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本课件聚焦微生物培养技术与动力学，依次讲解微生物培养技术与动力学、连续培养基本操作模型与分批补料培养法等内容，梳理其基本原理与工艺要点，并结合生产实例说明应用场景。
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
dx/dt =μx：μ=(1/x) (dx/dt) x: 细胞的浓度g/Lt: 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 htd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，
＃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
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ⅰⅱ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/decl：ine 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。
分批培养时微生物细胞的生长与产物形成：的动力学培养基中的营养物质被微生物细胞所利用生成细胞：细胞得率系数生成代谢产物：产物得率系数消耗一克营养物质生成的细胞的克数或生成的产物的克数工业上，一段时间的平均值，获得为表观得率系数
按产物的生成与营养物质的利用之间的关系：可将发酵分为三种类型
按产物的生成与微生物生长关系的动力学模式：分为三种类型(a):相关联型，产物的形成速度与细胞的比生长速度成正比，因此要提高产物的形成速度就应当努力获得高的细胞的比生长速度(b)：复合模式：取决于有关联和无关联的两种形式。(c) 无关联模式：产物的形成速度与生长速度无关联，而只与细胞的浓度有关。
6.1.2 连续培养基本操作模型：如图所示。物料连续地以体积流量F流入反应器，并以同样流量流出。流入物流中基质浓度为S0，菌浓度为Xo，Xo一般为0，反应器内有很好的混合，即各点浓度一样，特点：流出物流的浓度与反应器内相同，而且加入的物流一进入反应器立即与反应器内物料均匀混合。在分批培养过程中，既使提高营养物质的初始浓度，或者采用有些措施中和稀释代谢毒物，但指数生长期迟早有结束，稳定期也终将出现。就这一问题的彻底解决，Monod首先提出了此培养方式。此培养方式为稳态过程。
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简单连续培养：●微生物的物料衡算(细胞进入)-(细胞流出)+(细胞生长)-(细胞死亡)=(细胞积累速率)在稳态操作情况下可以假设：(1)x0=0，即入口仅加入基质(S0)；(2)反应器无积累，dx/dt=0,ds/dt=0；(3)菌体死亡速率远较生长速率低，α<<μ，由上式可以得到D(稀释率)
从上述推导中：连续培养的稳定条件为假设细胞生长符合monod方程，于是：所以，连续培养只要控制D，即改变培养基的供给量F，就可以控制μ在任意可调水平，而μ是微生物的特性参数，在分批培养过程中，是一个无法控制的参数，而在连续培养过程中，通过控制操作状态参数D来调控μ，因而称此类反应器为外控式的微生物反应器
限制性营养物的物料衡算：(细胞进入)-(细胞流出)-(消耗于菌体合成)=(营养物的积累速率)
X,S与D之间的关系○：S与D之间的关系：连续培养过程中，∵∴又因∴○x, S与D之间的关系：
冲溃现象(washout)在稳态操作条件：下，当D大到某一值时，使x=0的现象。原因：由于D值增大，使培养基在罐内的停留时间太短，导致微生物繁殖的机会减少。发生冲溃现象的稀释率DwDw是生产中稀释率的使用极限，生产中的Dp应小于DwS，x 与细胞产率P和D之间的关系①当D趋向于0，则S趋向于0，X最大，为YS0。②当D«µm, µm-D≈µm,该阶段随着D增大，S线性增大，而X线性下降。③当D趋向于µm, S急剧增加，X则以相同的函数急减。④当D趋向于Dw时，冲溃的发生。
细胞的最大产量若生产的目的是细胞本身：如单细胞蛋白，得到最大细胞产量是人们所希望的。在连续培养系统中，在单位体积的发酵罐内的细胞产量P当dP/dD=0时,细胞产量P为最大值
例题：设µm=1.0 (h-1：Y=0.5,Ks=0.2(g/L),S0=10(g/L),若D=0.5(h-1),求µ,s 和x, 并计算Dw, DM和PM
分批培养与连续培养的产量比较
连续培养的细胞产量高于分批培养：同时产品质量和产量稳定，但其对生产管理要求严格，以及菌种的退化和污染问题是限制其广泛应用的因素
具有细胞循环的单级连续培养：将流出液中的细胞通过沉降或离心的方法加以浓缩，送回反应器中循环使用。*对反应器，对细胞物料衡算
在稳态条件下，培养基x0=0：及D=F/V,则上式可写成μ=[1-α(c-1)]D其中，c >1，为浓缩因子，α >0，为循环比，所以[1-α(c-1)]小于1，μ小于D, 具有细胞循环的连续反应器，μ取决于D,c和α。*对限制性营养物质作衡算
*x, s D之间的关系μ=[1-α：(c-1)]D
由此可见：具有细胞循环的简单连续系统比无循环系统提高了生产能力，而且提高了系统的稳定性，反应器可在高于细胞比生长速率的稀释率下操作，广泛用于废水的生化处理。
多级连续培养前一反应器的出料为后一反应器：的进料/部分进料。此操作方式可以解决不同生产阶段有不同生产要求的矛盾，同时解决快速生长和营养物质充分利用之间的矛盾。对于代谢产物如青霉素，其菌体生长的最佳温度为30°C, 而产青霉素的最佳生产温度为20°C，在单级反应中无法兼顾，而采用双罐联续培养，可以解决了上述问题。在单级培养中，从发酵罐中排出的料液所含的营养物的浓度必须足够低，Monod方程可知，s低，会导致μ减小。采用多级罐串联使问题解决。
对第一个罐物料衡算D1=：μ1对第二个罐物料衡算二个罐物料停留的总时间对第一/二个罐细胞浓度，单罐时底物浓度与双罐时的第二个罐内浓度相同，因而有μ=μ2
已知μ=0.5(min-1：Ks=0.3(g/L),S0=50(g/L),S1=5(g/L), S2=0.2(g/L),求采用单、双级连续反应器的所需的时间τ对于单罐，μ=D, τ=1/D,采用单罐时S=S2,对于双罐，μ1=D1, τ1=1/D1, 应用Monod方程，解出：μ1等于0.47，μ2为0.2
解得：τ2=0.48 (h)τ1=2.1：3, 总时间τ=2.61 (h)τs=1/μs=5 (h)
6.1.3 分批补料培养法：又称流加。介于分批与连续培养之间的一种模式。由Yoshide1973提出。此模式进料连续或按一定的规律，出料则在一定的时间排除部分料液。为不稳定的过程。◆分批补料的计算
消除快速利用碳源后：造成的阻遏效应，维持罐内良好的需氧发酵条件。避免培养基中某些成分的毒害作用。生产酵母培养基中含有麦芽汁过多，开始导致细胞的过速增长，同时细胞对氧气的需求大于设备提供的能力，是培养系统成为厌氧条件，是酵母产生乙醇，导致抑制细胞的生长，成为阻遏效应。同理，面包酵母如果添加葡萄糖超过某一值时，也会产生此效应。青霉菌发酵生产青霉素，要求精确的控制葡萄糖的补入速率。生长期是葡萄糖的含量适宜。而在生产期控制补料速率，使青霉素的合成速率达到高值。另一方面，产物前提物的添加，有利于产量的提高，担当此物质对细胞的生长有毒害作用使，应采用缓慢的加料方式，如苯乙酸钠。
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