第五章培养方式和动力学.pptVIP

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μm、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。 习题 发酵动力学的概念及其研究的意义 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