發(fā)酵過程及控制課件

1、 發(fā)酵過程及控制 第五章 發(fā)酵過程及控制第一節(jié) 發(fā)酵方式 第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 第三節(jié) 發(fā)酵過程主要影響因素及控制 第四節(jié) 發(fā)酵過程檢測(cè)和自控 第五節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的判斷 第一節(jié) 發(fā)酵方式 一、概述 發(fā)酵原本是指在厭氧條件下葡萄糖通過酵解途徑生成乳酸或乙醇等的分解代謝過程?，F(xiàn)在從廣義上將發(fā)酵看作是微生物把一些原料養(yǎng)分在合適的發(fā)酵條件下經(jīng)過特定的代謝轉(zhuǎn)變成所需產(chǎn)物的過程。微生物具有合成某種產(chǎn)物的潛力，但要想在生物反應(yīng)器中順利實(shí)現(xiàn)以最大限度地合成所需產(chǎn)物卻并不容易。發(fā)酵是一種很復(fù)雜的生化過程，其好壞涉及諸多因素。最基本的是取決于生產(chǎn)菌種的性能，但有了優(yōu)良的菌種之后，還需要有最佳的環(huán)境條件即發(fā)酵工藝加以配

2、合，才能使其生產(chǎn)能力充分表現(xiàn)出來(lái)。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 二、分批發(fā)酵 1.分批發(fā)酵的理論基礎(chǔ) 分批發(fā)酵是指在一個(gè)密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進(jìn)行培養(yǎng)，使微生物生長(zhǎng)繁殖，在特定的條件下只完成一個(gè)生長(zhǎng)周期的微生物培養(yǎng)方法。該方法在發(fā)酵開始時(shí)，將微生物菌種接入已經(jīng)滅菌的培養(yǎng)基中，在微生物最適宜的培養(yǎng)條件下進(jìn)行培養(yǎng)，在整個(gè)培養(yǎng)過程中，除氧氣的供給、發(fā)酵尾氣的排出、消泡劑的添加和控制pH需加入的酸或堿外，整個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)與外界沒有其他物質(zhì)的交換。分批培養(yǎng)將細(xì)胞和培養(yǎng)液一次性裝入反應(yīng)器內(nèi)，進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì)胞不斷生長(zhǎng)，產(chǎn)物也不斷形成，經(jīng)過一段時(shí)間反應(yīng)后，將整個(gè)反應(yīng)系取出。分批培養(yǎng)的特點(diǎn)是操

3、作簡(jiǎn)單，易于掌握，因而是最常見的操作方式。9.1多Agent系統(tǒng)簡(jiǎn)述第九章 多Agent系統(tǒng)of315弱定義：Agent一般用以說(shuō)明一個(gè)軟硬件系統(tǒng)。它具有自治性，社會(huì)性，反映性，能動(dòng)性等特性。9.1.1概念1.Agent強(qiáng)定義：Agent不僅具有以上的特性，而且具有知識(shí)、信念、義務(wù)、意圖等人類才具有的特性。強(qiáng)定義更加強(qiáng)調(diào)人格化概念的Agent的心智要素。一般而言，可以認(rèn)為Agent是一個(gè)能夠感知外界環(huán)境并具有自主行為能力的以實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)目標(biāo)的自治系統(tǒng)。它運(yùn)行于復(fù)雜和不斷變化的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，能有效地利用環(huán)境中各種可以利用的數(shù)據(jù)、知識(shí)、信息和計(jì)算資源，準(zhǔn)確理解用戶的真實(shí)意圖，為用戶提供迅捷、準(zhǔn)確和滿意

4、的服務(wù)。9.1多Agent系統(tǒng)簡(jiǎn)述第九章 多Agent系統(tǒng)of316關(guān)于MAS，百度百科給出的定義是由多個(gè)Agent組成的集合，其多個(gè)Agent成員之間相互協(xié)調(diào)，相互服務(wù)，共同完成一個(gè)任務(wù)。它的目標(biāo)是將大而復(fù)雜的系統(tǒng)建設(shè)成小的、彼此互相通信和協(xié)調(diào)的，易于管理的系統(tǒng)。2.多Agent系統(tǒng)（MAS）MAS作為解決復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)有效方法，能夠利用并行分布式處理技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)思想，把復(fù)雜系統(tǒng)劃分成相對(duì)獨(dú)立的Agent子系統(tǒng)，通過Agent之間的共同協(xié)作來(lái)完成對(duì)復(fù)雜問題的求解。在一個(gè)MAS中，各Agent成員之間是獨(dú)立自主的，其自身的目標(biāo)和行為不受其它Agent成員的限制，可以采用不同的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算

5、機(jī)語(yǔ)言開發(fā)而成，沒有全局?jǐn)?shù)據(jù)，也沒有全局控制，是一種開放的系統(tǒng)，Agent加入和離開都是自由的。9.1多Agent系統(tǒng)簡(jiǎn)述第九章 多Agent系統(tǒng)of317MAS的體系結(jié)構(gòu)是指MAS中Agent間的信息關(guān)系和控制關(guān)系，以及問題求解能力的分布模式，通過定義Agent之間的權(quán)威關(guān)系，為Agent提供了一種交互框架。9.1.2 MAS的結(jié)構(gòu)MAS的體系結(jié)構(gòu)可以有三種形式：集中式、分布式和混合式。（1）集中式結(jié)構(gòu)（2）分布式結(jié)構(gòu)（3）混合式結(jié)構(gòu)9.1多Agent系統(tǒng)簡(jiǎn)述第九章 多Agent系統(tǒng)of318MAS用于解決實(shí)際問題，其特性因?yàn)閼?yīng)用的不同領(lǐng)域而有所不同，主要有以下一些特點(diǎn)：9.1.3特點(diǎn)及分類

6、1.特點(diǎn)（1）由于Agent可以是不同的個(gè)人或組織采用不同的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言開發(fā)而成，因而可能是完全異質(zhì)和分布的；（2）在MAS中，每個(gè)Agent是自治的，各自按照自己的方式異步地運(yùn)行自己的進(jìn)程，解決給定的子問題，自主地推理和規(guī)劃并選擇適當(dāng)?shù)牟呗?，并以特定的方式影響環(huán)境；（3）MAS支持分布式應(yīng)用，具有良好的模塊性、易于擴(kuò)展、設(shè)計(jì)靈活簡(jiǎn)單。在其實(shí)現(xiàn)過程中，不追求單個(gè)龐大復(fù)雜的體系，而是按面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)造多層次，多元化的Agent以降低各個(gè)Agent問題求解的復(fù)雜性從而降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性；（4）MAS是一個(gè)集成系統(tǒng)，各Agen之間互相通信彼此協(xié)調(diào)，并行地求解問題，能有效地提高問題求解的能

7、力；（5）多Agent技術(shù)打破了人工智能領(lǐng)域僅僅使用一個(gè)專家系統(tǒng)的限制，在MAS環(huán)境，各領(lǐng)域的不同專家可能協(xié)作求解某一個(gè)專家無(wú)法解決或無(wú)法很好解決的問題，提高系統(tǒng)解決問題的能力。 9.1多Agent系統(tǒng)簡(jiǎn)述第九章 多Agent系統(tǒng)of3199.1.3特點(diǎn)及分類2.分類（1）根據(jù)Agent的自主性分類1）由控制Agent和被控Agent構(gòu)成的系統(tǒng)：Agent之間存在較強(qiáng)的控制關(guān)系，每個(gè)Agent或?qū)ζ渌鸄gent具有控制作用，或受控于對(duì)它具有權(quán)威的Agent。在這類系統(tǒng)中，被控Agent的行為受到約束，自主程度較低。2）自主Agent構(gòu)成的系統(tǒng)：Agent自主地決策，產(chǎn)生計(jì)劃，采取行動(dòng)。Agen

8、t之間具有松散的社會(huì)性聯(lián)系。Agent通過與外界的交互，了解外部世界的變化，并從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)增強(qiáng)其求解問題的能力以及與相識(shí)者建立良好的協(xié)作關(guān)系。在這類系統(tǒng)中，自主Agent之間的協(xié)作關(guān)系是互惠互利的關(guān)系，當(dāng)目標(biāo)發(fā)生沖突時(shí)，通過協(xié)商來(lái)解決。3）靈活A(yù)gent（即半自主的Agent）構(gòu)成的系統(tǒng)：Agent進(jìn)行決策時(shí)，某些問題在一定程度上需要受控于其他Agent，大部分情況下要求Agent完全自主地工作。在這類系統(tǒng)中，Agent之間通常是松散耦合，具有一定的組織結(jié)構(gòu)，通過承諾和組織約束相互聯(lián)系。9.1多Agent系統(tǒng)簡(jiǎn)述第九章 多Agent系統(tǒng)of31109.1.3特點(diǎn)及分類2.分類（2）根據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)性

9、的適應(yīng)方法分類 1）系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變，即Agent數(shù)目、Agent之間的社會(huì)關(guān)系等都不變。Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定，基本技能不變，通過重構(gòu)求解問題的方式來(lái)適應(yīng)環(huán)境；Agent通過自重組來(lái)適應(yīng)環(huán)境，例如修改調(diào)整自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)、目標(biāo)、選擇等。 2）系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變Agent數(shù)目不變，每個(gè)Agent的微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以修改Agent間的關(guān)系和組織形式；可增減Agent數(shù)目，可以動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和刪除Agent。9.1多Agent系統(tǒng)簡(jiǎn)述第九章 多Agent系統(tǒng)of31119.1.3特點(diǎn)及分類2.分類（3）根據(jù)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)分類 1）同構(gòu)型系統(tǒng)，即每個(gè)Agent功能結(jié)構(gòu)相同； 2）異構(gòu)型系統(tǒng)，Agent的結(jié)構(gòu)、功能

10、、目標(biāo)都可以不同，由通信協(xié)議保證Agent間協(xié)調(diào)與合作的實(shí)現(xiàn)。（4）根據(jù)Agent關(guān)于世界知識(shí)的存儲(chǔ)分類 1）反應(yīng)式多Agent系統(tǒng)； 2）黑板模式的多Agent系統(tǒng)； 3）分布存儲(chǔ)的多Agent系統(tǒng)。（5）根據(jù)控制結(jié)構(gòu)分類 1）集中控制：由一個(gè)中心Agent負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制、協(xié)調(diào)工作； 2）層次控制：每個(gè)Agent控制處于其下層的Agent的行為，同時(shí)又受控于其上層的其他Agent； 3）網(wǎng)絡(luò)控制：由信息傳遞構(gòu)成的控制結(jié)構(gòu)，且該控制結(jié)構(gòu)是可以動(dòng)態(tài)改變的，可以實(shí)現(xiàn)靈活控制。第一節(jié) 發(fā)酵方式 分批培養(yǎng)過程中隨著培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不斷減少，微生物生長(zhǎng)的環(huán)境條件也隨之不斷變化，不能使細(xì)胞自始至終處

11、于最優(yōu)條件下。因此，微生物分批培養(yǎng)是一種非穩(wěn)態(tài)的培養(yǎng)方法。但是在培養(yǎng)基接種后只要維持一定溫度，對(duì)于好氣培養(yǎng)過程則還需進(jìn)行通氣攪拌，在培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)液中的細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度不斷變化，但有一定規(guī)律。分批發(fā)酵是一種準(zhǔn)封閉式系統(tǒng)，種子接種到培養(yǎng)基后除了氣體流通外發(fā)酵液始終留在生物反應(yīng)器內(nèi)。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 在此簡(jiǎn)單系統(tǒng)內(nèi)所有液體的流量等于零，故由物料平衡，得式(5-1) 式（5-3）的微分方程 dX/dtX （5-1） dS/dt=-qsX （5-2） dP/dtqPX （5-3）式中 X菌體濃度，g /L; t培養(yǎng)時(shí)間，h; 比生長(zhǎng)速率，h-1； S基質(zhì)濃度，g/L; qs比基質(zhì)消耗速

12、率，g（gh）； P產(chǎn)物濃度，g/L; qP比產(chǎn)物形成速率，g（gh）。第一節(jié) 發(fā)酵方式 以上由細(xì)胞生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物生長(zhǎng)的微分方程構(gòu)成的微分方程組，反映了分批發(fā)酵中細(xì)胞、基質(zhì)和產(chǎn)物濃度的變化情況。對(duì)各種不同的微生物分批發(fā)酵過程，通過實(shí)驗(yàn)研究這三個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律，建立適當(dāng)?shù)奈⒎址匠探M，就可以對(duì)分批發(fā)酵進(jìn)行模擬，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化控制，最終達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。 分批發(fā)酵過程一般可粗分為四期：即適應(yīng)期（也有稱停滯期或延滯期的）、對(duì)數(shù)（指數(shù)）生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)穩(wěn)定期和死亡期；也可細(xì)分為六期：即停滯期、加速期、對(duì)數(shù)期、減速期、靜止期和死亡（衰亡）期，如圖5-1所示。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 圖5-1 分批培養(yǎng)中的

13、微生物的典型生長(zhǎng)曲線 第一節(jié) 發(fā)酵方式 （1）在停滯期（） 即剛接種后的一段時(shí)間內(nèi)，細(xì)胞不生長(zhǎng)，細(xì)胞數(shù)目和菌量基本不變，這是由于菌對(duì)新的生長(zhǎng)環(huán)境有一適應(yīng)過程，其長(zhǎng)短主要取決于種子的活性、接種量和培養(yǎng)基的可利用性以及濃度。菌齡短的菌種停滯期也短，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期接種停滯期最短，種子老化會(huì)使停滯期延長(zhǎng)。帶培養(yǎng)液接種比種子經(jīng)分離培養(yǎng)液后接種的延滯期要短，但帶培養(yǎng)液的種子易老化，不易保藏。對(duì)于經(jīng)分離后的濃縮種子，若在接種時(shí)添加適量的培養(yǎng)濾液，則可縮短延滯期。此外，對(duì)有些微生物培養(yǎng)在接種時(shí)添加某種激活劑可大大縮短延滯期。菌齡相同的菌種，則接種量越大，停滯期越短，而培養(yǎng)基的濃度對(duì)停滯期的長(zhǎng)短影響不大。 第一節(jié)

14、 發(fā)酵方式 停滯期的長(zhǎng)短，差別很大，短的幾乎覺察不到，瞬間即可完成，而長(zhǎng)的要在接種后23天才開始生長(zhǎng)。種子一般應(yīng)采用對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期且達(dá)到一定濃度的培養(yǎng)物，該種子能耐受含高滲化合物和低CO2分壓的培養(yǎng)基。工業(yè)生產(chǎn)中從發(fā)酵產(chǎn)率和發(fā)酵指數(shù)以及避免染菌考慮，希望盡量縮短適應(yīng)期。 （2）加速期（） 加速期（）通常很短，大多數(shù)細(xì)胞在此期的比生長(zhǎng)速率在短時(shí)間內(nèi)從最小升到最大值。如這時(shí)菌已完全適應(yīng)其環(huán)境，養(yǎng)分過量又無(wú)抑制劑便進(jìn)入恒定的對(duì)數(shù)或指數(shù)生長(zhǎng)期()。第一節(jié) 發(fā)酵方式 （3）指數(shù)生長(zhǎng)期() 在這一階段，由于培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，有毒代謝物少，細(xì)胞生長(zhǎng)不受限制，所以細(xì)胞濃度隨培養(yǎng)時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)，可用方程(5-1)

15、表示，將其積分，再取自然對(duì)數(shù)得式 lnXt1nXot (5-4)式中 X。菌的初始濃度； Xt經(jīng)過培養(yǎng)時(shí)間t的菌體濃度。 將菌體濃度的自然對(duì)數(shù)與時(shí)間（lnXt t） 作圖可得一直線，其斜率為，即比生長(zhǎng)速率。比生長(zhǎng)速率與微生物種類、培養(yǎng)溫度、pH、培養(yǎng)基成份及限制基質(zhì)濃度等因素有關(guān)。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，細(xì)胞的生長(zhǎng)不受限制，因此，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的比生長(zhǎng)速率達(dá)最大，可用max表示。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 一些微生物如產(chǎn)黃青霉、構(gòu)巢曲霉、甲烷加單孢霉、貝內(nèi)克氏菌的典型max值分別為（0.12、0.36、0.53、4.24）h-1。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的長(zhǎng)短主要取決于培養(yǎng)基，包括溶氧的可利用性和有害代謝產(chǎn)物的積累。 （4）減

16、速期（） 在指數(shù)生長(zhǎng)期，隨著細(xì)胞的大量繁殖，培養(yǎng)基中養(yǎng)分的迅速減少，有害代謝物的逐漸積累，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率逐漸下降，即進(jìn)入減速期（）。細(xì)胞的生長(zhǎng)不可能再無(wú)限制地繼續(xù)，這時(shí)比生長(zhǎng)速率成為養(yǎng)分、代謝產(chǎn)物和時(shí)間的函數(shù)，常用Monod方程表示。當(dāng)限制性基質(zhì)濃度很低時(shí)，增加該基質(zhì)濃度能顯著提高細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率，否則就不明顯。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 （5）靜止期（V） 靜止期（V），因營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)耗盡，有害物質(zhì)大量積累，細(xì)胞的濃度達(dá)到最大值，不再增加。實(shí)際上是一種生長(zhǎng)和死亡的動(dòng)態(tài)平衡，凈生長(zhǎng)速率等于零，即，式中為比死亡速率。由于此期菌體的次級(jí)代謝十分活躍，許多次級(jí)代謝物在此期大量合成，菌的形態(tài)也發(fā)生較大的變化，如

17、菌已分化、染色變淺、形成空胞等。當(dāng)養(yǎng)分耗竭，對(duì)生長(zhǎng)有害代謝物在發(fā)酵液中大量積累便進(jìn)入死亡期（VI）。 （6）死亡期（VI） 在死亡期（VI），細(xì)胞開始死亡，活細(xì)胞的濃度不斷下降，這時(shí)，生長(zhǎng)呈負(fù)增長(zhǎng)。工業(yè)發(fā)酵一般不會(huì)等到菌體開始自溶時(shí)才結(jié)束培養(yǎng)。發(fā)酵周期的長(zhǎng)短不僅取決于前面五期的長(zhǎng)短還取決于菌的初始濃度X0。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 2. 重要的生長(zhǎng)參數(shù) 分批培養(yǎng)中基質(zhì)初始濃度對(duì)菌的生長(zhǎng)的影響如圖5-2所示:圖5-2 分批培養(yǎng)中基質(zhì)初始濃度對(duì)菌生長(zhǎng)的影響第一節(jié) 發(fā)酵方式 （1）得率系數(shù)Y 在濃度較低的（A-B）范圍內(nèi)，靜止期的細(xì)胞濃度與初始基質(zhì)濃度成正比，可用式(5-5)表示 XY（So一St） (5

18、-5)式中 so初始基質(zhì)濃度，g/L; st經(jīng)培養(yǎng)時(shí)間t時(shí)基質(zhì)濃度； Y得率系數(shù)，g細(xì)胞/g基質(zhì)在A-B的區(qū)域，當(dāng)生長(zhǎng)停止時(shí)，st等于零。方程(5-5)可用于預(yù)測(cè)用多少初始基質(zhì)便能得到相應(yīng)的菌量。 （2）比生長(zhǎng)速率 在C-D的區(qū)域，菌量不隨初始基質(zhì)濃度的增加而增加。這時(shí)菌體的進(jìn)一步生長(zhǎng)受到積累的有害代謝物的限制。用Monod方程可描述比生長(zhǎng)速率和殘留的限制性基質(zhì)濃度之間的關(guān)系 max s（KsS） (5-6)第一節(jié) 發(fā)酵方式式中 比生長(zhǎng)速率，h-1； max最大比生長(zhǎng)速率，h-1； S基質(zhì)濃度，g/L; Ks基質(zhì)利用常數(shù)，相當(dāng)于max /2時(shí)的基質(zhì)濃度，g/L，是菌對(duì)基質(zhì)的親和力的一種度量。

19、分批培養(yǎng)中后期基質(zhì)濃度下降，代謝有害物積累，已成為生長(zhǎng)限制因素，產(chǎn)值下降。其快慢取決于菌體對(duì)限制性基質(zhì)的親和力大小，Ks小，對(duì)的影響較小，當(dāng)St接近0時(shí)，急速下降；Ks大，隨St的減小而緩慢下跌，當(dāng)st接近0時(shí)，才迅速下降到零，見圖5-3。第一節(jié) 發(fā)酵方式 圖5-3 分批發(fā)酵過程中的若干重要參數(shù)的變化 第一節(jié) 發(fā)酵方式 3.分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn) 分批發(fā)酵在工業(yè)生產(chǎn)上占有重要地位。分批培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)是：周期短，培養(yǎng)基一次滅菌，一次投料，容易實(shí)現(xiàn)無(wú)菌狀態(tài)；操作簡(jiǎn)單，易于操作控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；培養(yǎng)濃度較高，易于產(chǎn)品分離。但是分批培養(yǎng)的輔助時(shí)間較多，設(shè)備生產(chǎn)能力低。在目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)發(fā)酵生產(chǎn)中，都是采用分

20、批培養(yǎng)的方法。第一節(jié) 發(fā)酵方式 若細(xì)胞本身為產(chǎn)物，可采用能支持最高生長(zhǎng)量的培養(yǎng)條件；以初級(jí)代謝物為產(chǎn)物的，可設(shè)法延長(zhǎng)與產(chǎn)物關(guān)聯(lián)的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期；對(duì)次級(jí)代謝物的生產(chǎn)，可縮短對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，延長(zhǎng)生產(chǎn)（靜止）期，或降低對(duì)數(shù)期的生長(zhǎng)速率，從而使次級(jí)代謝物更早形成。但分批發(fā)酵不適用于測(cè)定其過程動(dòng)力學(xué)，因使用復(fù)合培養(yǎng)基，不能簡(jiǎn)單地運(yùn)用Monod方程來(lái)描述生長(zhǎng)，存在基質(zhì)抑制問題，出現(xiàn)二次生長(zhǎng)現(xiàn)象。對(duì)基質(zhì)濃度敏感的產(chǎn)物，或次級(jí)代謝物，如對(duì)基質(zhì)濃度敏感的產(chǎn)物，或次級(jí)代謝物，比如抗生素，用分批發(fā)酵不合適，因其周期較短，一般在12天，產(chǎn)率較低。這主要是由于養(yǎng)分的耗竭，無(wú)法維持下去。據(jù)此，發(fā)展了補(bǔ)料-分批發(fā)酵。第一節(jié) 發(fā)酵方

21、式 三、補(bǔ)料（流加）分批發(fā)酵 1.補(bǔ)料-分批發(fā)酵理論基礎(chǔ) 補(bǔ)料-分批發(fā)酵是指先將一定量的培養(yǎng)液裝入反應(yīng)器，在適宜的條件下接種細(xì)胞，進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì)胞不斷生長(zhǎng)，產(chǎn)物也不斷形成。隨著細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不斷消耗，向反應(yīng)器中不斷補(bǔ)充新的營(yíng)養(yǎng)成分，使細(xì)胞進(jìn)一步生長(zhǎng)代謝，克服由于養(yǎng)分不足，導(dǎo)致發(fā)酵過早結(jié)束，到反應(yīng)終止時(shí)取出整個(gè)反應(yīng)系。流加培養(yǎng)是介于分批培養(yǎng)過程與連續(xù)培養(yǎng)過程之間的一種過渡培養(yǎng)方法。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 一般出現(xiàn)在下列兩種情況中：一種情況是培養(yǎng)過程中的主要底物是氣體；另一種情況是存在底物抑制。若底物是氣體，如甲烷發(fā)酵，則不可能將底物一次加入，只能在培養(yǎng)過程中，連續(xù)不斷地通入。對(duì)于存在底物抑制的培養(yǎng)系

22、統(tǒng)，采用連續(xù)流加培養(yǎng)基的方法，可使發(fā)酵液中一直保持較低的底物濃度，從而解除底物抑制。目前國(guó)內(nèi)外的酵母生產(chǎn)行業(yè)大多采用這種操作方法。第一節(jié) 發(fā)酵方式 目前補(bǔ)料-分批培養(yǎng)已在發(fā)酵工業(yè)上普遍用于氨基酸、抗生素、維生素、酶制劑、單細(xì)胞蛋白、有機(jī)酸以及有機(jī)溶劑等的生產(chǎn)過程。目前補(bǔ)料-分批發(fā)酵的類型很多，就補(bǔ)料的方式而言，有連續(xù)補(bǔ)料、不連續(xù)補(bǔ)料和多周期補(bǔ)料；每次補(bǔ)料又可分為快速補(bǔ)料、恒速補(bǔ)料、指數(shù)速度補(bǔ)料和變速補(bǔ)料；按反應(yīng)器中發(fā)酵液體積區(qū)分，又有變體積和恒體積之分；從反應(yīng)器數(shù)目分類又有單級(jí)和多級(jí)之分；從補(bǔ)加的培養(yǎng)基成分來(lái)分，又可分為單一組分補(bǔ)料和多組分補(bǔ)料。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 流加培養(yǎng)的特點(diǎn)就是能夠調(diào)節(jié)培

23、養(yǎng)環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度。一方面，它可以避免某些營(yíng)養(yǎng)成分的初始濃度過高而出現(xiàn)底物抑制現(xiàn)象；另一方面，能防止某些限制性營(yíng)養(yǎng)成分在培養(yǎng)過程中被耗盡而影響細(xì)胞的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成，這是流加培養(yǎng)與分批培養(yǎng)的明顯不同。由于新鮮培養(yǎng)液的加入，整個(gè)過程中反應(yīng)體積是變化的，這是它的一個(gè)重要特征。 根據(jù)不同情況，存在不同的流加方式。從控制角度可分為無(wú)反饋抑制流加和有反饋抑制流加兩種。無(wú)反饋抑制流加包括定量流加和間斷流加等。有反饋抑制流加，一般是連續(xù)或間斷地測(cè)定系統(tǒng)中限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度，并以此為控制指標(biāo)，來(lái)調(diào)節(jié)流加速率或流加液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度等。第一節(jié) 發(fā)酵方式 若只有料液的輸入，沒有輸出，發(fā)酵液的體積在增加。若分

24、批培養(yǎng)中的細(xì)胞生長(zhǎng)受一種基質(zhì)濃度的限制，則在任一時(shí)間的菌濃可用下式表示：XtX0Y（S0-St） (5-7)式中 X0，菌的初始濃度，g/L; Xtt時(shí)菌的濃度，g/L; S0初始基質(zhì)濃度，g/L; Stt時(shí)基質(zhì)濃度，g/L; 若st0，則其最終菌濃為Xmax，只要X0Xmax Xmax YS0 (5-8) 第一節(jié) 發(fā)酵方式 如果當(dāng)XtXmax時(shí)開始補(bǔ)料，其稀釋速率Dmax，實(shí)際上當(dāng)基質(zhì)一進(jìn)入培養(yǎng)液中很快便被耗竭，故可得輸入的基質(zhì)等于細(xì)胞消耗的基質(zhì)。雖培養(yǎng)液中的總菌量XT隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，但細(xì)胞濃度Xt并未提高，因此D。這種情況稱為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，D將隨體積的增加而減少，D可用下式表達(dá)

25、 DF/（V0Ft） （5-9）式中 V0發(fā)酵液原來(lái)的體積L； D稀釋速率L-1； t補(bǔ)料時(shí)間h； F補(bǔ)料流速L/h； Vt時(shí)發(fā)酵液體積L， V= V0Ft.第一節(jié) 發(fā)酵方式 因此，按Monod方程，殘留的基質(zhì)應(yīng)隨D的減小而減小，導(dǎo)致細(xì)胞濃度的增加。但在的分批-補(bǔ)料操作中S0Ks因此，在所有實(shí)際操作中殘留基質(zhì)濃度的變化非常小，可當(dāng)作是零。故只要D max; Ks S0便可達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，恒化器的穩(wěn)態(tài)和補(bǔ)料-分批發(fā)酵的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的主要區(qū)別在于恒化器的是不變的，而補(bǔ)料-分批發(fā)酵的是降低的。補(bǔ)料-分批發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)在于它能在這樣一種系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度，從而避免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)和能夠按設(shè)備的通氣能力去

26、維持適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵條件，并且能減緩代謝有害物的不利影響。第一節(jié) 發(fā)酵方式 2分批-補(bǔ)料的優(yōu)化 為了獲得最大的產(chǎn)率，需采取優(yōu)化補(bǔ)料的策略。可以從實(shí)際分批-補(bǔ)料培養(yǎng)中改變補(bǔ)料的速率，如邊界控制實(shí)現(xiàn)。在分批培養(yǎng)的前期應(yīng)維持在其最大值，max；下一階段應(yīng)保持在臨界c上。這種控制策略可理解為細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的兩階段生產(chǎn)步驟。Shioya（1992）將生物反應(yīng)器的優(yōu)化分為三個(gè)步驟，如圖5-4所示，即過程的建模、最佳解法的計(jì)算和解法實(shí)現(xiàn)。為此，需考慮模型與真實(shí)過程之間的差異和優(yōu)化計(jì)算的難易。在建模階段出現(xiàn)的問題之一是怎樣定量描述包括在質(zhì)量平衡方程中的反應(yīng)速率。第一節(jié) 發(fā)酵方式 圖5-4 生物反應(yīng)器優(yōu)化的三個(gè)步

27、驟 第一節(jié) 發(fā)酵方式 Shioya等對(duì)分批培養(yǎng)進(jìn)行優(yōu)化和控制的方法如圖5-5所示，用一模型鑒別和描述比生長(zhǎng)速率與比生產(chǎn)速率之間的關(guān)系，藉最大原理獲得比生長(zhǎng)速率的最佳策略和這一策略的實(shí)現(xiàn)。 圖5-5 分批培養(yǎng)中實(shí)現(xiàn)最佳生產(chǎn)的方法 第一節(jié) 發(fā)酵方式 在建模階段擬解決的問題之一是定量描述物料平衡中的以基質(zhì)、產(chǎn)物等濃度表示的各反應(yīng)速率。分批培養(yǎng)中的最大的目標(biāo)是在一定的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間tf下使產(chǎn)量最大化。比生產(chǎn)速率，在此被看做是決定性變量，其變化取決于基質(zhì)補(bǔ)料速率的變化，是過程的重要參數(shù)之一，表征生物反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)特性。為了獲得最大的細(xì)胞產(chǎn)量，應(yīng)在培養(yǎng)期間使產(chǎn)值最大。為此，應(yīng)使培養(yǎng)基中的糖濃度保持在一最適范圍。如

28、沒有現(xiàn)成的在線葡萄糖監(jiān)控儀，可控制發(fā)酵過程中CO2呼吸商RQ值和乙醇濃度。但應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，RQ和乙醇濃度的控制只能用于使比生長(zhǎng)速率最大化。為了維持分批培養(yǎng)中產(chǎn)值不變，常用一指數(shù)遞增的補(bǔ)料策略。這可使生長(zhǎng)速率維持恒定，直到得率系數(shù)Y減小。故可用補(bǔ)料辦法控制比生長(zhǎng)速率。但如果計(jì)算補(bǔ)料速率所需的初始條件和參數(shù)不對(duì)，則比生長(zhǎng)速率便根本不等于所需數(shù)值。第一節(jié) 發(fā)酵方式 酵母的生產(chǎn)與代謝不僅取決于是否有足夠的氧，而且與糖的含量有關(guān)。當(dāng)糖含量很低時(shí)(0.028%)，在有氧條件下，酵母不產(chǎn)生乙醇，其生長(zhǎng)得率可達(dá)50%；當(dāng)糖含量較高時(shí)，酵母菌在生長(zhǎng)的同時(shí)，產(chǎn)生部分乙醇，酵母得率低于50%；而當(dāng)培養(yǎng)液中的糖含量達(dá)5

29、%時(shí)，即使在有足夠氧的條件下，酵母菌的生長(zhǎng)也會(huì)受到抑制，且產(chǎn)生大量乙醇，酵母得率很低。因此，為了獲取較高的生長(zhǎng)速率和較高的酵母得率，必須使培養(yǎng)液中糖的含量保持在較低的水平。顯然，采用一次投料的方法是不行的，這樣在發(fā)酵的初始階段將會(huì)產(chǎn)生大量酒精，影響酵母的生長(zhǎng)和收率。采用流加的方法可獲得滿意的結(jié)果，在整個(gè)發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液中的糖含量都保持在較低的水平（一般為0.1%0.5%），酵母利用多少就流加多少，流加速率等于酵母的耗糖速率。這樣酵母處在較低糖含量的培養(yǎng)條件下，以較快的速度生長(zhǎng)，其酵母的收得率也能取得令人滿意的結(jié)果，所以酵母培養(yǎng)采用流加培養(yǎng)。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 釀酒酵母的培養(yǎng)溫度會(huì)影響其比生長(zhǎng)

30、速率和酸性磷酸酯酶的比生產(chǎn)速率。當(dāng)溫度低一些，27有利于值；溫度高一些，32.5有利于酸性磷酸酯酶的比生產(chǎn)速率的提高。最終產(chǎn)物濃度與改變溫度的時(shí)間（max到c）6h是最適合的。 四、半連續(xù)發(fā)酵 半連續(xù)培養(yǎng)又稱為反復(fù)分批培養(yǎng)或換液培養(yǎng)，在補(bǔ)料-分批發(fā)酵的基礎(chǔ)上加上間歇放掉部分發(fā)酵液（行業(yè)中稱為帶放）便可稱為半連續(xù)發(fā)酵。帶放是指放掉的發(fā)酵液和其他正常放罐的發(fā)酵液一起送去提煉工段。這是反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液的總體積保持不變的操作方式。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 這種操作方式可以反復(fù)收獲培養(yǎng)液，對(duì)于培養(yǎng)基因工程動(dòng)物細(xì)胞分泌有用產(chǎn)物或病毒增殖過程比較適用。例如，采用微載體系統(tǒng)培養(yǎng)基因工程iCHO細(xì)胞，待細(xì)胞長(zhǎng)滿微載體后

31、，可反復(fù)收獲細(xì)胞分泌的乙肝表面抗原（HBsAg）制備乙肝疫苗。 考慮到補(bǔ)料-分批發(fā)酵雖可通過補(bǔ)料補(bǔ)充養(yǎng)分或前體的不足，但由于有害代謝物的不斷積累，產(chǎn)物合成最終難免受到阻遏。放掉部分發(fā)酵液，再補(bǔ)入適當(dāng)料液不僅補(bǔ)充養(yǎng)分和前體而且代謝有害物被稀釋，從而有利于產(chǎn)物的繼續(xù)合成。但半連續(xù)發(fā)酵也有它的不足：放掉發(fā)酵液的同時(shí)也丟失了未利用的養(yǎng)分和處于生產(chǎn)旺盛期的菌體；定期補(bǔ)充和帶放使發(fā)酵液稀釋，送去提煉的發(fā)酵液體積更大；發(fā)酵液被稀釋后可能產(chǎn)生更多的代謝有害物，最終限制發(fā)酵產(chǎn)物的合成；一些經(jīng)代謝產(chǎn)生的前體可能丟失；有利于非產(chǎn)生菌突變株的生長(zhǎng)。據(jù)此，在采用此工藝時(shí)必須考慮上述的技術(shù)上限制，不同的品種應(yīng)根據(jù)具體情況

32、具體分析。第一節(jié) 發(fā)酵方式 五、連續(xù)發(fā)酵 連續(xù)培養(yǎng)或連續(xù)發(fā)酵是發(fā)酵過程中一邊補(bǔ)入新鮮的料液，一邊以相近的流速放料，維持發(fā)酵液原來(lái)的體積。使微生物細(xì)胞能在近似恒定狀態(tài)下生長(zhǎng)的微生物發(fā)酵培養(yǎng)方式?？梢圆捎霉奘交驍嚢璋l(fā)酵罐及管式反應(yīng)器。它與封閉系統(tǒng)中的分批培養(yǎng)方式相反，是在開放的系統(tǒng)中進(jìn)行的培養(yǎng)方式。在連續(xù)培養(yǎng)過程中，微生物細(xì)胞所處的環(huán)境條件，如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度、產(chǎn)物的濃度、pH以及微生物細(xì)胞的濃度、比生長(zhǎng)速率等可以自始至終基本保持不變，甚至還可以根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率，因此連續(xù)培養(yǎng)的最大特點(diǎn)是微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率、產(chǎn)物的代謝均處于恒定狀態(tài)，可以達(dá)到穩(wěn)定、高速培養(yǎng)微生物細(xì)胞或產(chǎn)生大量的代謝

33、產(chǎn)物的目的。此外，對(duì)于細(xì)胞的生理或代謝規(guī)律的研究，連續(xù)培養(yǎng)是一種重要的手段。第一節(jié) 發(fā)酵方式 連續(xù)培養(yǎng)過程可以連續(xù)不斷地收獲產(chǎn)物，并能提高細(xì)胞密度，在生產(chǎn)中被應(yīng)用于培養(yǎng)非貼壁依賴性細(xì)胞。如英國(guó)Celltech公司采用連續(xù)培養(yǎng)雜交瘤細(xì)胞的方法，連續(xù)不斷地生產(chǎn)單克隆抗體。 1.單級(jí)連續(xù)發(fā)酵的理論基礎(chǔ) 在任何連續(xù)發(fā)酵開始，都要先做分批培養(yǎng)，使微生物在接種后生長(zhǎng)繁殖達(dá)到一定細(xì)胞濃度，并進(jìn)入產(chǎn)物合成期，然后才開始以恒定流量向發(fā)酵罐流加培養(yǎng)基，同時(shí)以相同的流量流出培養(yǎng)液，使發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)液的體積保持恒定，微生物持續(xù)生長(zhǎng)，合成產(chǎn)物。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 連續(xù)發(fā)酵達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)放掉發(fā)酵液中的細(xì)胞量等于生成細(xì)胞量。流入

34、罐內(nèi)的料液使得發(fā)酵液變稀，流量與培養(yǎng)液體積之比可用D來(lái)表示，稱為稀釋率（h-1），表示單位時(shí)間內(nèi)加入的培養(yǎng)基體積占發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)基體積的分率，其倒數(shù)表示培養(yǎng)液在發(fā)酵罐內(nèi)平均停留時(shí)間。 DF/V （5-10）式中 D 稀釋率，h-1； F 料液流量，L/h； V 發(fā)酵液的體積，L。第一節(jié) 發(fā)酵方式 在一定時(shí)間內(nèi)細(xì)胞濃度的凈變化 dX/dtX-DX （5-11)式中 X生長(zhǎng)速率，g /(Lh)； DX細(xì)胞排放速率，g /(Lh)。 在穩(wěn)態(tài)條件下dX/dt0，即X=DX，故 =D （5-12） 即在穩(wěn)態(tài)條件下細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率與稀釋率相等，可通過補(bǔ)料速率來(lái)控制比生長(zhǎng)速率，因V不變。稀釋率大小將有一定限制

35、，即有一臨界稀釋率DC，將式（5-6）max S（KsS） 代入式（5-11），并化簡(jiǎn)，得 S=KSD/(max-D) （5-13）第一節(jié) 發(fā)酵方式 式(5-13)解釋了D如何控制。細(xì)胞生長(zhǎng)將導(dǎo)致基質(zhì)濃度下降，直到殘留基質(zhì)濃度等于能維持D的基質(zhì)濃度。如基質(zhì)濃度消耗到低于能支持相關(guān)生長(zhǎng)速率的水平，細(xì)胞的丟失速率將大于生成的速率，這樣基質(zhì)濃度S將會(huì)提高，導(dǎo)致生長(zhǎng)速率的增加，平衡又恢復(fù)。 連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)又稱為恒化器，培養(yǎng)物的生長(zhǎng)速率受其周圍化學(xué)環(huán)境影響，即受培養(yǎng)基的一種限制性組分控制。設(shè)備的差異，如混合不全；菌貼罐壁和培養(yǎng)物的生理因素，如若干基質(zhì)用于維持反應(yīng)和在高稀釋速率下基質(zhì)的毒性等造成恒化器的實(shí)驗(yàn)

36、結(jié)果可能與過去理論預(yù)測(cè)的結(jié)果不同。第一節(jié) 發(fā)酵方式 2多級(jí)連續(xù)培養(yǎng) 基本恒化器的改進(jìn)有多種方法，但最普通的辦法是把多個(gè)發(fā)酵罐串聯(lián)起來(lái)，第一罐類似單罐培養(yǎng)，以后下一級(jí)罐的進(jìn)料即為前一發(fā)酵罐的出料，這樣就組成了多級(jí)串聯(lián)培養(yǎng)（多級(jí)恒化系統(tǒng)）。多級(jí)恒化系統(tǒng)見圖5-6。多級(jí)恒化器的優(yōu)點(diǎn)是在不同級(jí)的罐內(nèi)存在不同的條件。這將有利于多種碳源的利用和次級(jí)代謝物的生產(chǎn)。提高生產(chǎn)能力。如采用葡萄糖和麥芽糖混合碳源培養(yǎng)產(chǎn)氣克雷伯菌第一級(jí)罐內(nèi)只利用葡萄糖，在第二級(jí)罐內(nèi)利用麥芽糖，菌的生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)比第一級(jí)小，同時(shí)形成次級(jí)代謝產(chǎn)物。由于多級(jí)連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)比較復(fù)雜，用于研究工作和生產(chǎn)實(shí)際有較大的困難。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 由于恒化

37、器運(yùn)行中將部分菌體返回罐內(nèi)，從而使罐內(nèi)菌體濃度大于簡(jiǎn)單恒化器所能達(dá)到的濃度，即Y（S0一St）?？赏ㄟ^以下兩種辦法濃縮菌體：限制菌體從恒化器中排出，讓流出的菌體濃度比罐內(nèi)的??；將流出的發(fā)酵液送到菌體分離設(shè)備中，如讓其沉積或?qū)⑵潆x心，再將部分濃縮的菌體送回罐內(nèi)。 圖5-6多級(jí)恒化器示意圖 第一節(jié) 發(fā)酵方式 這種方法相當(dāng)于不斷接種，增加了罐內(nèi)的菌體濃度；導(dǎo)致殘留基質(zhì)濃度比簡(jiǎn)單恒化器?。痪w和產(chǎn)物的最大產(chǎn)量增加；臨界稀釋率也提高。菌體反饋恒化器能提高基質(zhì)的利用率，可以改進(jìn)料液濃度不同的系統(tǒng)的穩(wěn)定性，適用于被處理的料液較稀的品種，如釀造和廢液處理。 3連續(xù)培養(yǎng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 連續(xù)培養(yǎng)在產(chǎn)率、生產(chǎn)的

38、穩(wěn)定性和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化方面比分批發(fā)酵優(yōu)越，但污染雜菌的幾率和菌種退化的可能性增加。培養(yǎng)物產(chǎn)率可定義為單位發(fā)酵時(shí)間形成的菌量。從一批發(fā)酵到另一批發(fā)酵的間隔時(shí)間，包括打料、滅菌、發(fā)酵周期、放罐等。比如青霉素連續(xù)發(fā)酵可較分批發(fā)酵產(chǎn)量量提高65%。在連續(xù)培養(yǎng)中，選取適當(dāng)?shù)南拗菩曰|(zhì)，可大大提高產(chǎn)量，例如采用氯或磷代替葡萄糖作為限制性基質(zhì)，連續(xù)生產(chǎn)鏈球菌培養(yǎng)乳酸，其生產(chǎn)速率分別提高4.2及12.8倍。第一節(jié) 發(fā)酵方式 用紅曲霉發(fā)酵生產(chǎn)-半乳糖苷霉時(shí)，為防止葡萄糖對(duì)半乳糖誘導(dǎo)作用的抑制，可采用二級(jí)連續(xù)培養(yǎng)，即在第一級(jí)罐中加葡萄糖為碳源，以促進(jìn)菌體生長(zhǎng)；第二級(jí)用半乳糖誘導(dǎo)霉的生長(zhǎng)，可使霉的生長(zhǎng)速率提高57%

39、。 用連續(xù)培養(yǎng)進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，早在20世紀(jì)20年代就開始采用連續(xù)培養(yǎng)法生產(chǎn)飼料酵母，此后，人們對(duì)各種連續(xù)培養(yǎng)進(jìn)行了大量的研究工作。雖然有關(guān)酵母、真菌、細(xì)菌、放線菌、原核生物、藻類等各種微生物連續(xù)培養(yǎng)的報(bào)道很多，但大多數(shù)都是試驗(yàn)性的，而不是大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。到目前為止，有關(guān)工業(yè)化的連續(xù)培養(yǎng)生產(chǎn)有以下幾個(gè)方面。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 （1）酵母、細(xì)菌等單細(xì)胞蛋白產(chǎn)品 20世紀(jì)20年代開始采用連續(xù)培養(yǎng)法生產(chǎn)飼料酵母，這是最早的單細(xì)胞蛋白產(chǎn)品。目前，由造紙廠亞硫酸鹽廢液連續(xù)培養(yǎng)生產(chǎn)飼料酵母較為普遍。到20世紀(jì)50年代末，以糖蜜為原料連續(xù)培養(yǎng)生產(chǎn)藥用酵母和面包酵母的工業(yè)開始形成。由于酵母菌的生長(zhǎng)受糖濃度的抑

40、制，當(dāng)糖濃度較高時(shí)，酵母進(jìn)行有氧代謝產(chǎn)生大量酒精，從而使酵母得率下降。一般采用25個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)，在各反應(yīng)器中同時(shí)連續(xù)流加糖液，從第一個(gè)反應(yīng)器開始，酵母濃度逐漸增高，但各反應(yīng)器中糖的濃度卻基本保持一致。與批式流加培養(yǎng)比較，其設(shè)備生產(chǎn)能力可提高50%左右。第一節(jié) 發(fā)酵方式 （2）酒精、啤酒、醋酸等一次代謝產(chǎn)物 酒精、啤酒、醋酸、葡萄糖酸等一次代謝產(chǎn)物的連續(xù)發(fā)酵開始于上世紀(jì)50年代初。50年代后期，國(guó)內(nèi)外相繼實(shí)現(xiàn)了糖蜜制酒精的連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)。20世紀(jì)60年代初，用淀粉質(zhì)原料連續(xù)發(fā)酵制造酒精的工業(yè)化生產(chǎn)已獲得成功。酒精連續(xù)發(fā)酵多采用10個(gè)左右的反應(yīng)器串聯(lián)，酒精濃度可達(dá)10%左右，發(fā)酵液的平均停留時(shí)間一般

41、不到分批發(fā)酵時(shí)間的一半，只需30h左右。啤酒連續(xù)發(fā)酵的流程有多級(jí)攪拌罐式、多級(jí)塔式和單塔式三種，其中以單塔連續(xù)發(fā)酵較為多見。塔式啤酒連續(xù)發(fā)酵的特點(diǎn)是發(fā)酵速率高，塔內(nèi)具有較高的酵母濃度，一般比分批發(fā)酵大16倍左右，因此，發(fā)酵時(shí)間大幅度降低。醋酸的連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)多采用單級(jí)自吸式反應(yīng)器和塔式反應(yīng)器。第一節(jié) 發(fā)酵方式 （3）污水的生化處理 用活性污泥處理廢水普遍采用連續(xù)培養(yǎng)的方法。由于廢水中的底物濃度相對(duì)較低，因而廢水處理大多采用濃縮細(xì)胞部分回流的方法，以提高生物濾池的生產(chǎn)能力。 工業(yè)化連續(xù)培養(yǎng)應(yīng)用較為廣泛的國(guó)家有德國(guó)、加拿大、澳大利亞、新西蘭和美國(guó)等。在我國(guó)連續(xù)培養(yǎng)的研究與生產(chǎn)始于20世紀(jì)50年代。目

42、前已實(shí)現(xiàn)的有：由造紙廠亞硫酸鹽廢液連續(xù)生產(chǎn)飼料酵母，以糖蜜為原料連續(xù)生產(chǎn)藥用酵母和酒精，用淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)酒精的連續(xù)發(fā)酵已被廣泛應(yīng)用。此外，污水的連續(xù)生化處理已被廣泛采用，啤酒和面包酵母的連續(xù)發(fā)酵已完成了中間試驗(yàn)。第一節(jié) 發(fā)酵方式 4.連續(xù)培養(yǎng)中存在的問題 與分批發(fā)酵比較，連續(xù)發(fā)酵過程具有許多優(yōu)點(diǎn)：在連續(xù)發(fā)酵達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其非生產(chǎn)占用的時(shí)間要少許多，故其設(shè)備利用率高，單位時(shí)間產(chǎn)量高。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，可以及時(shí)排除在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的對(duì)發(fā)酵過程有害的物質(zhì)。但連續(xù)發(fā)酵技術(shù)也存在一些問題，如雜菌的污染，菌種的穩(wěn)定性問題。 （1）污染雜菌問題 在連續(xù)發(fā)酵過程中需長(zhǎng)時(shí)間不斷地

43、向發(fā)酵系統(tǒng)供給無(wú)菌的新鮮空氣和培養(yǎng)基，這就增加染菌的機(jī)會(huì)。盡管可以通過選取耐高溫、耐極端pH值和能夠同化特殊的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的菌株作為生產(chǎn)菌種來(lái)控制雜菌的生長(zhǎng)。但這種方法的應(yīng)用范圍有限。故染菌問題仍然是連續(xù)發(fā)酵技術(shù)中不易解決的課題。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 了解雜菌在什么樣的條件下發(fā)展成為主要的菌群便能更好地掌握連續(xù)培養(yǎng)中雜菌污染的問題。 在分批培養(yǎng)中任何能在培養(yǎng)液中生長(zhǎng)的雜菌將存活和增長(zhǎng)。但在連續(xù)培養(yǎng)中雜菌能否積累取決于它在培養(yǎng)系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力。故用連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)可選擇性地富集一種能有效使用限制性養(yǎng)分的菌種。 （2）生產(chǎn)菌種突變問題 微生物細(xì)胞的遺傳物質(zhì)DNA在復(fù)制過程中出現(xiàn)差錯(cuò)的頻率為百萬(wàn)分之一。盡管自

44、然突變頻率很低，一旦在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中的生產(chǎn)菌中出現(xiàn)某一個(gè)細(xì)胞的突變，且突變的結(jié)果使這一細(xì)胞獲得高速生長(zhǎng)能力，但失去生產(chǎn)特性的話，它會(huì)最終取代系統(tǒng)中原來(lái)的生產(chǎn)菌株，而使連續(xù)發(fā)酵過程失敗。 第一節(jié) 發(fā)酵方式 而且，連續(xù)培養(yǎng)的時(shí)間愈長(zhǎng)，所形成的突變株數(shù)目愈多，發(fā)酵過程失敗的可能性便愈大。并不是菌株的所有突變都造成危害，因絕大多數(shù)的突變對(duì)菌株生命活動(dòng)的影響不大，不易被發(fā)覺。但在連續(xù)發(fā)酵中出現(xiàn)生產(chǎn)菌株的突變卻對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程特別有害。因工業(yè)生產(chǎn)菌株均經(jīng)多次誘變選育，消除了菌株自身的代謝調(diào)節(jié)功能，利用有限的碳源和其他養(yǎng)分合成適應(yīng)人們需求的產(chǎn)物。生產(chǎn)菌種發(fā)生回復(fù)突變的傾向性很大，因此這些生產(chǎn)菌種在連續(xù)發(fā)酵時(shí)很

45、不穩(wěn)定，低產(chǎn)突變株最終取代高產(chǎn)生產(chǎn)菌株。第一節(jié) 發(fā)酵方式 為了解決這一問題，曾設(shè)法建立一種不利于低產(chǎn)突變株的選擇性生產(chǎn)條件，使低產(chǎn)菌株逐漸被淘汰。例如，利用一株具有多重遺傳缺陷的異亮氨酸滲漏型高產(chǎn)菌株生產(chǎn)L一蘇氨酸。此生產(chǎn)菌株在連續(xù)發(fā)酵過程中易發(fā)生回復(fù)突變而成為低產(chǎn)菌株。若補(bǔ)入的培養(yǎng)基中不含異亮氨酸，那些不能大量積累蘇氨酸而同時(shí)失去合成異亮氨酸能力的突變株則從發(fā)酵液中被自動(dòng)地去除。 六、灌注培養(yǎng) 灌注培養(yǎng)是指細(xì)胞接種后進(jìn)行培養(yǎng)，一方面新鮮培養(yǎng)基不斷加入反應(yīng)器，另一方面又將反應(yīng)液連續(xù)不斷地取出，但細(xì)胞留在反應(yīng)器內(nèi)，使細(xì)胞處于一種不斷的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。第一節(jié) 發(fā)酵方式 當(dāng)高密度培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞時(shí)，必須確保補(bǔ)

46、充給細(xì)胞足夠的營(yíng)養(yǎng)以及去除有毒的代謝廢物。在半連續(xù)培養(yǎng)中，可以采用取出部分用過的培養(yǎng)基和加入新鮮的培養(yǎng)基的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種分批部分換液辦法的缺點(diǎn)在于當(dāng)細(xì)胞密度達(dá)到一定量時(shí)，廢代謝物的濃度可能在換液前就達(dá)到產(chǎn)生抑制作用的程度。降低廢代謝產(chǎn)物的有效方法就是用新鮮的培養(yǎng)基進(jìn)行灌注，通過調(diào)節(jié)灌注速率可以把培養(yǎng)過程保持在穩(wěn)定的、廢代謝物低于抑制水平的狀態(tài)下。一般在分批培養(yǎng)中密度為（24）x 1O6cells/mL，在灌注系統(tǒng)中可達(dá)到（24）x 107 cells/mL。灌注技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于許多不同的培養(yǎng)系統(tǒng)中，規(guī)模分別為幾十升至幾百升。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 微生物是發(fā)酵培養(yǎng)過程的主體，細(xì)胞內(nèi)有各種酶系，它攝

47、取原料中的養(yǎng)分后，通過體內(nèi)的特定酶系進(jìn)行復(fù)雜的生化反應(yīng)，將底物轉(zhuǎn)化成有用的產(chǎn)品。微生物發(fā)酵過程包括微生物的生長(zhǎng)、反應(yīng)基質(zhì)的消耗和代謝產(chǎn)物的生成，其中細(xì)胞的生長(zhǎng)是關(guān)鍵。發(fā)酵動(dòng)力學(xué)是對(duì)微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的描述，它研究細(xì)胞生長(zhǎng)速率和發(fā)酵產(chǎn)物的生成速率以及環(huán)境條件對(duì)這些速率的影響。發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究是了解微生物發(fā)酵過程的實(shí)質(zhì)所必需的，通過發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究建立發(fā)酵過程的數(shù)學(xué)模型，從而為發(fā)酵過程的工藝設(shè)計(jì)和管理控制提供理論基礎(chǔ)，達(dá)到提高產(chǎn)品的產(chǎn)率即降低成本的目的。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 一、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)類型 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)類型是為了描述菌體生長(zhǎng)、碳源利用與代謝產(chǎn)物形成速度變化，以及它們之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系而建立的。微

48、生物種類繁多，具有氧化、還原、分解、合成、轉(zhuǎn)換和積累某種產(chǎn)物等多種代謝機(jī)能，通常是按微生物需氧的特點(diǎn)來(lái)區(qū)分發(fā)酵類型。一類是需氧性發(fā)酵，由好氧菌引起，發(fā)酵時(shí)必須充分供氧，如谷氨酸、檸檬酸、抗生素、生長(zhǎng)激素、酶制劑等的生產(chǎn)；另一類是厭氧性發(fā)酵，由厭氧菌引起，發(fā)酵時(shí)必須隔離空氣，分子氧的存在對(duì)發(fā)酵有害，只有在需要保持罐壓時(shí)才向發(fā)酵罐中通入無(wú)菌空氣，如乳酸、丙酮、丁醇等的生產(chǎn)；第三類是兼性發(fā)酵，由兼性厭氧菌引起，在有氧存在時(shí)進(jìn)行有氧性發(fā)酵，在無(wú)氧存在時(shí)進(jìn)行厭氧性發(fā)酵，如酒精、酵母菌體的生產(chǎn)。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 按菌體生長(zhǎng)、碳源消耗、產(chǎn)物形成三者之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系來(lái)區(qū)分發(fā)酵類型，能清楚地比較各種發(fā)酵的特點(diǎn)

49、。Gaden根據(jù)發(fā)酵過程中，產(chǎn)物的形成與底物利用之間關(guān)系的不同，將發(fā)酵分為三類。 型為生長(zhǎng)聯(lián)系型，又稱簡(jiǎn)單發(fā)酵型，產(chǎn)物直接由碳源代謝而來(lái)，產(chǎn)物生成速度的變化與微生物對(duì)碳源利用速度的變化相平行，產(chǎn)物生成和糖的利用有直接的化學(xué)計(jì)量關(guān)系，產(chǎn)物形成與微生物的生長(zhǎng)相偶聯(lián)。例如酵母菌的酒精發(fā)酵和供氧條件下生產(chǎn)酵母菌體都屬于這一類型。蘑菇菌絲、蘇云金桿菌等的培養(yǎng)亦屬于此類。 第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 在單細(xì)胞微生物中，菌體增長(zhǎng)與時(shí)間的關(guān)系多為對(duì)數(shù)關(guān)系。酵母生產(chǎn)就是根據(jù)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)關(guān)系和菌體產(chǎn)量常數(shù)（在一定的培養(yǎng)條件下，菌體產(chǎn)量與碳源消耗之比）計(jì)算加糖速度，以防止過量糖的加入引起酒精產(chǎn)生。在厭氧條件下，酵母菌生長(zhǎng)與產(chǎn)物

50、生成是相平行的；在有氧的條件下，糖的消耗速度和菌體生成的速度是平行的過程。在這些發(fā)酵過程中，菌體生長(zhǎng)、碳源消耗、產(chǎn)物生成三種速度都有一個(gè)高峰，三個(gè)高峰幾乎在相同時(shí)間出現(xiàn)。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 型為部分生長(zhǎng)聯(lián)系型，或生長(zhǎng)部分相關(guān)行，又稱中間發(fā)酵型。產(chǎn)物不是碳源的直接氧化產(chǎn)物，而是菌體內(nèi)生物氧化過程的主流產(chǎn)物，碳源既供微生物的生長(zhǎng)又供產(chǎn)物生成，碳源利用率較高，產(chǎn)物形成的量也較多。糖的消耗主要在微生物的旺盛生長(zhǎng)階段和產(chǎn)物最大形成期，但糖的消耗與產(chǎn)物合成無(wú)直接計(jì)量關(guān)系，產(chǎn)物生成與微生物的生長(zhǎng)部分偶聯(lián)。例如，在用黑曲霉進(jìn)行檸檬酸發(fā)酵時(shí)，發(fā)酵早期糖被用于滿足菌體生長(zhǎng)，直到其他營(yíng)養(yǎng)成分耗盡為止。然后代謝進(jìn)入檸

51、檬酸積累階段，產(chǎn)物積累的數(shù)量與糖的利用數(shù)量有關(guān)，這一過程僅能得到少量的能量。 第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 又如土霉素的生產(chǎn)，開始時(shí)代謝活動(dòng)極其微弱，當(dāng)開始產(chǎn)生初級(jí)菌絲后，代謝旺盛而不大量分泌抗生素，隨后初級(jí)菌絲斷裂，呼吸率和核酸形成下降，抗生素分泌量增加。產(chǎn)生次級(jí)菌絲后，抗生素形成量迅速增加，核酸仍有生成而呼吸下降，最后生長(zhǎng)停頓，代謝再度降低，然而抗生素仍能繼續(xù)分泌一段時(shí)間。在這些發(fā)酵過程中，菌體生長(zhǎng)和最終產(chǎn)物的生成雖分為兩個(gè)階段，但二者并非截然分開，在產(chǎn)物大量形成階段菌體增長(zhǎng)可能出現(xiàn)第二次高峰，也可能降低或停止。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 型為非生長(zhǎng)聯(lián)系型，又稱復(fù)雜發(fā)酵型。這一型的特點(diǎn)是產(chǎn)物形成一般在菌體生

52、長(zhǎng)接近或達(dá)到最高生長(zhǎng)期。產(chǎn)物合成與碳源利用無(wú)準(zhǔn)量關(guān)系，產(chǎn)物生成量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳源消耗量，產(chǎn)物生成在菌體生長(zhǎng)和基質(zhì)消耗完以后才開始，與生長(zhǎng)不偶聯(lián)，所形成的產(chǎn)物均是次級(jí)代謝產(chǎn)物。例如青霉素和鏈霉素、維生素的生產(chǎn)多屬于此類。整個(gè)過程分為兩個(gè)時(shí)期：第一個(gè)時(shí)期為菌體生長(zhǎng)期，積累菌體和能量代謝的各個(gè)方面都極為旺盛，而抗生素的生成量極微；第二個(gè)時(shí)期為抗生素合成期，氧化代謝的各個(gè)方面較弱，而產(chǎn)物的積累逐漸達(dá)到高峰，但兩個(gè)時(shí)期也有關(guān)聯(lián)，往往不能截然分開。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) Deindoerfer根據(jù)發(fā)酵的進(jìn)程，將發(fā)酵分為五類，即單一型、并進(jìn)型、連貫型、分段型和復(fù)合型。 單一型：底物按固定的化學(xué)計(jì)量關(guān)系轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，過

53、程無(wú)中間產(chǎn)物積累。單一型發(fā)酵動(dòng)力學(xué)類型分為兩個(gè)類型，即生長(zhǎng)反應(yīng)型和非生長(zhǎng)反應(yīng)型。 并進(jìn)型：底物按不定的化學(xué)計(jì)量關(guān)系轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，沒有中間產(chǎn)物的積累。這類反應(yīng)過程產(chǎn)生一種以上的產(chǎn)物，但產(chǎn)物不是按固定的化學(xué)計(jì)量關(guān)系轉(zhuǎn)化的，生成產(chǎn)物的相對(duì)速度往往隨營(yíng)養(yǎng)成分濃度而變化。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 連貫型：底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的過程中有一定的中間產(chǎn)物的積累。如假單孢桿菌(在把葡萄糖發(fā)酵成葡萄糖酸時(shí)，先把葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖內(nèi)酯，然后再轉(zhuǎn)化成葡萄糖酸)。 分段型：分段型有兩種情況，一種是底物在轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物前全部轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物，另一種情況是營(yíng)養(yǎng)物按先后順序有選擇地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。分段型由兩個(gè)單一型組成，這兩個(gè)單一型反應(yīng)可能是由酶的

54、誘導(dǎo)作用加以調(diào)節(jié)控制。 弱氧化醋酸桿菌氧化葡萄糖為5一酮基葡萄糖酸就是分段型。在這一過程中，首先將全部葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸，然后再將葡萄糖酸轉(zhuǎn)化為5一酮基葡萄糖酸。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 大腸桿菌的二階段式生長(zhǎng)也是分段型。在同時(shí)供給葡萄糖和山梨醇作為基質(zhì)的情況下，先利用葡萄糖，用完葡萄糖后再開始利用山梨醇。Monod將這種生長(zhǎng)方式稱為“二段生長(zhǎng)”。 復(fù)合型：絕大多數(shù)發(fā)酵過程實(shí)際上是由上述各種基本反應(yīng)類型組合而成的，其復(fù)雜程度可能相差極大。青霉素發(fā)酵就顯示了這種情況。青霉素菌絲體的生長(zhǎng)曲線是典型的二段式生長(zhǎng)，青霉素的生成曲線也顯示兩個(gè)階段并落后于菌絲體的生長(zhǎng)曲線。在糖耗盡與青霉素出現(xiàn)之前的一段時(shí)間內(nèi)

55、有某種中間產(chǎn)物的積累。 第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 二、微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究的是微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率和環(huán)境條件對(duì)生長(zhǎng)速率的影響。微生物在生長(zhǎng)過程中，通過新陳代謝活動(dòng)，部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成細(xì)胞物質(zhì)，表現(xiàn)出細(xì)胞質(zhì)量增加和細(xì)胞體積增大，這是個(gè)體生長(zhǎng)的過程。當(dāng)生長(zhǎng)到一定限度時(shí)，微生物細(xì)胞開始繁殖，表現(xiàn)出細(xì)胞個(gè)體數(shù)目增加，這是群體生長(zhǎng)的過程。無(wú)論是細(xì)胞質(zhì)量增加或細(xì)胞體積增大，還是細(xì)胞個(gè)體數(shù)目增加，都是微生物生長(zhǎng)的體現(xiàn)。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 1.生長(zhǎng)速率 在微生物的培養(yǎng)過程中，菌體濃度的增加速率與菌體濃度、基質(zhì)濃度和抑制劑濃度有關(guān)。生長(zhǎng)速率與培養(yǎng)液中的菌體濃度成正比，比例系數(shù)一般用表示，稱為比生長(zhǎng)速

56、率，它與許多因素有關(guān)，當(dāng)溫度、pH、基質(zhì)濃度等條件改變時(shí)，隨之改變。 2.比生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度的關(guān)系 （1）Monod方程 Monod根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出，在培養(yǎng)液中無(wú)抑制劑存在時(shí)，底物濃度與比生長(zhǎng)速率的關(guān)系由上節(jié)(5-6)，可表示為：max s（KsS） 第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 當(dāng)限制性底物濃度非常小時(shí)，比生長(zhǎng)速率與限制性底物濃度成正比，微生物的生長(zhǎng)顯示為一級(jí)反應(yīng)。 當(dāng)限制性底物濃度很大時(shí)，比生長(zhǎng)速率達(dá)到最大比生長(zhǎng)速率max，菌體的生長(zhǎng)速率與底物濃度無(wú)關(guān)，而與菌體濃度成正比，微生物的生長(zhǎng)顯示為零級(jí)反應(yīng)。 當(dāng)限制性底物濃度很高時(shí)，對(duì)于某些微生物，高濃度的基質(zhì)對(duì)生長(zhǎng)有抑制作用，因而當(dāng)達(dá)某一值時(shí)，再提高底物濃

57、度，比生長(zhǎng)速率反而下降，這時(shí)max僅表示一種潛在的力量，實(shí)際上是達(dá)不到的。 第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) （2）其他比生長(zhǎng)速率方程式 Monod方程式是描述比生長(zhǎng)速率與底物濃度關(guān)系最基本的方程式，其他的方程式還有多個(gè)限制基質(zhì)的Monod式Tessier方程式Moser方程式Contois方程式；對(duì)于BOD測(cè)定用方程可知，當(dāng)單位菌體所具有的底物很小時(shí)，菌體的比生長(zhǎng)速率與底物濃度成正比，而與菌體濃度成反比。 3.生長(zhǎng)抑制 微生物的生長(zhǎng)速率或底物消耗速率，與酶反應(yīng)一樣，存在著各種形式的抑制現(xiàn)象。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) （1）抑制劑抑制 由于微生物的生長(zhǎng)合成是一系列酶催化反應(yīng)的結(jié)果，因此酶催化反應(yīng)中的各種抑制劑同樣

58、對(duì)微生物的生長(zhǎng)有抑制作用。例如Saccharomyces cerevisiae利用葡萄糖的速率受培養(yǎng)基中山梨糖的抑制，在以葡萄糖為主要底物培養(yǎng)Monascus sp.時(shí)，半乳糖對(duì)Monascus sp.的生長(zhǎng)同樣起競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。 （2）底物抑制 高濃度底物對(duì)代謝途徑的抑制作用是所攝取的過量底物本身或其代謝底物抑制酶活力的過程，或是由于基因水平影響酶的生成機(jī)制，從而最終控制底物攝取速度，并影響生長(zhǎng)速度的過程。底物抑制的一個(gè)明顯例子是酵母菌生長(zhǎng)過程中的Crabtree效應(yīng)。當(dāng)培養(yǎng)液中葡萄糖的濃度超過5時(shí)，即使在足夠的氧供應(yīng)條件下，也會(huì)使酵母細(xì)胞的生長(zhǎng)速度明顯下降，這種現(xiàn)象稱Crabtree效應(yīng)。

59、第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) （3）產(chǎn)物抑制 酒精發(fā)酵中酵母菌的生長(zhǎng)為產(chǎn)物抑制的一個(gè)例子，乙醇對(duì)酵母比生長(zhǎng)速率的影響為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。 4.邏輯定律 對(duì)于穩(wěn)定的連續(xù)發(fā)酵過程，由于其底物濃度等培養(yǎng)條件都維持不變，比生長(zhǎng)速率為一常數(shù)，對(duì)于分批發(fā)酵，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，發(fā)酵液中的底物濃度較高，比生長(zhǎng)速率接近最大比生長(zhǎng)速率，底物濃度的變化不會(huì)引起的明顯變化，可認(rèn)為是常數(shù)。但就整個(gè)分批發(fā)酵而言，隨著時(shí)間的進(jìn)行，由于培養(yǎng)液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗、細(xì)胞重量的增加和代謝產(chǎn)物的生成，使得培養(yǎng)條件隨著時(shí)間不斷變化，比生長(zhǎng)速率亦隨之變化，可用邏輯定律來(lái)說(shuō)明，比生長(zhǎng)速率與菌體濃度有關(guān)，且隨時(shí)間的增加而降低。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 三、產(chǎn)物形成動(dòng)

60、力學(xué) 微生物發(fā)酵中，產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞濃度、細(xì)胞生長(zhǎng)速率及基質(zhì)濃度等有關(guān)，不同的發(fā)酵生產(chǎn)有著不同的動(dòng)力學(xué)模式，其中底物和抑制劑可以是多個(gè)。下面首先介紹生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成的關(guān)系，然后介紹幾個(gè)具體發(fā)酵中產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)模型。 1.產(chǎn)物形成與生長(zhǎng)的關(guān)系 細(xì)胞生長(zhǎng)與代謝產(chǎn)物形成之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系決定于細(xì)胞代謝中間產(chǎn)物所起的作用。描述這種關(guān)系的模式有三種，即生長(zhǎng)聯(lián)系型模式、非生長(zhǎng)聯(lián)系型模式和復(fù)合型模式。第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) （1）生長(zhǎng)聯(lián)系型模式 在這種模式中，當(dāng)?shù)孜镆曰瘜W(xué)計(jì)量關(guān)系轉(zhuǎn)變成單一的一種產(chǎn)物時(shí)，產(chǎn)物形成速率與生長(zhǎng)速率成正比關(guān)系，代謝產(chǎn)物一般稱為初級(jí)代謝產(chǎn)物，這類代謝產(chǎn)物的發(fā)酵稱為初級(jí)代謝，如乙醇、檸檬酸