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第四章 微生物发酵动力学 Kinetics of Microbial Fermentation 微生物发酵动力学：是研究发酵过程中微生物菌体的生长、营养物质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律的科学。 研究发酵动力学的目的：在于进行最佳发酵工艺条件的控制，即发酵工艺最优化。 第一节 发酵类型 1．固体发酵生产 固体发酵生产是将一种或多种微生物接种、培养在固体培养基上，通过微生物的代谢活动，使发酵原料转化成发酵产品。 (浅层发酵、深层固体发酵 ） 优点：设备简单，能耗低，原料粗放，不易污染，产物回收所耗溶剂和所生废水均少。 缺点：设备占地面积多，劳动强度大，传质和传热困难，副产物多，培养过程中进行检测困难。 2．液体发酵生产 液体发酵是将发酵原料制成液体培养基，接种微生物，通过其代谢活动，使发酵原料转化成发酵产品。有表面发酵和深层发酵两种形式。 深层发酵：是微生物的菌体或菌丝体均匀分散在液体培养基中，通过向培养液强制通气或不通气以及搅拌进行产物合成。 优点：设备占地面积少，生产规模大；发酵速度快，生产效率高；生产机械化，易于自动控制，劳动生产率高；发酵设备密闭，传热传质良好，生产便于管理；副产物少，有利于产品提取，所得产品质量高。 缺点：是设备条件要求较高。 按物料和产物进出方式不同，可分为以下几种类型 ⑴分批培养（batch culture） 指在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物进行发酵的方法。 Fin=Fout=0 分批培养中的菌体生长： 微生物的生长是在限制性条件下的生长,其生长过程一般分为延迟期、对数生长期、稳定期和衰亡期四个时期。 分批培养中的产物形成： Ⅰ型：生长偶联产物生成 ——菌体生长、碳源利用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形成直接与碳源利用有关。 Ⅱ型：生长与产物生成部分偶联——在生长开始后并无产物生成，在生长继续进行到某一阶段才有产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。 Ⅲ型：非生长偶联产物生成——在生长停止后才有产物生成。产物形成与碳源利用无准量关系。 分批发酵中生长和产物形成的关系 （2）连续培养（continuous culture） 指在一开放系统中，以一定的速度向发酵罐内连续供给新鲜培养基，同时以相同速度将含有微生物和产物的培养液从发酵罐内放出，从而使发酵罐内液体量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长和进行代谢活动的方法。 Fin=Fout＞0 补料分批培养 连续培养 （流加法） 优点： 恒定状态可有效地延长分批培养中的对数期，达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的。 避免分批培养所需的清洗、投料、灭菌、接种、放罐等各种操作，有利于提高生产率。 发酵产品质量稳定。 便于自动控制。 缺点： 菌种在长时间培养中易变异，且容易染菌。 若操作不当，新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合。 （３）补料分批培养（fed-batch culture） 指在分批发酵中间歇地或连续地补加（流加）新鲜培养基的方法。Fin ≠0（ Fout＝ 0 ，Fout ≠ 0 ） 优点： a.可避免一次投料过多，造成细胞大量生长，溶解氧不足，通气搅拌设备无法适应的弊病; b. 能控制营养缺陷型菌所需营养物量，使之高效率积累产物； c. 有利于前体的补充; d.可实现细胞的高密度培养 e. 便于优化培养。 　　　第二节 分批培养动力学 分批培养是一种非恒态的培养法。 一、分批培养中细胞的生长动力学 对数期： X—细胞干重浓度(g/L) t—时间(h) μ—比生长速率(h-1)，即单位重量菌体的瞬时增量g/(g·h) μ与微生物种类、培养温度、pH、培养基成分及限制性基质浓度等因素有关。在对数生长阶段，细胞的生长不受限制，因此比生长速率达到最大值μm 经积分后 比生长速率的图解计算 微生物倍增时间（Doubling time) 倍增时间：细胞浓度增长一倍所需的时间。 ∵ 减速期:Monod方程 几种不同微生物的μmax值 Monod 方程中的某些KS值 求μm和 Ks。 解：将Mon