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模块四 微生物反应动力学 从宏观的角度，定量分析菌体的生长、基质的消耗、产物的形成。 一、分批培养（P198-205） 1. 细胞生长： 指数生长期 ： = （1）生产生长相关型（Ⅰ型发酵） 在Ⅰ类型的发酵中，菌体的生长、碳水化合物的利用 和产物的形成几乎是平行进行的。 2. 生产生长部分相关型 （Ⅱ型发酵） Ⅱ型发酵特点： 结论 Ⅲ型发酵特点 二、连续培养（P205~） 1、单级连续培养，菌体的物料平衡关系： D = F / V，D为稀释率（小时-1），其定义： 2、连续培养的应用（P210~216） 3. 补料（流加）分批培养（P216） 流加方式： 要使限制性基质浓度保持一定，须进行变速流加，加料速率 随时间指数增长，使μ保持恒定。 4.1 连续培养 –连续透析； * 研究对象：在各种环境因素下，微生物代谢活动（生命活动）随时间 而变化的规律。 研究方法：用数学模型 研究目的： 达到对发酵过程有效控制，提高产品的产率及降低生产成本的目的。 由物料平衡得： 比生长速率 （P198） 在微生物分批培养的对数生长阶段，菌体的生长不受限制，菌体 浓度随培养时间呈指数增长，菌体浓度的变化率（dX/dt）与菌体浓度（X）成正比，即dX/dt=μX。 μ称为比生长速率，反映的是单位体积的菌量（干重）在单位培养时间内所收获的菌量（干重）。 减速期： 0 但呈下降趋势 ，细胞生长受到营养物质的 限制，生长的典型形式 – Monod方程： （P202） 静止期：dx/dt = 0，表观 = 0 2. 基质消耗：得率系数（P204 ） ：Yx/s，Yx/o 3. 产物生成：Gaden 将分批培养分成三种类型 分批工艺中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系 （a）生长生产联动型 酒精，葡萄糖酸和大部分氨基酸、单细胞蛋白 都属于Ⅰ类型（菌体生长和代谢产物）。 对于快速获得目标产物、 缩短发酵周期十分有利。 调整发酵工艺数，使微生物保持高的比生长速率μ 分批发酵中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系 （b）部分生长连动型 发酵第一时期菌体迅速生长， 而产物形成很少或全无； 第二时期产物高速形成， 生长也可能出现第二高峰。 碳源利用在这两个时期都很高 代谢产物 一类是经过连锁反应如丙酮丁醇； 一类是不经过中间产物的积累，如柠檬酸等。 Ⅱ型发酵产物的形成速率既 和细胞的比生长速率μ有关， 也与细胞的浓度有关。 3. 生产生长不相关型 （Ⅲ型发酵） 分批发酵中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系 （c）非生长联动型 在分批发酵中，Ⅲ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， 而产物形成很缓慢，甚至根本不形成； 此后，当培养基中的营养物质消耗殆尽， 微生物的生长速率开始减慢后， 产物形成启动，中间体或前体进入次级代谢途径。 产物形成与碳源利用无准量关系，产量远低于碳源的消耗量。 代谢产物 大多数是微生物的次级代谢产物： 抗生素和生物毒素，以及维生素类。 对于Ⅲ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。 图6.3 纳他霉素发酵代谢曲线 某一时间存在的或积累的 = 流入的 + 增长的 - 流出的 F—流加的新鲜培养基流量（L/min）； X—某一时间新鲜培养基所含的菌体浓度（g/L）； X0—新鲜培养基初始所含的菌体浓度（g/L）； V—罐内培养基体积（L）； 在微生物的连续培养中，进入产物合成期后， 开始以恒定的流量向发酵罐流加培养基，单位时间内加入 的培养基体积占发酵罐内培养基体积的分率。 稀释速率与菌体生长速率的关系 （1）若D ＜μ，则dx/dt＞0，培养液中菌体浓度随时间而增加； （2）若D ＞μ， dx/dt＜0，菌体浓度因培养物被“洗出”罐外而减少； （3）若D = μ，dx/dt=0，培养液中菌体浓度不随时间而变化，达到稳态。 （1）细胞的生产； （2）代谢产物的生产； （3）细胞生理特性的研究； （5）培养基的改进； （4）发酵动力学的研究； （6）菌种的筛选和富集； （7）微生物遗传稳定性的研究。 补料分批培养是介于分批培养和连续