第六章：微生物培养技术与动力学 6.1 微生物发酵动力学 6.1.1 分批培养 营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中 间除了空气进入和尾气排出，添加消泡剂和调节pH, 与外 部没有物料交换, 属于非稳态过程。 优点：放大到罐操作比较容易，操作简单 缺点：培养初期营养物过多/后期代谢产物的积累可 能抑制生长，培养的中后期可能又因为营养物浓度过低而 降低培养效率，总设备生产能力不高
第六章：微生物培养技术与动力学 6.1 微生物发酵动力学 6.1.1 分批培养 营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中 间除了空气进入和尾气排出，添加消泡剂和调节pH, 与外 部没有物料交换, 属于非稳态过程。 优点：放大到罐操作比较容易，操作简单 缺点：培养初期营养物过多/后期代谢产物的积累可 能抑制生长，培养的中后期可能又因为营养物浓度过低而 降低培养效率，总设备生产能力不高
● 延迟期(lag phase) 是微生物适应新环境的 过程.,表现为细胞的数量 没有增加,但一些参与物 质的运输/与初级代谢相 关的酶类会诱导合成;以 及一些辅助因子的合成 需要一些时间。所以， 其时期的长短与细胞的 生理状态和细胞的浓度 有关。 ● 对数生长期(log phase/exponential growth phase) 培养基营养丰富，细胞生长不受限制，细胞浓度随时间指数生 长。 △分批培养过程中，微生物的生长曲线
● 延迟期(lag phase) 是微生物适应新环境的 过程.,表现为细胞的数量 没有增加,但一些参与物 质的运输/与初级代谢相 关的酶类会诱导合成;以 及一些辅助因子的合成 需要一些时间。所以， 其时期的长短与细胞的 生理状态和细胞的浓度 有关。 ● 对数生长期(log phase/exponential growth phase) 培养基营养丰富，细胞生长不受限制，细胞浓度随时间指数生 长。 △分批培养过程中，微生物的生长曲线
dx/dt =μx, μ=(1/x) (dx/dt) x: 细胞的浓度g/L t: 培养时间h, μ : 比生长速度h -1 单位菌体浓度引起的菌 体增长，反映了指数生 长期细胞生长的快慢。 对数期μ为常数,初始条件: t0=0, t; x0 , x, 积分得： 6.87*1010
dx/dt =μx, μ=(1/x) (dx/dt) x: 细胞的浓度g/L t: 培养时间h, μ : 比生长速度h -1 单位菌体浓度引起的菌 体增长，反映了指数生 长期细胞生长的快慢。 对数期μ为常数,初始条件: t0=0, t; x0 , x, 积分得： 6.87*1010
影响μ的因素 细胞的种类， 培养条件（培养温度，限制性基质浓度， pH, 溶氧） 倍增时间td：当细胞群体增加一倍时，所需的时间。由公式 描绘营养物的浓度对微生物生长的影响：1942年，Monod总结 了经验方程 微生物td : 0.5-5 h 动物细胞td :15-100 h 植物细胞td : 24-74 h td 和μ反映在对数生长期微生物的生长特性
影响μ的因素 细胞的种类， 培养条件（培养温度，限制性基质浓度， pH, 溶氧） 倍增时间td：当细胞群体增加一倍时，所需的时间。由公式 描绘营养物的浓度对微生物生长的影响：1942年，Monod总结 了经验方程 微生物td : 0.5-5 h 动物细胞td :15-100 h 植物细胞td : 24-74 h td 和μ反映在对数生长期微生物的生长特性
Monod方程呈双曲线。 µm最大比生长速率，s: 限制性营养物质的浓度， Ks: 饱和常数，为比生 长速度等于最大值的一 半时的底物浓度。其值 大，表示微生物对营养 物质的吸收亲和力小， 反之，就越大。 ＃当底物浓度很低时,即a 段，S«Ks, 从Monod 式中得 ＃ b段为适合Monod方程段
Monod方程呈双曲线。 µm最大比生长速率，s: 限制性营养物质的浓度， Ks: 饱和常数，为比生 长速度等于最大值的一 半时的底物浓度。其值 大，表示微生物对营养 物质的吸收亲和力小， 反之，就越大。 ＃当底物浓度很低时,即a 段，S«Ks, 从Monod 式中得 ＃ b段为适合Monod方程段
＃ c 段为S»Ks，由于底物浓度过高导致的底物抑 制或代谢产物产生抑制，不符合Monod方程，对 于前者，有下列公式描述： 营养物质的 抑制，如G 代谢产物产 生的抑制， 如乙醇 ＃当底物浓度很高时且无抑制现象发生,即d 段，S » Ks, 从Monod 式中得
＃ c 段为S»Ks，由于底物浓度过高导致的底物抑 制或代谢产物产生抑制，不符合Monod方程，对 于前者，有下列公式描述： 营养物质的 抑制，如G 代谢产物产 生的抑制， 如乙醇 ＃当底物浓度很高时且无抑制现象发生,即d 段，S » Ks, 从Monod 式中得
几种不同微生物的4az值 微生物 培养温度（℃） Hmas (h） 细菌 37 0.6-1.0 酵母 30 0.30.5 霉菌 28 0.10.3 Monod方程中的某些Ks值 限制性营养物 Ks(mg/L) 微生物 葡萄糖 1.0 产气肠道菌 葡萄糖 2.04.0 大肠杆菌 葡萄糖 25.0 酿酒酵母 甲醇 0.7 假单胞菌 氨 0.1 产气肠道菌 镁 1.6 产气肠道菌 硫酸盐 3.0 产气肠道菌
例：在5 m3培养液中，按5%接种量接种，已知原接 种液中含菌5×106（个/毫升），如果培养后发酵液 中的菌体含量需达4×109（个/毫升），求所需培养 时间。假定在整个培养时间，均满足s »Ks的条件， 已知μmax=0.8 h-1 解： 因为s »Ks，故 ① 所以①积分得 ② 依题意 于是
例：在5 m3培养液中，按5%接种量接种，已知原接 种液中含菌5×106（个/毫升），如果培养后发酵液 中的菌体含量需达4×109（个/毫升），求所需培养 时间。假定在整个培养时间，均满足s »Ks的条件， 已知μmax=0.8 h-1 解： 因为s »Ks，故 ① 所以①积分得 ② 依题意 于是
● 稳定期 (stationary phase) 由于营养物的消耗和代谢产物的积累，是微生物的生长速度下降直至停 止。从而进入静止期。此时细胞浓度值为最大。 若生长速率的下降是由于营养物质的消耗造成的，假设接种细胞后立即 进入指数生长期且一直保持到静止期 刚接入菌时，底物浓度为S, 刚进入稳定期时S=0 式中: KS是常数，X：细胞浓度，S为限制 性营养物质的浓度 ⅰ ⅱ 单纯由于营养物质的耗竭造 成的生长速率的下降可以通 过提高营养物质的初始浓度 来推迟稳定期的出现
● 稳定期 (stationary phase) 由于营养物的消耗和代谢产物的积累，是微生物的生长速度下降直至停 止。从而进入静止期。此时细胞浓度值为最大。 若生长速率的下降是由于营养物质的消耗造成的，假设接种细胞后立即 进入指数生长期且一直保持到静止期 刚接入菌时，底物浓度为S, 刚进入稳定期时S=0 式中: KS是常数，X：细胞浓度，S为限制 性营养物质的浓度 ⅰ ⅱ 单纯由于营养物质的耗竭造 成的生长速率的下降可以通 过提高营养物质的初始浓度 来推迟稳定期的出现
● 衰亡期 (death phase/decline phase) 由于环境的恶化，培养液中的细胞开始死亡。，在微生 物的培养过程中，对衰亡期的研究一般较少。主要由于 大多数分批培养的发酵生产，均是在衰亡期开始之前就 已经停止操作，它的研究对生产价值不大，。 衰亡期的生物群体遵循指数规律衰减 即： 式中Xm：最大生物群体浓度； a：微生物的比生长速率。 X: 死亡细胞的浓度
● 衰亡期 (death phase/decline phase) 由于环境的恶化，培养液中的细胞开始死亡。，在微生 物的培养过程中，对衰亡期的研究一般较少。主要由于 大多数分批培养的发酵生产，均是在衰亡期开始之前就 已经停止操作，它的研究对生产价值不大，。 衰亡期的生物群体遵循指数规律衰减 即： 式中Xm：最大生物群体浓度； a：微生物的比生长速率。 X: 死亡细胞的浓度