第六章 发酵动力学与发酵
过 程 控 制
?发酵动力学是研究生物反应过程的
速率及其影响因素，是生物反应工
程学的理论基础之一 。
?发酵过程动力学包括两个层次的动
力学
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。
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。
?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
V
XFX
dt
dX 0?? ?
细胞量的积累速率 = 细胞生长速率－细胞的消失速率
2、基质的利用
基质的消耗速率 = 补料中基质的添加速率－生长消耗的基
质速率－产物合成用去的基质速率－维持所消耗的基质速
率－基质的移去速率
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
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 是指产物的生成与细胞的生长相
关的过程 (上图 a)，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 反应产物的生成与细胞生长仅有间接关系
（上图 b）。在细胞生长期内，基本无产物生成。
? 动力学方程为：
或
?类型 Ⅲ 产物的生成与细胞的生长无
直接联系 (上图 c)。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。
或
与 μ 之间的关系图
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
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（ Aerobacter Cloacae）的生长
b、非生长型：如 黑曲霉（ Aspegillus niger）转化葡萄糖
成为葡萄糖酸
? 并行反应,如粘红酵母 （ Rhodotoruba glutirus）
? 相继反应,如假单孢菌（ Pseudomonoas Oualis）
? 分段反应, 。如大肠杆菌（ E.Coli）的二阶段式生长
3,分批发酵过程的生产率
? 体积生产率是以每升发酵液每小时产生
的产物克数（ g/Lh）表示的，是对发酵
过程总成果的一种衡量。
总生产率,
总生产率,
其中发酵过程总的运转周期为：
4,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的发酵产物产
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
?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
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
简化 后：
在连续培养系统达到稳定状态时, 上
式可变为：
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
在稳定状态下,则
以代入上式,得
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
产 率
达到最大的细胞产率的稀释率, 并不等于
达到最大的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 。
分批培养过程与连续培养过程产
率的比较
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）
分批培养中最
大比生长速率
（ h）
0.05 0.09 0.80 4.6
0.10 0.21 1.0 6.8
0.20 0.53 1.2 9.5
0.40 1.5
恒化器的实际运行情况与理论
状态的对比
?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
连续培养过程中的主要问题
? 杂菌污染问题
? 生产菌株突变问题
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
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，那么它就有可
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。
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 。
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。
? 连续培养技术可以建立起这种系统，因为
它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。
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-batch
fermentation）, 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 。
补料分批发酵 的特点
? 使发酵系统中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 。
四、固态发酵
?固态发酵是微生物在固态培养基
上生长和代谢的一种发酵方式。
过 程 控 制
?发酵动力学是研究生物反应过程的
速率及其影响因素，是生物反应工
程学的理论基础之一 。
?发酵过程动力学包括两个层次的动
力学
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。
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。
?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
V
XFX
dt
dX 0?? ?
细胞量的积累速率 = 细胞生长速率－细胞的消失速率
2、基质的利用
基质的消耗速率 = 补料中基质的添加速率－生长消耗的基
质速率－产物合成用去的基质速率－维持所消耗的基质速
率－基质的移去速率
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
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 是指产物的生成与细胞的生长相
关的过程 (上图 a)，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 反应产物的生成与细胞生长仅有间接关系
（上图 b）。在细胞生长期内，基本无产物生成。
? 动力学方程为：
或
?类型 Ⅲ 产物的生成与细胞的生长无
直接联系 (上图 c)。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。
或
与 μ 之间的关系图
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
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（ Aerobacter Cloacae）的生长
b、非生长型：如 黑曲霉（ Aspegillus niger）转化葡萄糖
成为葡萄糖酸
? 并行反应,如粘红酵母 （ Rhodotoruba glutirus）
? 相继反应,如假单孢菌（ Pseudomonoas Oualis）
? 分段反应, 。如大肠杆菌（ E.Coli）的二阶段式生长
3,分批发酵过程的生产率
? 体积生产率是以每升发酵液每小时产生
的产物克数（ g/Lh）表示的，是对发酵
过程总成果的一种衡量。
总生产率,
总生产率,
其中发酵过程总的运转周期为：
4,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的发酵产物产
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
?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
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
简化 后：
在连续培养系统达到稳定状态时, 上
式可变为：
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
在稳定状态下,则
以代入上式,得
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
产 率
达到最大的细胞产率的稀释率, 并不等于
达到最大的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 。
分批培养过程与连续培养过程产
率的比较
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）
分批培养中最
大比生长速率
（ h）
0.05 0.09 0.80 4.6
0.10 0.21 1.0 6.8
0.20 0.53 1.2 9.5
0.40 1.5
恒化器的实际运行情况与理论
状态的对比
?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
连续培养过程中的主要问题
? 杂菌污染问题
? 生产菌株突变问题
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
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，那么它就有可
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。
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 。
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。
? 连续培养技术可以建立起这种系统，因为
它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。
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-batch
fermentation）, 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 。
补料分批发酵 的特点
? 使发酵系统中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 。
四、固态发酵
?固态发酵是微生物在固态培养基
上生长和代谢的一种发酵方式。
