密切平行, 其最大的比生长速率和
最大的产物合成比速率出现在同一时刻 。
一般来说在这种类型的发酵生产中, 控
制好最佳生长条件就可获得产物 合成的
最适条件 。
? 1,生长产物合成偶联型：也称 Ⅰ 型 。 这种发酵类
型的特点是：
? 微生物的生长和糖的利用与产物合成直接相关连 。
? 产物的形成与生长是平行的 。
? 产物合成速度与微生物生长速度呈线性关系, 而且
生长与营养物的消耗成准定量关系 。
? 这种类型的产物主要是葡萄 糖代谢的初级中间产物,
如乙醇发酵就属于此类型 。
? 2,生产与产物合成非偶联类型：多数次生代
谢产物的发酵属这种类型, 如各种抗生素和微
生物毒素等物质的生产速率很难与生长相联系 。
产物合成速度与碳源利用也不存在定量关系 。
? 一般产物的合成是在菌体的浓度接近或达到最
高之后才开始的, 此时比生长速率已不处于最
高速率 。
? 3,生长产物合成半偶联类型：亦称 Ⅱ 型 。 它是
介于生长产物合成偶联型与生长产物合成非偶联
之间的中间类型, 产物的合成存在着与生长相联
和不相联两个部分 。
? 该类型的动力学产物合成比速率的最高时刻要迟
于比生长速率最高时刻的到来 。
二,根据产物形成与基质消耗
的关系分类
? (1)类型 Ⅰ
产物的形成直接与基质 (糖类 )的消耗有关, 这
是一种产物合成与利用 糖类有化学计量关系 的发
酵, 糖提供了生长所需的能量 。
? 糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的, 如利
用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长 。
? 在厌氧条件下, 酵母菌生长和产物合成是平行的
过程；在通气条件下培养酵母时, 底物消耗的速
度和菌体细胞合成的速度是平行的 。 这种形式也
叫 做有生长联系的培养 。
? (2)类型 Ⅱ 产物的形成间接与基质 (糖类 )的消
耗有关, 例如柠檬酸, 谷氨酸发酵等 。
? 即微生物生长和产物合成是分开的, 糖分既供
应生长所需能量, 又充作产物合成的碳源 。
? 但在发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅
速, 一个是 最高生长时期, 另一个是最大产物
合成时期 。
? 如在用黑曲霉生产柠檬酸的过程中, 发酵早期
糖被用于满足菌体生长, 直到其他营养成分耗
尽为止；然后代谢进入使柠檬酸积累的阶段,
产物积累的数量与利用糖分数量有关, 这一过
程仅得到少量的能量 。
? (3)类型 Ⅲ 产物的形成显然与基质 (糖
类 )的消耗无关, 例如青霉素, 链霉素等
抗生素发酵 。
? 即产物是微生物的次级代谢产物, 其特征
是产物合成与利用碳源无准量关系 。 产物
合成在菌体生长停止及底物被消耗完以后
才开始 。 此种培养类型也叫做无生长联系
的培养 。
三,根据反应形式分类
? (1)简单反应型 营养成分以固定的化学量转化为
产物, 没有中间物积聚 。 又可分为有生长偶联和
无生长偶联两类 。
? (2)并行反应型 营养成分以不定的化学量转化为
产物, 在反应过程中产生一种以上的产物, 而且
这些产物的生成速率随营养成分的浓度而异, 同
时没有中间物积聚 。
? (4)分段反应型 其营养成分在转化为产物之前
全部转变为中间物, 或营养成分以优先顺序选
择性地转化为产物 。 反应过程是由两个简单反
应段组成, 这两段反应由酶诱导调节 。
? (5)复合型 大多数发酵过程是一个联合反应,
它们的联合可能相当复杂 。
? (3) 串联反应型 是指在形成产物之前积累一 定
程度的中间物的反应。
第三节 微生物生长动力学
? 微生物培养过程根据培养条件要求分为好氧培
养和厌氧培养 。
? 好氧发酵有液体表面培养, 在多孔或颗粒状固
体培养基表面上培养和通氧深层培养几种方法 。
? 厌氧发酵采用不通氧的深层培养 。
? 无论好氧与厌氧发酵都可以通过深层培养来实
现, 这种培养均在具有一定径高比的圆柱形发
酵罐内完成 。
? (1)分批式操作 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 。
? (2)半分批式操作 也称流加式操作 。 是指先将
一定量底物装入罐内, 在适宜条件下接种使反
应开始 。 反应过程中, 将特定的限制性底物送
入反应器, 以控制罐内限制性底物浓度保持一
定, 反应终止取出反应系 。
? (3)反复分批式操作 分批操作完成后取出部分
反应系, 剩余部分重新加入底物, 再按分批式
操作进行 。
? (4)反复半分批式操作 流加操作完成后, 取出
部分反应系, 剩余部分重新加入一定量底物,
再按流加式操作进行 。
? (5)连续式操作 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 。
一, 分批发酵法
? 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 。
? 这一过程中在某些培养液的条件支配下,
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
? 分批培养过程中细菌生长曲线：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
(一 ) 延滞期
? 把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的
最初一段时间里, 尽管微生物细胞的重量有所
增加, 但细胞的数量没有增加 。 这段时间称之
为延滞期 。
? 延滞期细胞特点：
? 细胞本身面临着一系列的变化, 如 PH值的改变,
营养物质供给增加等 。 因而, 延滞期的微生物
主要是适应新的环境, 让细胞内部对新环境作
出充分反应和调节, 从而适应新的环境 。
? 从生理学的角度来说, 延滞期是活跃地进行生
物合成的时期 。 微生物细胞将释放必需的辅助
因子, 合成出适应新环境的酶系, 为将来的增
殖作准备 。
延滞期长短的因素
? 接种材料的生理状态，如果接种物正处于指数生
长期，则延滞期可能根本就不出现，微生物在新
的培养基中迅速开始生长繁殖，如果接种物在原
培养基中已将营养成分消耗殆尽，则要花费较长
时间来适应新培养基。
? 培养基的组成和培养条件也可影响延滞期的长短 。
? 接种物的浓度对延滞期长短也有一定影响, 加大
接种浓度可相应缩短延滞期 。
延滞期长短对发酵结果的影响
? 种子培养基和培养条件必须合适，只有这样才能
获得高的产量。
? 接种后延滞期的长短关系到发酵周期的长短, 而
与产物形成速率和产率并无必然联系 。
? 实际生产过程中, 为缩短发酵周期, 提高设备利
用宰, 提高体积生产率, 就必须尽可能地缩短延
滞期 。
? 解决途径：
? 一是尽量选择处于指数生长期的种子；
? 二是扩大接种量 。 但是, 如果要扩大接种量,
又往往需要多级扩大制种, 这不仅增加了发酵
的复杂程度, 又容易造成杂菌污染, 故而应从
多方面考虑 。
(二 )指数生长期
? 对细菌, 酵母等单细胞微生物来讲, 单位时间
内其细胞数目将成倍增加 。
? 而对于丝状微生物而言, 单位时间内其 生物量
将加倍 。
? 此时, 如以细胞数目或生物量的对数对时间作
一对数图, 将得一直线, 因而这一时期称作指
数生长期 。
指数生长期细胞特点
? 细胞保持均恒生长。
? 不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质,
并不断向培养基中分泌代谢产物 。
? 由于此时培养基中的 营养成分远远过量, 且积累
的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖,
因而微生物的生长速率不受这些因素的影响, 而
仅与 微生物本身的比生长速率 μ及发酵液中的生
物量浓度 X(g/L)相关 。
对于单细胞的微生物来说，还可进一步简化为
N— 培养基中的细胞密度。
?对于特定的微生物而言，其比生长速率 μ只与三个因素有关。限
制性营养物质的浓度、最大比生长速率 μm、底物相关常数 Ks。
?假定营养物质进入细胞后，立即被利用而不积累，则存在以下关
系式：
Ks一一底物相关常效，为 μ为
1/2μm时限制性营养物质的浓度。
? 如果各种营养物质均大大过量的话, 则 μ =μ m，
这时便是指数生长期 。 也就是说, 处于指数生
长期的微生物,其生长繁殖不受营养物质的限
制, 因而具有最大比生长速率 。 如果发酵的目
的是为了获得微生物菌体的话, 则应尽量设法
维持指数生长期 。
微生物的最大比生长速率在工业上的意义
? 为保证工业发酵的正常周期, 要尽可能地使微生
物的比生长速率接近其最大值 。
? 最大比生长速率不仅与微生物本身的性质有关,
也与所消耗的底物以及培养的方式有关 。
? 限制微生物生长代谢的并不是发酵液中营养物质
的浓度, 而是 营养物质进入细胞的速度 。
(三 )稳定期
? 在细胞生长代谢过程中, 培养基中的底物不断
被消耗, 一些对微生物生长代谢 有害的物质在
不断积累 。 受此影响, 微生物的生长速率和比
生长速率就会逐渐下降, 直至完全停止, 这时
就进入稳定期 。
? 处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变；
? 但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着, 细胞
的组成物质还在不断变化 。
? 此时, 有的细胞开始老化, 裂解, 形成芽孢,
并向培养基中释放出新的碳水化合物和蛋白质
等, 这些物质可以用来维持生存下来的细胞的
缓慢生长 。
? 微生物的很多代谢产物, 尤其是次级代谢产物,
是在进入稳定期后才大量合成和分泌的 。
? 当微生物赖以生存的培养基中存在多种营养
物质时，微生物将优先利用其易于代谢的营养物
质，至其耗用完时，降解利用其他营养物质的酶
才能诱导合成或解除抑制。
(四 )死亡期
? 在死亡期, 细胞的营养物质和能源储备已消耗殆
尽, 不能再维持细胞的生长和代谢, 因而细胞开
始死亡 。
? 这时, 以生存细胞的数目的对数对时间作半对数
图, 可得一直线, 这说明微生物细胞的死亡呈指
数比率增加 。
? 在发酵工业生产中, 在进入死亡期之前应及时将
发酵液放罐处理 。
分批发酵产物形成的动力学
? (一 )生产连动型产物形成 (I型发酵 )
? 生产连动型产物通常都直接涉及微生物的产能
降解代谢途径, 或是正常的中间代谢产物 。
? 酵母发酵生成酒精, 以及葡萄糖酸和大部分氨
基酸, 单细胞蛋白都属于这种类型 。
? 在这种类型的发酵中, 微生物的生长, 碳水化
合物的降解代谢和产物的形成几乎是平行进行
的, 营养期和分化期彼此不分开 。
分批生物工艺中各种比速率 (生长速率 μ、基质消耗 qk和
产物形成 qp)之间关系的图示
生产连动型
? 生产连动型产物的生成反应可表示如下,
?生产连动型产物的合成速率与微生物的比生长速率以及培养基中的菌体
浓度呈正比 。
?产物形成的比速率则与微生物的比生长速率呈正比 。
?所以，对于这种类型的产物来说，调整发酵工艺参数，使 微生物保持高
的比生长速率,对于快速获得产物、缩短发酵周期十分有利。
? (二 )部分生长连动型产物形成 (II型发酵 )
? 部分生长连动型产物又称混合型产物, 它们通
常都间接地与微生物的初级产能代谢途径相关,
是由产能代谢派生的代谢途径产生的 。
? 其生成反应可表示为；
? 柠檬酸, 衣糠酸, 乳酸和部分氨基酸为这种类型产物的典
型代表 。
? 在分批发酵中, 这种类型产物的形成分成两个极限：起
初, 微生物消耗大量底物用于产能代谢和生长, 而产物形成
很缓馒, 甚至根本不形成；
? 此后, 当微生物的生长速率开始减慢后, 细胞开始大量消
耗底物以合成产物 。
? 对这类产物来说,营养期和分化期在时间上是彼此分开的 。
? 分批生物工艺中各种比速率
(生长速率 μ、基质消耗 qk和产物形成 qp)
之间关系的图示
? (b)部分生长连动型
? 产物的形成只与发酵被中的菌体浓度有关, 而
微生物的生长速率对它无直接影响 。
? 对于这一类型发酵, 只要能 保证获得足够高浓
度的生物量, 就可以获得高速率的产物合成 。
(三 )非生长连动型产物形成 (Ⅲ 型发酸 )
? 非生长连动型的产物一般不是直接或间接来自微生
物的产能降解代谢, 而是通过两用代谢途径合成的 。
? 在这一类型的发酵中, 起初是微生物的初级代谢和
菌体生长, 而没有产物的合成 。 此时, 营养物质的
消耗非常大 。
? 当培养基中的营养物质消耗尽、微生物的生长
停止以后，产物才开始通过中间代谢大量合成。
即产生该类产物的微生物，其 营养期和分化期在
时间上是完全分开的 。
? 非生产连动型的产物大多数是微生物的次级代
谢产物，大多数的抗生素和生物毒素，以及维生
素类。
? 分批生物工艺中各种比速率 (生长速率 μ,基质
消耗 qk和产物形成 qp)之间关系的图示
? c)非生长连动型
二、分批补料培养技术
? 在传统的分批培养发酵工艺中, 所有的物料都
是在发酵开始前加入反应器中的 。
? 一般来说, 微生物生长所需要的营养物质浓度并
不十分高, 往往在 10Ks以上时就可达到最大比生
长速率 。 在此基础上, 即使营养物质浓度再进一
步提高, 比生长速率也不会再增加了 。
? 然而, 在分批发酵工艺中, 低浓度培养基中的营
养物质会迅速耗尽, 引起微生物过早地从指数生
长期向稳定期转变, 这样, 设备的利用率和产物
的积累浓度都不高 。
高 底物浓度的缺点
? 提高底物浓度可以延长微生物的指数生长期,
从而提高发酵的设备利用率, 容积产量和产物
的积累浓度；
? 但过高的底物浓度往往会引起一系列的不利影
响, 如底物抑制, 粘度升高引起的传质效率降
低等 。
? 尤为严重的是，微生物的许多次级代谢产物的
产生，都受高浓度的葡萄糖、碳水化合物以及
含氮化合物的降解产物的抑制。
? 所谓分批补料培养技术, 就是指在分批培养伊
始, 投入较低浓度的底物, 然后在发酵过程中,
当 微生物开始消耗底物 后, 再以某种方式向培养
系统中补加一定的物料, 使培养基中的底物浓度
在较长时间内保持在一定范围内, 以维持微生物
的生长和产物的形成, 并避免不利因素的产生,
从而达到提高容积产量, 产物浓度和产物得率的
目的 。
分批补料培养特点
? 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 。
补料分批发酵法
? 与传统分批发酵相比, 其优点在于使发酵系统
中维持很低的基质浓度 。
? 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 。
? 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 。
四、连续培养技术
? 与在密闭系统中进行的分批培养相反, 连续培养是
在开放系统中进行的 。
? 所谓连续培养, 是指以一定的速率向发酵液中添加
新鲜培养基的同时, 以相同的速率流出培养液, 从
而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 。
(三 )连续发酵法
? 从系统外部予以调整, 使菌体维持在衡
定生长速度下进行连续生长和发酵 。
? 要维持这一衡定的速度, 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 。
? 大大提高了发酵的生长效率和设备利用
率 。
? 恒定状态可以有效地延长分批培养中的指数生
长期。在恒定的状态下，微生物所处的环境条件，
如营养物质浓度、产物浓度,pH值，以及微生物
细胞的浓度、比生长速率等可以始终维持不变，
甚至还可以根据需要来调节生长速率。
连续培养的工艺种类
? 1,均匀混合的生物反应器
? 在这种反应器中, 培养基经搅拌而混合均匀,
反应器中的各部分培养基间不存在浓度梯度 。
这种连续培养装置又可进一步分为恒化器和恒
浊器两种 。
? (1)恒化器 是一种设法使培养液流速保持不变,
并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下
进行生长繁殖的一种连续培养装置 。
? 这是一种通过控制某一种营养物的浓度, 使其
始终成为生长限制因子的条件下达到的, 因而
可称为外控制式的连续培养装置 。
? 在恒化器中, 一方面菌体密度会随时间的增长
而增高, 另一方面, 限制生长因子的浓度又会
随时间的增长而降低, 两者互相作用的结果,
出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜
培养基流速相平衡 。
? 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。
? (2)恒浊器 是根据培养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器 。
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, 这类培养器的工作精度
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。
? 在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生
长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，都
可以利用恒浊器。
? 在恒浊器中, 微生物可维持该培养在分批培养
时达到的最大生长速率 。
? 一般来说, 恒浊器较难控制, 目前大多数研究
工作者都利用恒化器进行连续培养的研究 。
群体生长速率与临界底物浓度的关系
? 2,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 )。
恒化器 (A)、恒浊器 (B)和活塞流反应器 (c)中的连续发酵
? 另外，这种反应器常用于固定化菌和固定化细
胞所催化的反应，这时就无需再在进料口处加
入催化剂。
? 连续培养在生产上的应用还很有限的原因
? ① 许多方法只能连续运转 20一 200小时, 而工业系
统则要求必须能稳定运行 500一 1000小时以上；
? ② 工业生产规模长时间保持无菌状态有一定困难；
? ③ 连续培养所用培养基的组成要保持相对稳定, 这
样才能取得最大产量, 而工业培养基的组成成分,
如玉米浆, 蛋白胨和淀粉等, 在批与批之间有时会
出现较大变化；
? ④ 当使用高产菌株进行生产时, 回复突变可能发生 。
在连续培养过程中, 回复突变的菌株有可能会取代
生产菌株而成为优势菌株 。
连续发酵分类
? 开放式连续发酵系统,单罐均匀混 合连续发
酵、多罐均匀混合连续发酵、管道非均匀混合连
续发酵、塔式非均匀混合连续发酵
? 封闭式连续发酵系统：
连续发酵类型
类 型 开放式 (菌体取出 ) 封闭式 (菌体不取出 )
单罐 多罐 单罐 多罐
均
匀
混
合
非循
环
搅拌发酵罐 搅拌罐 (串联 ) 透析膜培养
循环
搅拌发酵罐
( 菌 体 部分
重复使用 )
搅拌罐串联 ( 菌
体部分重复使用 )
搅拌发酵罐 (菌
体 100％ 重复使
用 )
搅拌发酵罐
串联 (菌体 100
％ 重复使用 )
非
均
匀
混
合
非循
环
管道发酵器
塔式发酵罐
塔式发酵罐装有
隔板的管道发酵
器 (卧式, 立式 )
塔式发酵罐 (菌
体 100％ 重复使
用 )
塔式发酵罐
(菌体 100％ 重
复使用 )
循环 管道发酵器
塔式发酵罐
( 菌 体 部分
重复使用 )
塔式发酵罐装有
隔板的管道发酵
器 ( 菌体部分重
复使用 )
管道发酵器 (菌
体 100％ 重复使
用 )
塔式发酵罐
装有隔板的
管道 (菌体 100
％ 重复使用 )
1．开放式连续发酵
? 在开放式连续发酵系统中, 培养系统中的微生
物细胞随着发酵液的流出而一起流出, 细胞流出
速度等于新细胞形成速度 。 因此在这种情况下,
可使细胞浓度处于某种稳定状态 。
? 另外, 最后流出的发酵液如部分返回 (反馈 )发酵
罐进行重复使用, 则该装置叫做循环系统, 发酵
液不重复使用的装置叫做不循环系统 。
? (1)单罐均匀混合连续发酵：培养液以一定的
流速不断地流加到带机械搅拌的发酵罐中, 与
罐内发酵液充分混合, 同时带有细胞和产物的
发酵液又以同样流速连续流出 。 如果用一个装
置将流出的发酵液中部分细胞返回发酵罐, 就
构成循环系统 。
? (2)多罐均匀混合连续发酵：将若干搅拌发酵
罐串联起来, 就构成多罐均匀混合连续发酵装
置 。 新鲜培养液不断流人第一只发酵罐, 发酵
液以同样流速依次流人下一只发酵罐, 在最后
一只罐中流出 。 多级连续发酵可以在每个罐中
控制不同的环境条件以满足微生物生长各阶段
的不同需要, 并能使培养液中的营养成分得到
较充分的利用, 最后流出的发酵液中细胞和产
物的浓度较高, 所以是最经济的连续方法 。
? (3)管道非均匀混合连续发酵：管道的形式有
多种, 如直线形, S形, 蛇形管等 。 培养液和
从种子罐来的种子不断流入管道发酵器内, 使
微生物在其中生长 。
? 这种连续发酵的方法主要用于厌氧发酵 。 如在
管道中用隔板加以分隔, 每一个分隔等于一台
发酵罐, 就相当于多罐串联的连续发酵 。
? (4)塔式非均匀混合连续发酵：
塔式发酵罐有两种：一种是用多孔板将其分隔成
若干室, 每个室等于一台发酵罐, 这样一台多孔
板塔式发酵罐就相当于一组多级串联的连续发酵
装置 。 另一种是在罐内装设填充物, 使菌体在上
面生长, 这种形式仍然属于单罐式 。
2．封闭式连续发酵
? 在封闭式连续发酵系统中, 运用某种方法使细
胞一直保持在培养器内, 并使其数量不断增加 。
这种条件下, 某些限制因素在培养器中发生变化,
最后大部分细胞死亡 。 因此在这种系统中, 不可
能维持稳定状态 。
? 封闭式连续发酵可以用开放式连续发酵设备加以
改装, 只要使全部菌体重新循环使用 。
? 另一种方法是采用间隔物或填充物置于设备内,
使菌体在上面生长, 发酵液流出时不带细胞或所
带细胞极少 。
? 透析膜连续发酵是一个新方法, 它是采用一种
具有微孔的有机膜将发酵设备分隔, 这种膜只
能通过发酵产物, 而不能通过菌体细胞 。
? 将培养液连续流加到发酵设备的具有菌体的间
隔中, 微生物的代谢产物就通过透析膜连续不
断地从另一间隔流出 。
? 在一些发酵过程中, 当发酵液中代谢产物积累
到一定程度时就会抑制它的继续积累, 而采用
透析膜发酵的方法可使代谢产物不断透析出去,
发酵液中留下不多, 因而可以提高产品得率 。
单级连续发酵的设计原则
? 对于正确设计一种连续发酵方案, 重要的是选
择适宜的稀释度 D,为此必须了解产率 Yx/s，
生长比速率 μ, 最大比生长速率 μ m,饱和常
数 Ks,产物形成速率以及营养消耗速率等 。
? 如何决定最合适的 D值, 具有很大经济意义,
它不仅和产量曲线 (DX)有关, 而且还应考虑原
料的类型, 价格, 产品的经济价值等方面 。
连续发酵的优点
? 1.有利于缩短发酵周期，提高劳动生产率。连
续发酵减少分批发酵中的清洗、投料、消毒等
辅助时间，大大缩短发酵周期和提高设备利用
率。同时连续培养过程始终使细胞生长处于最
高生长繁殖状态，因此可明显提高生产效率，
特别是对生产周期短的产品，效果更为显著。
? 2.连续发酵生产过程比较稳定、均衡，各项参
数也较恒定，便于自动化控制，品质量稳定。
? 3.由于连续发酵采用管道化和自动化生产，明
显降低劳动强度。
? 虽然取 Dm时的稀释度可以获得最大的产
量, 但因稀释度较高, 流出液中未被利
用的营养物也较多, 当原料价格较贵时,
为充分利用基质, 应适当降低 D值 。
? 如果产品有较大经济效益, 则可采用接
近 Dm时的稀释度 。
连续发酵存在的问题
? 特别是以中间代谢产物为发酵产品的发酵,
在理论和实践上都没有完全解决, 如发酵过程
中微生物生理生化特性变化, 发酵动力学等并
未充分了解 。
? 在生产上要保持在连续发酵的整个过程中, 生
产菌株不发生退化也十分不容易 。
? 长时间的连续发酵中对发酵设备和空气净化系
统的无菌要求更高 。 不能保持长时间的无菌操
作是导致连续发酵失败的主要原因 。
? 对于某些原材料价格昂贵的产品, 由于连续发
酵对基质利用率较低, 往往造成生产成本的增
加 。
连续发酵优点
? ① 高效，它简化了装料、灭菌、出料、清洗发
酵罐等许多单元操作，从而减少了非生产时间
和提高了设备的利用率；
? ②自控，便于利用各种仪表进行自动控制；
? ③产品质量较稳定；
? ④生长与代谢产物形成的两种类型节约了大量
动力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、电的负
荷均匀合理。
连续发酵缺点
? 菌种易于退化。
? 其次是易遭杂菌污染。所谓, 连续, 是有时间
限制的，一般可达数月至一、二年。
? 在连续培养中，营养物的利用率一般亦低于单
批培养。
连续发酵的应用
? 采用连续发酵的方法可以有效地提高产量,
但是也存在着某些较难克服的困难, 因此目前
仅在 — 些比较简单的发酵产品中应用, 如酵母,
单细胞蛋白, 酒精发酵, 丙酮乙醇, 石油脱蜡,
活性污泥废水处理等 。 其余产品的连续发酵尚
未工业化生产 。
培养方法
第一节 微生物反应过程概论
? 一、微生物反应过程的主要特征
? 微生物是该反应过程的主体：是生物催
化剂，又是一微小的反应容器。
? 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应
体系。酶能够进行再生产。
? 微生物反应是非常复杂的反应过程
? （ 1）反应体系中有细胞的生长，基质消耗
和产物的生成，有各自的最佳反应条件。
? （ 2）微生物反应有多种代谢途径。
? （ 3）微生物反应过程中，细胞形态、组成
要经历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶
段，不同菌龄，有不同的活性。
二、微生物反应动力学的描述方法
? 细胞生长动力学
? 反应基质消耗动力学
? 代谢产物生成动力学
? 发酵过程：包括细胞内的生化反应，胞
内与胞外的物质交换，胞外物质传递及
反应。
发酵过程特点
? 多相：气相、液相和固相
? 多组分：培养基中多种营养成分，多种代
谢产物，细胞内也具有不同生理功能的大、
中、小分子化合物。
? 非线性：细胞代谢过程用非线性方程描述。
? 复杂群体的生命活动
反应动力学描述的简化
? 动力学是对细胞群体的动力学行为的描述
? 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均
值，在此基础上建立的模型称为确定论模型，
如果考试每个细胞之间的差别，则建立的模型
为概率论模型。
? 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，
称为结构模型，一般选取 RNA,DNA、糖类及
蛋白含量做为过程变量。菌体视为单组分的模
型为非结构模型，通过物料平衡建立超经验或
半经验的关联模型。
? 如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称
为均衡生长。
? 如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加
比例不同，称为非均衡生长。
? 生长模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构
模型。
? 将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的
模型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。
? 如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均
一化模型。
非结构模型 结构模型
确定论模型
最理想情况
不考虑细胞内部结构
各种细胞均一
细胞群体做为一种溶质
A
细胞之间无差异，
是均一的，细胞内
有多个组分存在。
B
均衡
生长
概率论模型
不考虑细胞内部结构
各种细胞不均一
C
实际情况：
细胞内多组分；
细胞之间不均一
D
均衡
生长
对细胞群体的描述模型
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 (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 g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 (S。 -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, 还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
胞合成产物的速度或能力, 可以作为判断微生物
合成代谢产物的效率 。
? 4,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
确反映发酵设备的利用效率 。
工业发酵的技术经济指标
? 一, 容量产率和产物形成的比速率
? 容量产率指的是单位时间内单位反应器容积的
产物 。
? 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 。
分
批
发
酵
的
容
量
产
率
产物形成曲线的切线表示的是最大容量产率；连接原 点和产物形成
曲线终点的连线．其斜率表示的是总的平均容量产率。
研究发酵动力学的步骤
? 1,为了获得发酵过程变化的第一手资料, 要尽可
能寻找能反映过程变化的各种理化参数 。
? 2,将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起
来, 找出它们之间的相互关系和变化规律 。
? 3,建立各种数学模型以描述各参数随时间变化的
关系 。
? 4,通过计算机的在线控制, 反复验证各种模型的
可行性与适用范围 。
发酵动力学的研究内容
? 主要包括：细胞生长和死亡动力学, 基质
消耗动力学, 氧消耗动力学, CO2生成动
力学, 产物合成和降解动力学, 代谢热生
成动力学等 。
? 以上各方面不是孤立的, 而是既相互依赖
又相互制约, 构成错综复杂, 丰富多彩的
发酵动力学体系 。
过程控制和监测
Sugar consumption
pH
Temperature
Fermentation time (h)
Agitation
Cell Dry Weight
Product
发酵动力学内容及目的
? 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 。
? 研究内容,包括了解发酵过程中菌体生
长速率, 基质消耗速率和产物生成速率
的相互关系, 环境因素对三者的影响,
以及影响其反应速度的条件 。
研究发酵动力学的目的
? （ 1） 确定最佳发酵工艺条件
? （ 2） 建立发酵过程中菌体浓度, 基质浓
度, 温度, pH,溶氧等工艺参数的控制
方案
? （ 3） 可在此研究基础上进行优选 。
发酵动力学的作用
? 要进行合理的发酵过程设计，必须以发酵动力学模
型作为依据。
? 目前国内外正利用电子计算机，根据发酵动力学模
型来设计程序，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺
参数，从而使生产控制达到最优化。
? 发酵动力学的研究正在为试验工厂数据的放大、为
分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。
第二节 发酵动力学分类
一、根据细胞生长与产物形成
有否偶联进行分类
? 细胞浓度 (x)或产物浓度对时间作图时,
两者密切平行, 其最大的比生长速率和
最大的产物合成比速率出现在同一时刻 。
一般来说在这种类型的发酵生产中, 控
制好最佳生长条件就可获得产物 合成的
最适条件 。
? 1,生长产物合成偶联型：也称 Ⅰ 型 。 这种发酵类
型的特点是：
? 微生物的生长和糖的利用与产物合成直接相关连 。
? 产物的形成与生长是平行的 。
? 产物合成速度与微生物生长速度呈线性关系, 而且
生长与营养物的消耗成准定量关系 。
? 这种类型的产物主要是葡萄 糖代谢的初级中间产物,
如乙醇发酵就属于此类型 。
? 2,生产与产物合成非偶联类型：多数次生代
谢产物的发酵属这种类型, 如各种抗生素和微
生物毒素等物质的生产速率很难与生长相联系 。
产物合成速度与碳源利用也不存在定量关系 。
? 一般产物的合成是在菌体的浓度接近或达到最
高之后才开始的, 此时比生长速率已不处于最
高速率 。
? 3,生长产物合成半偶联类型：亦称 Ⅱ 型 。 它是
介于生长产物合成偶联型与生长产物合成非偶联
之间的中间类型, 产物的合成存在着与生长相联
和不相联两个部分 。
? 该类型的动力学产物合成比速率的最高时刻要迟
于比生长速率最高时刻的到来 。
二,根据产物形成与基质消耗
的关系分类
? (1)类型 Ⅰ
产物的形成直接与基质 (糖类 )的消耗有关, 这
是一种产物合成与利用 糖类有化学计量关系 的发
酵, 糖提供了生长所需的能量 。
? 糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的, 如利
用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长 。
? 在厌氧条件下, 酵母菌生长和产物合成是平行的
过程；在通气条件下培养酵母时, 底物消耗的速
度和菌体细胞合成的速度是平行的 。 这种形式也
叫 做有生长联系的培养 。
? (2)类型 Ⅱ 产物的形成间接与基质 (糖类 )的消
耗有关, 例如柠檬酸, 谷氨酸发酵等 。
? 即微生物生长和产物合成是分开的, 糖分既供
应生长所需能量, 又充作产物合成的碳源 。
? 但在发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅
速, 一个是 最高生长时期, 另一个是最大产物
合成时期 。
? 如在用黑曲霉生产柠檬酸的过程中, 发酵早期
糖被用于满足菌体生长, 直到其他营养成分耗
尽为止；然后代谢进入使柠檬酸积累的阶段,
产物积累的数量与利用糖分数量有关, 这一过
程仅得到少量的能量 。
? (3)类型 Ⅲ 产物的形成显然与基质 (糖
类 )的消耗无关, 例如青霉素, 链霉素等
抗生素发酵 。
? 即产物是微生物的次级代谢产物, 其特征
是产物合成与利用碳源无准量关系 。 产物
合成在菌体生长停止及底物被消耗完以后
才开始 。 此种培养类型也叫做无生长联系
的培养 。
三,根据反应形式分类
? (1)简单反应型 营养成分以固定的化学量转化为
产物, 没有中间物积聚 。 又可分为有生长偶联和
无生长偶联两类 。
? (2)并行反应型 营养成分以不定的化学量转化为
产物, 在反应过程中产生一种以上的产物, 而且
这些产物的生成速率随营养成分的浓度而异, 同
时没有中间物积聚 。
? (4)分段反应型 其营养成分在转化为产物之前
全部转变为中间物, 或营养成分以优先顺序选
择性地转化为产物 。 反应过程是由两个简单反
应段组成, 这两段反应由酶诱导调节 。
? (5)复合型 大多数发酵过程是一个联合反应,
它们的联合可能相当复杂 。
? (3) 串联反应型 是指在形成产物之前积累一 定
程度的中间物的反应。
第三节 微生物生长动力学
? 微生物培养过程根据培养条件要求分为好氧培
养和厌氧培养 。
? 好氧发酵有液体表面培养, 在多孔或颗粒状固
体培养基表面上培养和通氧深层培养几种方法 。
? 厌氧发酵采用不通氧的深层培养 。
? 无论好氧与厌氧发酵都可以通过深层培养来实
现, 这种培养均在具有一定径高比的圆柱形发
酵罐内完成 。
? (1)分批式操作 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 。
? (2)半分批式操作 也称流加式操作 。 是指先将
一定量底物装入罐内, 在适宜条件下接种使反
应开始 。 反应过程中, 将特定的限制性底物送
入反应器, 以控制罐内限制性底物浓度保持一
定, 反应终止取出反应系 。
? (3)反复分批式操作 分批操作完成后取出部分
反应系, 剩余部分重新加入底物, 再按分批式
操作进行 。
? (4)反复半分批式操作 流加操作完成后, 取出
部分反应系, 剩余部分重新加入一定量底物,
再按流加式操作进行 。
? (5)连续式操作 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 。
一, 分批发酵法
? 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 。
? 这一过程中在某些培养液的条件支配下,
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
? 分批培养过程中细菌生长曲线：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
(一 ) 延滞期
? 把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的
最初一段时间里, 尽管微生物细胞的重量有所
增加, 但细胞的数量没有增加 。 这段时间称之
为延滞期 。
? 延滞期细胞特点：
? 细胞本身面临着一系列的变化, 如 PH值的改变,
营养物质供给增加等 。 因而, 延滞期的微生物
主要是适应新的环境, 让细胞内部对新环境作
出充分反应和调节, 从而适应新的环境 。
? 从生理学的角度来说, 延滞期是活跃地进行生
物合成的时期 。 微生物细胞将释放必需的辅助
因子, 合成出适应新环境的酶系, 为将来的增
殖作准备 。
延滞期长短的因素
? 接种材料的生理状态，如果接种物正处于指数生
长期，则延滞期可能根本就不出现，微生物在新
的培养基中迅速开始生长繁殖，如果接种物在原
培养基中已将营养成分消耗殆尽，则要花费较长
时间来适应新培养基。
? 培养基的组成和培养条件也可影响延滞期的长短 。
? 接种物的浓度对延滞期长短也有一定影响, 加大
接种浓度可相应缩短延滞期 。
延滞期长短对发酵结果的影响
? 种子培养基和培养条件必须合适，只有这样才能
获得高的产量。
? 接种后延滞期的长短关系到发酵周期的长短, 而
与产物形成速率和产率并无必然联系 。
? 实际生产过程中, 为缩短发酵周期, 提高设备利
用宰, 提高体积生产率, 就必须尽可能地缩短延
滞期 。
? 解决途径：
? 一是尽量选择处于指数生长期的种子；
? 二是扩大接种量 。 但是, 如果要扩大接种量,
又往往需要多级扩大制种, 这不仅增加了发酵
的复杂程度, 又容易造成杂菌污染, 故而应从
多方面考虑 。
(二 )指数生长期
? 对细菌, 酵母等单细胞微生物来讲, 单位时间
内其细胞数目将成倍增加 。
? 而对于丝状微生物而言, 单位时间内其 生物量
将加倍 。
? 此时, 如以细胞数目或生物量的对数对时间作
一对数图, 将得一直线, 因而这一时期称作指
数生长期 。
指数生长期细胞特点
? 细胞保持均恒生长。
? 不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质,
并不断向培养基中分泌代谢产物 。
? 由于此时培养基中的 营养成分远远过量, 且积累
的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖,
因而微生物的生长速率不受这些因素的影响, 而
仅与 微生物本身的比生长速率 μ及发酵液中的生
物量浓度 X(g/L)相关 。
对于单细胞的微生物来说，还可进一步简化为
N— 培养基中的细胞密度。
?对于特定的微生物而言，其比生长速率 μ只与三个因素有关。限
制性营养物质的浓度、最大比生长速率 μm、底物相关常数 Ks。
?假定营养物质进入细胞后，立即被利用而不积累，则存在以下关
系式：
Ks一一底物相关常效，为 μ为
1/2μm时限制性营养物质的浓度。
? 如果各种营养物质均大大过量的话, 则 μ =μ m，
这时便是指数生长期 。 也就是说, 处于指数生
长期的微生物,其生长繁殖不受营养物质的限
制, 因而具有最大比生长速率 。 如果发酵的目
的是为了获得微生物菌体的话, 则应尽量设法
维持指数生长期 。
微生物的最大比生长速率在工业上的意义
? 为保证工业发酵的正常周期, 要尽可能地使微生
物的比生长速率接近其最大值 。
? 最大比生长速率不仅与微生物本身的性质有关,
也与所消耗的底物以及培养的方式有关 。
? 限制微生物生长代谢的并不是发酵液中营养物质
的浓度, 而是 营养物质进入细胞的速度 。
(三 )稳定期
? 在细胞生长代谢过程中, 培养基中的底物不断
被消耗, 一些对微生物生长代谢 有害的物质在
不断积累 。 受此影响, 微生物的生长速率和比
生长速率就会逐渐下降, 直至完全停止, 这时
就进入稳定期 。
? 处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变；
? 但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着, 细胞
的组成物质还在不断变化 。
? 此时, 有的细胞开始老化, 裂解, 形成芽孢,
并向培养基中释放出新的碳水化合物和蛋白质
等, 这些物质可以用来维持生存下来的细胞的
缓慢生长 。
? 微生物的很多代谢产物, 尤其是次级代谢产物,
是在进入稳定期后才大量合成和分泌的 。
? 当微生物赖以生存的培养基中存在多种营养
物质时，微生物将优先利用其易于代谢的营养物
质，至其耗用完时，降解利用其他营养物质的酶
才能诱导合成或解除抑制。
(四 )死亡期
? 在死亡期, 细胞的营养物质和能源储备已消耗殆
尽, 不能再维持细胞的生长和代谢, 因而细胞开
始死亡 。
? 这时, 以生存细胞的数目的对数对时间作半对数
图, 可得一直线, 这说明微生物细胞的死亡呈指
数比率增加 。
? 在发酵工业生产中, 在进入死亡期之前应及时将
发酵液放罐处理 。
分批发酵产物形成的动力学
? (一 )生产连动型产物形成 (I型发酵 )
? 生产连动型产物通常都直接涉及微生物的产能
降解代谢途径, 或是正常的中间代谢产物 。
? 酵母发酵生成酒精, 以及葡萄糖酸和大部分氨
基酸, 单细胞蛋白都属于这种类型 。
? 在这种类型的发酵中, 微生物的生长, 碳水化
合物的降解代谢和产物的形成几乎是平行进行
的, 营养期和分化期彼此不分开 。
分批生物工艺中各种比速率 (生长速率 μ、基质消耗 qk和
产物形成 qp)之间关系的图示
生产连动型
? 生产连动型产物的生成反应可表示如下,
?生产连动型产物的合成速率与微生物的比生长速率以及培养基中的菌体
浓度呈正比 。
?产物形成的比速率则与微生物的比生长速率呈正比 。
?所以，对于这种类型的产物来说，调整发酵工艺参数，使 微生物保持高
的比生长速率,对于快速获得产物、缩短发酵周期十分有利。
? (二 )部分生长连动型产物形成 (II型发酵 )
? 部分生长连动型产物又称混合型产物, 它们通
常都间接地与微生物的初级产能代谢途径相关,
是由产能代谢派生的代谢途径产生的 。
? 其生成反应可表示为；
? 柠檬酸, 衣糠酸, 乳酸和部分氨基酸为这种类型产物的典
型代表 。
? 在分批发酵中, 这种类型产物的形成分成两个极限：起
初, 微生物消耗大量底物用于产能代谢和生长, 而产物形成
很缓馒, 甚至根本不形成；
? 此后, 当微生物的生长速率开始减慢后, 细胞开始大量消
耗底物以合成产物 。
? 对这类产物来说,营养期和分化期在时间上是彼此分开的 。
? 分批生物工艺中各种比速率
(生长速率 μ、基质消耗 qk和产物形成 qp)
之间关系的图示
? (b)部分生长连动型
? 产物的形成只与发酵被中的菌体浓度有关, 而
微生物的生长速率对它无直接影响 。
? 对于这一类型发酵, 只要能 保证获得足够高浓
度的生物量, 就可以获得高速率的产物合成 。
(三 )非生长连动型产物形成 (Ⅲ 型发酸 )
? 非生长连动型的产物一般不是直接或间接来自微生
物的产能降解代谢, 而是通过两用代谢途径合成的 。
? 在这一类型的发酵中, 起初是微生物的初级代谢和
菌体生长, 而没有产物的合成 。 此时, 营养物质的
消耗非常大 。
? 当培养基中的营养物质消耗尽、微生物的生长
停止以后，产物才开始通过中间代谢大量合成。
即产生该类产物的微生物，其 营养期和分化期在
时间上是完全分开的 。
? 非生产连动型的产物大多数是微生物的次级代
谢产物，大多数的抗生素和生物毒素，以及维生
素类。
? 分批生物工艺中各种比速率 (生长速率 μ,基质
消耗 qk和产物形成 qp)之间关系的图示
? c)非生长连动型
二、分批补料培养技术
? 在传统的分批培养发酵工艺中, 所有的物料都
是在发酵开始前加入反应器中的 。
? 一般来说, 微生物生长所需要的营养物质浓度并
不十分高, 往往在 10Ks以上时就可达到最大比生
长速率 。 在此基础上, 即使营养物质浓度再进一
步提高, 比生长速率也不会再增加了 。
? 然而, 在分批发酵工艺中, 低浓度培养基中的营
养物质会迅速耗尽, 引起微生物过早地从指数生
长期向稳定期转变, 这样, 设备的利用率和产物
的积累浓度都不高 。
高 底物浓度的缺点
? 提高底物浓度可以延长微生物的指数生长期,
从而提高发酵的设备利用率, 容积产量和产物
的积累浓度；
? 但过高的底物浓度往往会引起一系列的不利影
响, 如底物抑制, 粘度升高引起的传质效率降
低等 。
? 尤为严重的是，微生物的许多次级代谢产物的
产生，都受高浓度的葡萄糖、碳水化合物以及
含氮化合物的降解产物的抑制。
? 所谓分批补料培养技术, 就是指在分批培养伊
始, 投入较低浓度的底物, 然后在发酵过程中,
当 微生物开始消耗底物 后, 再以某种方式向培养
系统中补加一定的物料, 使培养基中的底物浓度
在较长时间内保持在一定范围内, 以维持微生物
的生长和产物的形成, 并避免不利因素的产生,
从而达到提高容积产量, 产物浓度和产物得率的
目的 。
分批补料培养特点
? 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 。
补料分批发酵法
? 与传统分批发酵相比, 其优点在于使发酵系统
中维持很低的基质浓度 。
? 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 。
? 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 。
四、连续培养技术
? 与在密闭系统中进行的分批培养相反, 连续培养是
在开放系统中进行的 。
? 所谓连续培养, 是指以一定的速率向发酵液中添加
新鲜培养基的同时, 以相同的速率流出培养液, 从
而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 。
(三 )连续发酵法
? 从系统外部予以调整, 使菌体维持在衡
定生长速度下进行连续生长和发酵 。
? 要维持这一衡定的速度, 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 。
? 大大提高了发酵的生长效率和设备利用
率 。
? 恒定状态可以有效地延长分批培养中的指数生
长期。在恒定的状态下，微生物所处的环境条件，
如营养物质浓度、产物浓度,pH值，以及微生物
细胞的浓度、比生长速率等可以始终维持不变，
甚至还可以根据需要来调节生长速率。
连续培养的工艺种类
? 1,均匀混合的生物反应器
? 在这种反应器中, 培养基经搅拌而混合均匀,
反应器中的各部分培养基间不存在浓度梯度 。
这种连续培养装置又可进一步分为恒化器和恒
浊器两种 。
? (1)恒化器 是一种设法使培养液流速保持不变,
并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下
进行生长繁殖的一种连续培养装置 。
? 这是一种通过控制某一种营养物的浓度, 使其
始终成为生长限制因子的条件下达到的, 因而
可称为外控制式的连续培养装置 。
? 在恒化器中, 一方面菌体密度会随时间的增长
而增高, 另一方面, 限制生长因子的浓度又会
随时间的增长而降低, 两者互相作用的结果,
出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜
培养基流速相平衡 。
? 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。
? (2)恒浊器 是根据培养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器 。
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, 这类培养器的工作精度
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。
? 在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生
长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，都
可以利用恒浊器。
? 在恒浊器中, 微生物可维持该培养在分批培养
时达到的最大生长速率 。
? 一般来说, 恒浊器较难控制, 目前大多数研究
工作者都利用恒化器进行连续培养的研究 。
群体生长速率与临界底物浓度的关系
? 2,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 )。
恒化器 (A)、恒浊器 (B)和活塞流反应器 (c)中的连续发酵
? 另外，这种反应器常用于固定化菌和固定化细
胞所催化的反应，这时就无需再在进料口处加
入催化剂。
? 连续培养在生产上的应用还很有限的原因
? ① 许多方法只能连续运转 20一 200小时, 而工业系
统则要求必须能稳定运行 500一 1000小时以上；
? ② 工业生产规模长时间保持无菌状态有一定困难；
? ③ 连续培养所用培养基的组成要保持相对稳定, 这
样才能取得最大产量, 而工业培养基的组成成分,
如玉米浆, 蛋白胨和淀粉等, 在批与批之间有时会
出现较大变化；
? ④ 当使用高产菌株进行生产时, 回复突变可能发生 。
在连续培养过程中, 回复突变的菌株有可能会取代
生产菌株而成为优势菌株 。
连续发酵分类
? 开放式连续发酵系统,单罐均匀混 合连续发
酵、多罐均匀混合连续发酵、管道非均匀混合连
续发酵、塔式非均匀混合连续发酵
? 封闭式连续发酵系统：
连续发酵类型
类 型 开放式 (菌体取出 ) 封闭式 (菌体不取出 )
单罐 多罐 单罐 多罐
均
匀
混
合
非循
环
搅拌发酵罐 搅拌罐 (串联 ) 透析膜培养
循环
搅拌发酵罐
( 菌 体 部分
重复使用 )
搅拌罐串联 ( 菌
体部分重复使用 )
搅拌发酵罐 (菌
体 100％ 重复使
用 )
搅拌发酵罐
串联 (菌体 100
％ 重复使用 )
非
均
匀
混
合
非循
环
管道发酵器
塔式发酵罐
塔式发酵罐装有
隔板的管道发酵
器 (卧式, 立式 )
塔式发酵罐 (菌
体 100％ 重复使
用 )
塔式发酵罐
(菌体 100％ 重
复使用 )
循环 管道发酵器
塔式发酵罐
( 菌 体 部分
重复使用 )
塔式发酵罐装有
隔板的管道发酵
器 ( 菌体部分重
复使用 )
管道发酵器 (菌
体 100％ 重复使
用 )
塔式发酵罐
装有隔板的
管道 (菌体 100
％ 重复使用 )
1．开放式连续发酵
? 在开放式连续发酵系统中, 培养系统中的微生
物细胞随着发酵液的流出而一起流出, 细胞流出
速度等于新细胞形成速度 。 因此在这种情况下,
可使细胞浓度处于某种稳定状态 。
? 另外, 最后流出的发酵液如部分返回 (反馈 )发酵
罐进行重复使用, 则该装置叫做循环系统, 发酵
液不重复使用的装置叫做不循环系统 。
? (1)单罐均匀混合连续发酵：培养液以一定的
流速不断地流加到带机械搅拌的发酵罐中, 与
罐内发酵液充分混合, 同时带有细胞和产物的
发酵液又以同样流速连续流出 。 如果用一个装
置将流出的发酵液中部分细胞返回发酵罐, 就
构成循环系统 。
? (2)多罐均匀混合连续发酵：将若干搅拌发酵
罐串联起来, 就构成多罐均匀混合连续发酵装
置 。 新鲜培养液不断流人第一只发酵罐, 发酵
液以同样流速依次流人下一只发酵罐, 在最后
一只罐中流出 。 多级连续发酵可以在每个罐中
控制不同的环境条件以满足微生物生长各阶段
的不同需要, 并能使培养液中的营养成分得到
较充分的利用, 最后流出的发酵液中细胞和产
物的浓度较高, 所以是最经济的连续方法 。
? (3)管道非均匀混合连续发酵：管道的形式有
多种, 如直线形, S形, 蛇形管等 。 培养液和
从种子罐来的种子不断流入管道发酵器内, 使
微生物在其中生长 。
? 这种连续发酵的方法主要用于厌氧发酵 。 如在
管道中用隔板加以分隔, 每一个分隔等于一台
发酵罐, 就相当于多罐串联的连续发酵 。
? (4)塔式非均匀混合连续发酵：
塔式发酵罐有两种：一种是用多孔板将其分隔成
若干室, 每个室等于一台发酵罐, 这样一台多孔
板塔式发酵罐就相当于一组多级串联的连续发酵
装置 。 另一种是在罐内装设填充物, 使菌体在上
面生长, 这种形式仍然属于单罐式 。
2．封闭式连续发酵
? 在封闭式连续发酵系统中, 运用某种方法使细
胞一直保持在培养器内, 并使其数量不断增加 。
这种条件下, 某些限制因素在培养器中发生变化,
最后大部分细胞死亡 。 因此在这种系统中, 不可
能维持稳定状态 。
? 封闭式连续发酵可以用开放式连续发酵设备加以
改装, 只要使全部菌体重新循环使用 。
? 另一种方法是采用间隔物或填充物置于设备内,
使菌体在上面生长, 发酵液流出时不带细胞或所
带细胞极少 。
? 透析膜连续发酵是一个新方法, 它是采用一种
具有微孔的有机膜将发酵设备分隔, 这种膜只
能通过发酵产物, 而不能通过菌体细胞 。
? 将培养液连续流加到发酵设备的具有菌体的间
隔中, 微生物的代谢产物就通过透析膜连续不
断地从另一间隔流出 。
? 在一些发酵过程中, 当发酵液中代谢产物积累
到一定程度时就会抑制它的继续积累, 而采用
透析膜发酵的方法可使代谢产物不断透析出去,
发酵液中留下不多, 因而可以提高产品得率 。
单级连续发酵的设计原则
? 对于正确设计一种连续发酵方案, 重要的是选
择适宜的稀释度 D,为此必须了解产率 Yx/s，
生长比速率 μ, 最大比生长速率 μ m,饱和常
数 Ks,产物形成速率以及营养消耗速率等 。
? 如何决定最合适的 D值, 具有很大经济意义,
它不仅和产量曲线 (DX)有关, 而且还应考虑原
料的类型, 价格, 产品的经济价值等方面 。
连续发酵的优点
? 1.有利于缩短发酵周期，提高劳动生产率。连
续发酵减少分批发酵中的清洗、投料、消毒等
辅助时间，大大缩短发酵周期和提高设备利用
率。同时连续培养过程始终使细胞生长处于最
高生长繁殖状态，因此可明显提高生产效率，
特别是对生产周期短的产品，效果更为显著。
? 2.连续发酵生产过程比较稳定、均衡，各项参
数也较恒定，便于自动化控制，品质量稳定。
? 3.由于连续发酵采用管道化和自动化生产，明
显降低劳动强度。
? 虽然取 Dm时的稀释度可以获得最大的产
量, 但因稀释度较高, 流出液中未被利
用的营养物也较多, 当原料价格较贵时,
为充分利用基质, 应适当降低 D值 。
? 如果产品有较大经济效益, 则可采用接
近 Dm时的稀释度 。
连续发酵存在的问题
? 特别是以中间代谢产物为发酵产品的发酵,
在理论和实践上都没有完全解决, 如发酵过程
中微生物生理生化特性变化, 发酵动力学等并
未充分了解 。
? 在生产上要保持在连续发酵的整个过程中, 生
产菌株不发生退化也十分不容易 。
? 长时间的连续发酵中对发酵设备和空气净化系
统的无菌要求更高 。 不能保持长时间的无菌操
作是导致连续发酵失败的主要原因 。
? 对于某些原材料价格昂贵的产品, 由于连续发
酵对基质利用率较低, 往往造成生产成本的增
加 。
连续发酵优点
? ① 高效，它简化了装料、灭菌、出料、清洗发
酵罐等许多单元操作，从而减少了非生产时间
和提高了设备的利用率；
? ②自控，便于利用各种仪表进行自动控制；
? ③产品质量较稳定；
? ④生长与代谢产物形成的两种类型节约了大量
动力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、电的负
荷均匀合理。
连续发酵缺点
? 菌种易于退化。
? 其次是易遭杂菌污染。所谓, 连续, 是有时间
限制的，一般可达数月至一、二年。
? 在连续培养中，营养物的利用率一般亦低于单
批培养。
连续发酵的应用
? 采用连续发酵的方法可以有效地提高产量,
但是也存在着某些较难克服的困难, 因此目前
仅在 — 些比较简单的发酵产品中应用, 如酵母,
单细胞蛋白, 酒精发酵, 丙酮乙醇, 石油脱蜡,
活性污泥废水处理等 。 其余产品的连续发酵尚
未工业化生产 。
