本科課件發(fā)酵工程

本科課件發(fā)酵工程,本科課件,發(fā)酵工程,本科,課件,發(fā)酵,工程 第三章第三章 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模式和發(fā)酵發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模式和發(fā)酵 培養(yǎng)方法培養(yǎng)方法第一節(jié)第一節(jié)微生物反應(yīng)過(guò)程概論微生物反應(yīng)過(guò)程概論一、微生物反應(yīng)過(guò)程的主要特征微生物是該反應(yīng)過(guò)程的主體：是生物催化劑，又是一微小的反應(yīng)容器。微生物反應(yīng)的本質(zhì)是復(fù)雜的酶催化反應(yīng)體系。酶能夠進(jìn)行再生產(chǎn)。微生物反應(yīng)是非常復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程微生物反應(yīng)是非常復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程（1）反應(yīng)體系中有細(xì)胞的生長(zhǎng)，基質(zhì)消耗和產(chǎn)物的生成，有各自的最佳反應(yīng)條件。（2）微生物反應(yīng)有多種代謝途徑。（3）微生物反應(yīng)過(guò)程中，細(xì)胞形態(tài)、組成要經(jīng)歷生長(zhǎng)、繁殖、維持、死亡等若干階段，不同菌齡，有不同的活性。二、微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的描述方法二、微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的描述方法細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)代謝產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)發(fā)酵過(guò)程：包括細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)，胞內(nèi)與胞外的物質(zhì)交換，胞外物質(zhì)傳遞及反應(yīng)。發(fā)酵過(guò)程特點(diǎn)發(fā)酵過(guò)程特點(diǎn)多相：氣相、液相和固相多組分：培養(yǎng)基中多種營(yíng)養(yǎng)成分，多種代謝產(chǎn)物，細(xì)胞內(nèi)也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。非線性：細(xì)胞代謝過(guò)程用非線性方程描述。復(fù)雜群體的生命活動(dòng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)描述的簡(jiǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)描述的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)是對(duì)細(xì)胞群體的動(dòng)力學(xué)行為的描述不考慮細(xì)胞之間的差別，而是取性質(zhì)上的平均值，在此基礎(chǔ)上建立的模型稱為確定論模型，如果考試每個(gè)細(xì)胞之間的差別，則建立的模型為概率論模型。如果在考慮細(xì)胞組成變化的基礎(chǔ)上建立的模型，稱為結(jié)構(gòu)模型，一般選取RNA、DNA、糖類及蛋白含量做為過(guò)程變量。菌體視為單組分的模型為非結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)物料平衡建立超經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)模型。如果細(xì)胞內(nèi)的各種成分均以相同的比例增加，稱為均衡生長(zhǎng)。如果由于各組分的合成速率不同而使各組分增加比例不同，稱為非均衡生長(zhǎng)。生長(zhǎng)模型的簡(jiǎn)化考慮一般采用均衡生長(zhǎng)的非結(jié)構(gòu)模型。將細(xì)胞作為與培養(yǎng)液分離的生物相處理所建立的模型為分離化模型。在細(xì)胞濃度很高時(shí)采用。如果把細(xì)胞和培養(yǎng)液視為一相，建立的模型為均一化模型。非結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型確定論模型最理想情況不考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)各種細(xì)胞均一細(xì)胞群體做為一種溶質(zhì)A細(xì)胞之間無(wú)差異，是均一的，細(xì)胞內(nèi)有多個(gè)組分存在。B均衡生長(zhǎng)概率論模型不考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)各種細(xì)胞不均一C實(shí)際情況：細(xì)胞內(nèi)多組分；細(xì)胞之間不均一D均衡生長(zhǎng)對(duì)細(xì)胞群體的描述模型發(fā)酵動(dòng)力學(xué)中常用的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)中常用的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)1得率(或產(chǎn)率，轉(zhuǎn)化率，Y)：包括生長(zhǎng)得率(Yx/s)和產(chǎn)物得率(Yp/s)。得率：是指被消耗的物質(zhì)和所合成產(chǎn)物之間的量的關(guān)系。生長(zhǎng)得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)(一般 指 碳 源)所 產(chǎn) 生 的 菌 體 重(g)，即Yx/s=X/S。產(chǎn)物得率：是指每消耗1g(或mo1)基質(zhì)所合成的產(chǎn)物g數(shù)(或mol數(shù))。這里消耗的基質(zhì)是指被微生物實(shí)際利用掉的基質(zhì)數(shù)量，即投入的基數(shù)減去殘留的基質(zhì)量(S。-S)。轉(zhuǎn)化率：往往是指投入的原料與合成產(chǎn)物數(shù)量之比。提高微生物生長(zhǎng)得率的措施提高微生物生長(zhǎng)得率的措施首先，要篩選優(yōu)良的菌種，其本身就應(yīng)具備高的生長(zhǎng)得率。其二，要選擇合適的培養(yǎng)基配方，提供略微過(guò)量的其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使碳源成為最終的限制性物質(zhì)。其三，還須選擇和控制合適的培養(yǎng)條件，使得微生物的代謝按所需方向進(jìn)行。另外，在發(fā)酵的操作過(guò)程中要盡量防止雜菌污染。2基質(zhì)比消耗速率(qs，g(或mo1)g菌體h)：系指每克菌體在一小時(shí)內(nèi)消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量。它表示細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用的速率或效率。在比較不同微生物的發(fā)酵效率上這個(gè)參數(shù)很有用。3產(chǎn)物比生產(chǎn)速率(qp，g(或mo1)g菌體h)：系指每克菌體在一小時(shí)內(nèi)合成產(chǎn)物的量，它表示細(xì)胞合成產(chǎn)物的速度或能力，可以作為判斷微生物合成代謝產(chǎn)物的效率。4發(fā)酵周期：實(shí)驗(yàn)周期是指接種開始至培養(yǎng)結(jié)束放罐這段時(shí)間。但在工業(yè)生產(chǎn)上計(jì)算勞動(dòng)生產(chǎn)率時(shí)則還應(yīng)把發(fā)酵罐的清洗、投料、滅菌、冷卻等輔助時(shí)間也計(jì)算在內(nèi)。即從第一罐接種經(jīng)發(fā)酵結(jié)束至第二次接種為止這段時(shí)間為一個(gè)發(fā)酵周期，這樣才能正確反映發(fā)酵設(shè)備的利用效率。工業(yè)發(fā)酵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)工業(yè)發(fā)酵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一、容量產(chǎn)率和產(chǎn)物形成的比速率容量產(chǎn)率指的是單位時(shí)間內(nèi)單位反應(yīng)器容積的產(chǎn)物。計(jì)算產(chǎn)率時(shí)，不僅應(yīng)把合成產(chǎn)物所用時(shí)間考慮進(jìn)去，還應(yīng)計(jì)入與生產(chǎn)相關(guān)的其他時(shí)間，即發(fā)酵罐的維修、清洗、準(zhǔn)備所用時(shí)間，滅菌時(shí)間，以及接種后的延滯期時(shí)間，這樣才能全面、客觀地評(píng)估出工藝過(guò)程的成本效益。分批發(fā)酵的容量產(chǎn)率產(chǎn)物形成曲線的切線表示的是最大容量產(chǎn)率；連接原點(diǎn)和產(chǎn)物形成曲線終點(diǎn)的連線其斜率表示的是總的平均容量產(chǎn)率。研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的步驟研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的步驟1.為了獲得發(fā)酵過(guò)程變化的第一手資料，要盡可能尋找能反映過(guò)程變化的各種理化參數(shù)。2.將各種參數(shù)變化和現(xiàn)象與發(fā)酵代謝規(guī)律聯(lián)系起來(lái)，找出它們之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律。3.建立各種數(shù)學(xué)模型以描述各參數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系。4.通過(guò)計(jì)算機(jī)的在線控制，反復(fù)驗(yàn)證各種模型的可行性與適用范圍。發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要包括：細(xì)胞生長(zhǎng)和死亡動(dòng)力學(xué)，基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)，氧消耗動(dòng)力學(xué)，CO2生成動(dòng)力學(xué)，產(chǎn)物合成和降解動(dòng)力學(xué)，代謝熱生成動(dòng)力學(xué)等。以上各方面不是孤立的，而是既相互依賴又相互制約，構(gòu)成錯(cuò)綜復(fù)雜、豐富多彩的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)體系。過(guò)程控制和監(jiān)測(cè)SugarconsumptionpHTemperatureFermentationtime(h)AgitationCellDryWeightProduct發(fā)酵動(dòng)力學(xué)內(nèi)容及目的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)內(nèi)容及目的發(fā)發(fā)酵酵動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)：是研究發(fā)酵過(guò)程中菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動(dòng)態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。研研究究?jī)?nèi)內(nèi)容容：包括了解發(fā)酵過(guò)程中菌體生長(zhǎng)速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生成速率的相互關(guān)系，環(huán)境因素對(duì)三者的影響，以及影響其反應(yīng)速度的條件。研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的目的研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的目的（1）確定最佳發(fā)酵工藝條件（2）建立發(fā)酵過(guò)程中菌體濃度、基質(zhì)濃度、溫度、pH、溶氧等工藝參數(shù)的控制方案（3）可在此研究基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)選。發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的作用發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的作用要進(jìn)行合理的發(fā)酵過(guò)程設(shè)計(jì)，必須以發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型作為依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)外正利用電子計(jì)算機(jī)，根據(jù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型來(lái)設(shè)計(jì)程序，模擬最優(yōu)化的工藝流程和發(fā)酵工藝參數(shù)，從而使生產(chǎn)控制達(dá)到最優(yōu)化。發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究正在為試驗(yàn)工廠數(shù)據(jù)的放大、為分批發(fā)酵過(guò)渡到連續(xù)發(fā)酵提供理論依據(jù)。第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)分類發(fā)酵動(dòng)力學(xué)分類一、根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成一、根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成有否偶聯(lián)進(jìn)行分類有否偶聯(lián)進(jìn)行分類細(xì)胞濃度(x)或產(chǎn)物濃度對(duì)時(shí)間作圖時(shí)，兩者密切平行，其最大的比生長(zhǎng)速率和最大的產(chǎn)物合成比速率出現(xiàn)在同一時(shí)刻。一般來(lái)說(shuō)在這種類型的發(fā)酵生產(chǎn)中，控制好最佳生長(zhǎng)條件就可獲得產(chǎn)物合成的最適條件。1生長(zhǎng)產(chǎn)物合成偶聯(lián)型：也稱型。這種發(fā)酵類型的特點(diǎn)是：微生物的生長(zhǎng)和糖的利用與產(chǎn)物合成直接相關(guān)連。產(chǎn)物的形成與生長(zhǎng)是平行的。產(chǎn)物合成速度與微生物生長(zhǎng)速度呈線性關(guān)系，而且生長(zhǎng)與營(yíng)養(yǎng)物的消耗成準(zhǔn)定量關(guān)系。這種類型的產(chǎn)物主要是葡萄糖代謝的初級(jí)中間產(chǎn)物，如乙醇發(fā)酵就屬于此類型。2生產(chǎn)與產(chǎn)物合成非偶聯(lián)類型：多數(shù)次生代謝產(chǎn)物的發(fā)酵屬這種類型，如各種抗生素和微生物毒素等物質(zhì)的生產(chǎn)速率很難與生長(zhǎng)相聯(lián)系。產(chǎn)物合成速度與碳源利用也不存在定量關(guān)系。一般產(chǎn)物的合成是在菌體的濃度接近或達(dá)到最高之后才開始的，此時(shí)比生長(zhǎng)速率已不處于最高速率。3生長(zhǎng)產(chǎn)物合成半偶聯(lián)類型：亦稱型。它是介于生長(zhǎng)產(chǎn)物合成偶聯(lián)型與生長(zhǎng)產(chǎn)物合成非偶聯(lián)之間的中間類型，產(chǎn)物的合成存在著與生長(zhǎng)相聯(lián)和不相聯(lián)兩個(gè)部分。該類型的動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物合成比速率的最高時(shí)刻要遲于比生長(zhǎng)速率最高時(shí)刻的到來(lái)。二、二、根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗根據(jù)產(chǎn)物形成與基質(zhì)消耗的關(guān)系分類的關(guān)系分類(1)類型產(chǎn)物的形成直接與基質(zhì)(糖類)的消耗有關(guān)，這是一種產(chǎn)物合成與利用糖類有化學(xué)計(jì)量關(guān)系的發(fā)酵，糖提供了生長(zhǎng)所需的能量。糖耗速度與產(chǎn)物合成速度的變化是平行的，如利用酵母菌的酒精發(fā)酵和酵母菌的好氣生長(zhǎng)。在厭氧條件下，酵母菌生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成是平行的過(guò)程；在通氣條件下培養(yǎng)酵母時(shí)，底物消耗的速度和菌體細(xì)胞合成的速度是平行的。這種形式也叫做有生長(zhǎng)聯(lián)系的培養(yǎng)。(2)類型產(chǎn)物的形成間接與基質(zhì)(糖類)的消耗有關(guān)，例如檸檬酸、谷氨酸發(fā)酵等。即微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成是分開的，糖分既供應(yīng)生長(zhǎng)所需能量，又充作產(chǎn)物合成的碳源。但在發(fā)酵過(guò)程中有兩個(gè)時(shí)期對(duì)糖的利用最為迅速，一個(gè)是最高生長(zhǎng)時(shí)期，另一個(gè)是最大產(chǎn)物合成時(shí)期。如在用黑曲霉生產(chǎn)檸檬酸的過(guò)程中，發(fā)酵早期糖被用于滿足菌體生長(zhǎng)，直到其他營(yíng)養(yǎng)成分耗盡為止；然后代謝進(jìn)入使檸檬酸積累的階段，產(chǎn)物積累的數(shù)量與利用糖分?jǐn)?shù)量有關(guān)，這一過(guò)程僅得到少量的能量。(3)類型 產(chǎn)物的形成顯然與基質(zhì)(糖類)的消耗無(wú)關(guān)，例如青霉素、鏈霉素等抗生素發(fā)酵。即產(chǎn)物是微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物，其特征是產(chǎn)物合成與利用碳源無(wú)準(zhǔn)量關(guān)系。產(chǎn)物合成在菌體生長(zhǎng)停止及底物被消耗完以后才開始。此種培養(yǎng)類型也叫做無(wú)生長(zhǎng)聯(lián)系的培養(yǎng)。三、三、根據(jù)反應(yīng)形式分類根據(jù)反應(yīng)形式分類(1)簡(jiǎn)單反應(yīng)型營(yíng)養(yǎng)成分以固定的化學(xué)量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，沒(méi)有中間物積聚。又可分為有生長(zhǎng)偶聯(lián)和無(wú)生長(zhǎng)偶聯(lián)兩類。(2)并行反應(yīng)型營(yíng)養(yǎng)成分以不定的化學(xué)量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生一種以上的產(chǎn)物，而且這些產(chǎn)物的生成速率隨營(yíng)養(yǎng)成分的濃度而異，同時(shí)沒(méi)有中間物積聚。(4)分段反應(yīng)型其營(yíng)養(yǎng)成分在轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物之前全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g物，或營(yíng)養(yǎng)成分以優(yōu)先順序選擇性地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。反應(yīng)過(guò)程是由兩個(gè)簡(jiǎn)單反應(yīng)段組成，這兩段反應(yīng)由酶誘導(dǎo)調(diào)節(jié)。(5)復(fù)合型大多數(shù)發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)聯(lián)合反應(yīng)，它們的聯(lián)合可能相當(dāng)復(fù)雜。(3)串聯(lián)反應(yīng)型是指在形成產(chǎn)物之前積累一定程度的中間物的反應(yīng)。第三節(jié)第三節(jié)微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)微生物培養(yǎng)過(guò)程根據(jù)培養(yǎng)條件要求分為好氧培養(yǎng)和厭氧培養(yǎng)。好氧發(fā)酵有液體表面培養(yǎng)，在多孔或顆粒狀固體培養(yǎng)基表面上培養(yǎng)和通氧深層培養(yǎng)幾種方法。厭氧發(fā)酵采用不通氧的深層培養(yǎng)。無(wú)論好氧與厭氧發(fā)酵都可以通過(guò)深層培養(yǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種培養(yǎng)均在具有一定徑高比的圓柱形發(fā)酵罐內(nèi)完成。(1)分批式操作底物一次裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后將全部反應(yīng)系取出。(2)半分批式操作也稱流加式操作。是指先將一定量底物裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種使反應(yīng)開始。反應(yīng)過(guò)程中，將特定的限制性底物送入反應(yīng)器，以控制罐內(nèi)限制性底物濃度保持一定，反應(yīng)終止取出反應(yīng)系。(3)反復(fù)分批式操作分批操作完成后取出部分反應(yīng)系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作進(jìn)行。(4)反復(fù)半分批式操作 流加操作完成后，取出部分反應(yīng)系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作進(jìn)行。(5)連續(xù)式操作 反應(yīng)開始后，一方面把底物連續(xù)地供給到反應(yīng)器中，另一方面又把反應(yīng)液連續(xù)不斷地取出，使反應(yīng)條件不隨時(shí)間變化。一一、分批發(fā)酵法分批發(fā)酵法發(fā)酵工業(yè)中常見(jiàn)的分批方法是采用單罐深層培養(yǎng)法，每一個(gè)分批發(fā)酵過(guò)程都經(jīng)歷接種，生長(zhǎng)繁殖，菌體衰老進(jìn)而結(jié)束發(fā)酵，最終提取出產(chǎn)物。這一過(guò)程中在某些培養(yǎng)液的條件支配下，微生物經(jīng)歷著由生到死的一系列變化階段，在各個(gè)變化的進(jìn)程中都受到菌體本身特性的制約，也受周圍環(huán)境的影響。分批發(fā)酵的特點(diǎn)分批發(fā)酵的特點(diǎn)微生物所處的環(huán)境是不斷變化的可進(jìn)行少量多品種的發(fā)酵生產(chǎn)發(fā)生雜菌污染能夠很容易終止操作.當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化或需要生產(chǎn)新產(chǎn)品時(shí)，易改變處理對(duì)策對(duì)原料組成要求較粗放分批培養(yǎng)過(guò)程中細(xì)菌生長(zhǎng)曲線：可分為調(diào)整期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、平衡期和衰亡期四個(gè)階段。研究細(xì)胞的代謝和遺傳宜采用生長(zhǎng)最旺盛的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞。在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，使用的種子應(yīng)處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，把它們接種到發(fā)酵罐新鮮培養(yǎng)基時(shí)，幾乎不出現(xiàn)調(diào)整期，這樣可在短時(shí)間內(nèi)獲得大量生長(zhǎng)旺盛的菌體，有利于縮短生產(chǎn)周期。在研究和生產(chǎn)中，時(shí)常需要延長(zhǎng)細(xì)胞對(duì)數(shù)生長(zhǎng)階段。分批培養(yǎng)條件下微生物的生長(zhǎng)曲線(一一)延滯期延滯期把微生物從一種培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)接到另一培養(yǎng)基的最初一段時(shí)間里，盡管微生物細(xì)胞的重量有所增加，但細(xì)胞的數(shù)量沒(méi)有增加。這段時(shí)間稱之為延滯期。延滯期延滯期細(xì)胞特點(diǎn)：細(xì)胞特點(diǎn)：細(xì)胞本身面臨著一系列的變化，如PH值的改變、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給增加等。因而，延滯期的微生物主要是適應(yīng)新的環(huán)境，讓細(xì)胞內(nèi)部對(duì)新環(huán)境作出充分反應(yīng)和調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)新的環(huán)境。從生理學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，延滯期是活躍地進(jìn)行生物合成的時(shí)期。微生物細(xì)胞將釋放必需的輔助因子，合成出適應(yīng)新環(huán)境的酶系，為將來(lái)的增殖作準(zhǔn)備。延滯期長(zhǎng)短的因素延滯期長(zhǎng)短的因素接種材料的生理狀態(tài)，如果接種物正處于指數(shù)生長(zhǎng)期，則延滯期可能根本就不出現(xiàn)，微生物在新的培養(yǎng)基中迅速開始生長(zhǎng)繁殖，如果接種物在原培養(yǎng)基中已將營(yíng)養(yǎng)成分消耗殆盡，則要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)適應(yīng)新培養(yǎng)基。培養(yǎng)基的組成和培養(yǎng)條件也可影響延滯期的長(zhǎng)短。接種物的濃度對(duì)延滯期長(zhǎng)短也有一定影響，加大接種濃度可相應(yīng)縮短延滯期。延滯期長(zhǎng)短對(duì)發(fā)酵結(jié)果的影響延滯期長(zhǎng)短對(duì)發(fā)酵結(jié)果的影響種子培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件必須合適，只有這樣才能獲得高的產(chǎn)量。接種后延滯期的長(zhǎng)短關(guān)系到發(fā)酵周期的長(zhǎng)短，而與產(chǎn)物形成速率和產(chǎn)率并無(wú)必然聯(lián)系。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為縮短發(fā)酵周期、提高設(shè)備利用宰、提高體積生產(chǎn)率，就必須盡可能地縮短延滯期。解決途徑：一是盡量選擇處于指數(shù)生長(zhǎng)期的種子；二是擴(kuò)大接種量。但是，如果要擴(kuò)大接種量，又往往需要多級(jí)擴(kuò)大制種，這不僅增加了發(fā)酵的復(fù)雜程度，又容易造成雜菌污染，故而應(yīng)從多方面考慮。(二二)指數(shù)生長(zhǎng)期指數(shù)生長(zhǎng)期對(duì)細(xì)菌、酵母等單細(xì)胞微生物來(lái)講，單位時(shí)間內(nèi)其細(xì)胞數(shù)目將成倍增加。而對(duì)于絲狀微生物而言，單位時(shí)間內(nèi)其生物量將加倍。此時(shí)，如以細(xì)胞數(shù)目或生物量的對(duì)數(shù)對(duì)時(shí)間作一對(duì)數(shù)圖，將得一直線，因而這一時(shí)期稱作指數(shù)生長(zhǎng)期。指數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞特點(diǎn)指數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞特點(diǎn)細(xì)胞保持均恒生長(zhǎng)。不斷吸收培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分以合成自身物質(zhì)，并不斷向培養(yǎng)基中分泌代謝產(chǎn)物。由于此時(shí)培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)過(guò)量，且積累的代謝產(chǎn)物尚不足以抑制微生物本身的生長(zhǎng)繁殖，因而微生物的生長(zhǎng)速率不受這些因素的影響，而僅與微生物本身的比生長(zhǎng)速率及發(fā)酵液中的生物量濃度X(g/L)相關(guān)。對(duì)于單細(xì)胞的微生物來(lái)說(shuō)，還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為N培養(yǎng)基中的細(xì)胞密度。對(duì)于特定的微生物而言，其比生長(zhǎng)速率只與三個(gè)因素有關(guān)。限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度、最大比生長(zhǎng)速率m、底物相關(guān)常數(shù)Ks。假定營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞后，立即被利用而不積累，則存在以下關(guān)系式：Ks一一底物相關(guān)常效，為為1/2m時(shí)限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度。如果各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均大大過(guò)量的話，則=m，這時(shí)便是指數(shù)生長(zhǎng)期。也就是說(shuō)，處于指數(shù)生長(zhǎng)期的微生物,其生長(zhǎng)繁殖不受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的限制，因而具有最大比生長(zhǎng)速率。如果發(fā)酵的目的是為了獲得微生物菌體的話，則應(yīng)盡量設(shè)法維持指數(shù)生長(zhǎng)期。微生物的最大比生長(zhǎng)速率在工業(yè)上的意義微生物的最大比生長(zhǎng)速率在工業(yè)上的意義為保證工業(yè)發(fā)酵的正常周期，要盡可能地使微生物的比生長(zhǎng)速率接近其最大值。最大比生長(zhǎng)速率不僅與微生物本身的性質(zhì)有關(guān)，也與所消耗的底物以及培養(yǎng)的方式有關(guān)。限制微生物生長(zhǎng)代謝的并不是發(fā)酵液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度，而是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的速度。(三三)穩(wěn)定期穩(wěn)定期在細(xì)胞生長(zhǎng)代謝過(guò)程中，培養(yǎng)基中的底物不斷被消耗，一些對(duì)微生物生長(zhǎng)代謝有害的物質(zhì)在不斷積累。受此影響，微生物的生長(zhǎng)速率和比生長(zhǎng)速率就會(huì)逐漸下降，直至完全停止，這時(shí)就進(jìn)入穩(wěn)定期。處于穩(wěn)定期的生物量增加十分緩慢或基本不變；但微生物細(xì)胞的代謝還在旺盛地進(jìn)行著，細(xì)胞的組成物質(zhì)還在不斷變化。此時(shí)，有的細(xì)胞開始老化、裂解，形成芽孢，并向培養(yǎng)基中釋放出新的碳水化合物和蛋白質(zhì)等，這些物質(zhì)可以用來(lái)維持生存下來(lái)的細(xì)胞的緩慢生長(zhǎng)。微生物的很多代謝產(chǎn)物，尤其是次級(jí)代謝產(chǎn)物，是在進(jìn)入穩(wěn)定期后才大量合成和分泌的。當(dāng)微生物賴以生存的培養(yǎng)基中存在多種營(yíng)養(yǎng) 物質(zhì)時(shí)，微生物將優(yōu)先利用其易于代謝的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，至其耗用完時(shí)，降解利用其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的酶才能誘導(dǎo)合成或解除抑制。(四四)死亡期死亡期在死亡期，細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能源儲(chǔ)備已消耗殆盡，不能再維持細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝，因而細(xì)胞開始死亡。這時(shí)，以生存細(xì)胞的數(shù)目的對(duì)數(shù)對(duì)時(shí)間作半對(duì)數(shù)圖，可得一直線，這說(shuō)明微生物細(xì)胞的死亡呈指數(shù)比率增加。在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中在進(jìn)入死亡期之前應(yīng)及時(shí)將發(fā)酵液放罐處理。分批發(fā)酵產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)分批發(fā)酵產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)(一)生產(chǎn)連動(dòng)型產(chǎn)物形成(I型發(fā)酵)生產(chǎn)連動(dòng)型產(chǎn)物通常都直接涉及微生物的產(chǎn)能降解代謝途徑，或是正常的中間代謝產(chǎn)物。酵母發(fā)酵生成酒精，以及葡萄糖酸和大部分氨基酸、單細(xì)胞蛋白都屬于這種類型。在這種類型的發(fā)酵中，微生物的生長(zhǎng)、碳水化合物的降解代謝和產(chǎn)物的形成幾乎是平行進(jìn)行的，營(yíng)養(yǎng)期和分化期彼此不分開。分批生物工藝中各種比速率(生長(zhǎng)速率、基質(zhì)消耗qk和產(chǎn)物形成qp)之間關(guān)系的圖示生產(chǎn)連動(dòng)型生產(chǎn)連動(dòng)型產(chǎn)物的生成反應(yīng)可表示如下：生產(chǎn)連動(dòng)型產(chǎn)物的合成速率與微生物的比生長(zhǎng)速率以及培養(yǎng)基中的菌體濃度呈正比。產(chǎn)物形成的比速率則與微生物的比生長(zhǎng)速率呈正比。所以，對(duì)于這種類型的產(chǎn)物來(lái)說(shuō)，調(diào)整發(fā)酵工藝參數(shù)，使微生物保持高的比生長(zhǎng)速率，對(duì)于快速獲得產(chǎn)物、縮短發(fā)酵周期十分有利。(二)部分生長(zhǎng)連動(dòng)型產(chǎn)物形成(II型發(fā)酵)部分生長(zhǎng)連動(dòng)型產(chǎn)物又稱混合型產(chǎn)物，它們通常都間接地與微生物的初級(jí)產(chǎn)能代謝途徑相關(guān)，是由產(chǎn)能代謝派生的代謝途徑產(chǎn)生的。其生成反應(yīng)可表示為；檸檬酸、衣糠酸、乳酸和部分氨基酸為這種類型產(chǎn)物的典型代表。在分批發(fā)酵中，這種類型產(chǎn)物的形成分成兩個(gè)極限：起初，微生物消耗大量底物用于產(chǎn)能代謝和生長(zhǎng)，而產(chǎn)物形成很緩饅，甚至根本不形成；此后，當(dāng)微生物的生長(zhǎng)速率開始減慢后，細(xì)胞開始大量消耗底物以合成產(chǎn)物。對(duì)這類產(chǎn)物來(lái)說(shuō)，營(yíng)養(yǎng)期和分化期在時(shí)間上是彼此分開的。分批生物工藝中各種比速率分批生物工藝中各種比速率(生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)速率、基質(zhì)消耗基質(zhì)消耗qk和產(chǎn)物形成和產(chǎn)物形成qp)之間關(guān)系的圖示之間關(guān)系的圖示(b)部分生長(zhǎng)連動(dòng)型部分生長(zhǎng)連動(dòng)型產(chǎn)物的形成只與發(fā)酵被中的菌體濃度有關(guān)，而微生物的生長(zhǎng)速率對(duì)它無(wú)直接影響。對(duì)于這一類型發(fā)酵，只要能保證獲得足夠高濃度的生物量，就可以獲得高速率的產(chǎn)物合成。(三三)非生長(zhǎng)連動(dòng)型產(chǎn)物形成非生長(zhǎng)連動(dòng)型產(chǎn)物形成(型發(fā)型發(fā)酸酸)非生長(zhǎng)連動(dòng)型的產(chǎn)物一般不是直接或間接來(lái)自微生物的產(chǎn)能降解代謝，而是通過(guò)兩用代謝途徑合成的。在這一類型的發(fā)酵中，起初是微生物的初級(jí)代謝和菌體生長(zhǎng)，而沒(méi)有產(chǎn)物的合成。此時(shí)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗非常大。當(dāng)培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗盡、微生物的生長(zhǎng)停止以后，產(chǎn)物才開始通過(guò)中間代謝大量合成。即產(chǎn)生該類產(chǎn)物的微生物，其營(yíng)養(yǎng)期和分化期在時(shí)間上是完全分開的。非生產(chǎn)連動(dòng)型的產(chǎn)物大多數(shù)是微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物，大多數(shù)的抗生素和生物毒素，以及維生素類。分批生物工藝中各種比速率(生長(zhǎng)速率、基質(zhì)消耗qk和產(chǎn)物形成qp)之間關(guān)系的圖示c)非生長(zhǎng)連動(dòng)型二、分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)二、分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)在傳統(tǒng)的分批培養(yǎng)發(fā)酵工藝中，所有的物料都是在發(fā)酵開始前加入反應(yīng)器中的。一般來(lái)說(shuō)，微生物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度并不十分高，往往在10Ks以上時(shí)就可達(dá)到最大比生長(zhǎng)速率。在此基礎(chǔ)上，即使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)濃度再進(jìn)一步提高，比生長(zhǎng)速率也不會(huì)再增加了。然而，在分批發(fā)酵工藝中，低濃度培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)迅速耗盡，引起微生物過(guò)早地從指數(shù)生長(zhǎng)期向穩(wěn)定期轉(zhuǎn)變，這樣，設(shè)備的利用率和產(chǎn)物的積累濃度都不高。高高底物濃度的缺點(diǎn)底物濃度的缺點(diǎn)提高底物濃度可以延長(zhǎng)微生物的指數(shù)生長(zhǎng)期，從而提高發(fā)酵的設(shè)備利用率、容積產(chǎn)量和產(chǎn)物的積累濃度；但過(guò)高的底物濃度往往會(huì)引起一系列的不利影響，如底物抑制、粘度升高引起的傳質(zhì)效率降低等。尤為嚴(yán)重的是，微生物的許多次級(jí)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，都受高濃度的葡萄糖、碳水化合物以及含氮化合物的降解產(chǎn)物的抑制。所謂分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)，就是指在分批培養(yǎng)伊始，投入較低濃度的底物，然后在發(fā)酵過(guò)程中，當(dāng)微生物開始消耗底物后，再以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)加一定的物料，使培養(yǎng)基中的底物濃度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在一定范圍內(nèi)，以維持微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成，并避免不利因素的產(chǎn)生，從而達(dá)到提高容積產(chǎn)量、產(chǎn)物濃度和產(chǎn)物得率的目的。分批補(bǔ)料培養(yǎng)特點(diǎn)分批補(bǔ)料培養(yǎng)特點(diǎn)分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)是介于分批培養(yǎng)相連續(xù)培養(yǎng)之間的一種發(fā)酵技術(shù)。由于在發(fā)酵過(guò)程中向發(fā)酵罐中補(bǔ)加了物料，分批補(bǔ)料系統(tǒng)不再是一個(gè)封閉的系統(tǒng)。分批補(bǔ)料系統(tǒng)并不連續(xù)地向罐外放出發(fā)酵液，因而發(fā)酵罐內(nèi)的培養(yǎng)基體積不再是個(gè)常數(shù)，而是隨時(shí)間和物料流速而變化的變量。補(bǔ)料分批發(fā)酵法補(bǔ)料分批發(fā)酵法與傳統(tǒng)分批發(fā)酵相比，其優(yōu)點(diǎn)在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點(diǎn)為：可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不致于加劇供氧的矛盾。避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物。適用范圍：補(bǔ)料分批發(fā)酵廣泛應(yīng)用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有機(jī)酸及高聚物等的生產(chǎn)。四、連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)四、連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)與在密閉系統(tǒng)中進(jìn)行的分批培養(yǎng)相反，連續(xù)培養(yǎng)是在開放系統(tǒng)中進(jìn)行的。所謂連續(xù)培養(yǎng)，是指以一定的速率向發(fā)酵液中添加新鮮培養(yǎng)基的同時(shí)，以相同的速率流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定不變，使培養(yǎng)物在近似恒定狀態(tài)下生長(zhǎng)的培養(yǎng)方法。(三三)連續(xù)發(fā)酵法連續(xù)發(fā)酵法從系統(tǒng)外部予以調(diào)整，使菌體維持在衡定生長(zhǎng)速度下進(jìn)行連續(xù)生長(zhǎng)和發(fā)酵。要維持這一衡定的速度，必須使發(fā)酵罐中發(fā)酵液的稀釋度，恰恰等于該微生物的生長(zhǎng)速度。大大提高了發(fā)酵的生長(zhǎng)效率和設(shè)備利用率。恒定狀態(tài)可以有效地延長(zhǎng)分批培養(yǎng)中的指數(shù)生長(zhǎng)期。在恒定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件，如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度、產(chǎn)物濃度、pH值，以及微生物細(xì)胞的濃度、比生長(zhǎng)速率等可以始終維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)速率。連續(xù)培養(yǎng)的工藝種類連續(xù)培養(yǎng)的工藝種類 1均勻混合的生物反應(yīng)器 在這種反應(yīng)器中，培養(yǎng)基經(jīng)攪拌而混合均勻，反應(yīng)器中的各部分培養(yǎng)基間不存在濃度梯度。這種連續(xù)培養(yǎng)裝置又可進(jìn)一步分為恒化器和恒濁器兩種。(1)恒化器是一種設(shè)法使培養(yǎng)液流速保持不變，并使微生物始終在低于其最高生長(zhǎng)速率條件下進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖的一種連續(xù)培養(yǎng)裝置。這是一種通過(guò)控制某一種營(yíng)養(yǎng)物的濃度，使其始終成為生長(zhǎng)限制因子的條件下達(dá)到的，因而可稱為外控制式的連續(xù)培養(yǎng)裝置。在恒化器中，一方面菌體密度會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增高，另一方面，限制生長(zhǎng)因子的濃度又會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，兩者互相作用的結(jié)果，出現(xiàn)微生物的生長(zhǎng)速率正好與恒速流入的新鮮培養(yǎng)基流速相平衡。這樣，既可獲得一定生長(zhǎng)速率的均一菌體，又可獲得雖低于最高菌體產(chǎn)量，卻能保持穩(wěn)定菌體密度的菌體。(2)恒濁器 是根據(jù)培養(yǎng)器內(nèi)微生物的生長(zhǎng)密度，并借光電控制系統(tǒng)來(lái)控制培養(yǎng)液流速，以取得菌體密度高、生長(zhǎng)速度恒定的微生物細(xì)胞的連續(xù)培養(yǎng)器。在這一系統(tǒng)中，當(dāng)培養(yǎng)基的流速低于微生物生長(zhǎng)速度時(shí)，菌體密度增高，這時(shí)通過(guò)光電控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，可促使培養(yǎng)液流速加快，反之亦然，并以此來(lái)達(dá)到恒密度的目的。因此，這類培養(yǎng)器的工作精度是由光電控制系統(tǒng)的靈敏度來(lái)決定的。在恒濁器中的微生物，始終能以最高生長(zhǎng)速率進(jìn)行生長(zhǎng)，并可在允許范圍內(nèi)控制不同的菌體密度。在生產(chǎn)實(shí)踐上，為了獲得大量菌體或與菌體生長(zhǎng)相平行的某些代謝產(chǎn)物如乳酸、乙醇時(shí)，都可以利用恒濁器。在恒濁器中，微生物可維持該培養(yǎng)在分批培養(yǎng)時(shí)達(dá)到的最大生長(zhǎng)速率。一般來(lái)說(shuō)，恒濁器較難控制，目前大多數(shù)研究工作者都利用恒化器進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)的研究。群體生長(zhǎng)速率與臨界底物濃度的關(guān)系 2，活塞流反應(yīng)器這是一種不均一的管狀反應(yīng)器，培養(yǎng)基由反應(yīng)器的一端流入，而從另一端流出。在這種反應(yīng)器中，沒(méi)有返混現(xiàn)象，因而，反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基呈極化狀態(tài)，在其不同的部位，營(yíng)養(yǎng)物的成分、細(xì)胞數(shù)目、傳質(zhì)效果、氧供應(yīng)和生產(chǎn)量都不相同。對(duì)于這類反應(yīng)器，在其入口處，加入物料的同時(shí)也必須加入微生物細(xì)胞。通常是在反應(yīng)器的出口處裝一支路，使細(xì)胞返回，也可以來(lái)自另一連續(xù)培養(yǎng)裝置(種子供應(yīng)系統(tǒng))。恒化器(A)、恒濁器(B)和活塞流反應(yīng)器(c)中的連續(xù)發(fā)酵另外，這種反應(yīng)器常用于固定化菌和固定化細(xì)胞所催化的反應(yīng)，這時(shí)就無(wú)需再在進(jìn)料口處加入催化劑。連續(xù)培養(yǎng)在生產(chǎn)上的應(yīng)用還很有限的原因許多方法只能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)20一200小時(shí)，而工業(yè)系統(tǒng)則要求必須能穩(wěn)定運(yùn)行500一1000小時(shí)以上；工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間保持無(wú)菌狀態(tài)有一定困難；連續(xù)培養(yǎng)所用培養(yǎng)基的組成要保持相對(duì)穩(wěn)定，這樣才能取得最大產(chǎn)量，而工業(yè)培養(yǎng)基的組成成分，如玉米漿、蛋白胨和淀粉等，在批與批之間有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大變化；當(dāng)使用高產(chǎn)菌株進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，回復(fù)突變可能發(fā)生。在連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中，回復(fù)突變的菌株有可能會(huì)取代生產(chǎn)菌株而成為優(yōu)勢(shì)菌株。連續(xù)發(fā)酵分類連續(xù)發(fā)酵分類開放式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)：?jiǎn)喂蘧鶆蚧?合連續(xù)發(fā)酵、多罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵、管道非均勻混合連續(xù)發(fā)酵、塔式非均勻混合連續(xù)發(fā)酵封閉式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)：連續(xù)發(fā)酵類型連續(xù)發(fā)酵類型類型開放式(菌體取出)封閉式(菌體不取出)單罐多罐單罐多罐均勻混合非循環(huán)攪拌發(fā)酵罐攪拌罐(串聯(lián))透析膜培養(yǎng)循環(huán)攪拌發(fā)酵罐(菌體部分重復(fù)使用)攪拌罐串聯(lián)(菌體部分重復(fù)使用)攪拌發(fā)酵罐(菌體100重復(fù)使用)攪拌發(fā)酵罐串 聯(lián)(菌 體100重復(fù)使用)非均勻混合非循環(huán)管道發(fā)酵器塔式發(fā)酵罐塔式發(fā)酵罐裝有隔板的管道發(fā)酵器(臥式、立式)塔式發(fā)酵罐(菌體100重復(fù)使用)塔式發(fā)酵罐(菌 體 100重復(fù)使用)循環(huán)管道發(fā)酵器塔式發(fā)酵罐(菌體部分重復(fù)使用)塔式發(fā)酵罐裝有隔板的管道發(fā)酵器(菌體部分重復(fù)使用)管道發(fā)酵器(菌體100重復(fù)使用)塔式發(fā)酵罐裝有隔板的管 道(菌 體100重復(fù)使用)1開放式連續(xù)發(fā)酵開放式連續(xù)發(fā)酵 在開放式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)中，培養(yǎng)系統(tǒng)中的微生物細(xì)胞隨著發(fā)酵液的流出而一起流出，細(xì)胞流出速度等于新細(xì)胞形成速度。因此在這種情況下，可使細(xì)胞濃度處于某種穩(wěn)定狀態(tài)。另外，最后流出的發(fā)酵液如部分返回(反饋)發(fā)酵罐進(jìn)行重復(fù)使用，則該裝置叫做循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)酵液不重復(fù)使用的裝置叫做不循環(huán)系統(tǒng)。(1)單罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵：培養(yǎng)液以一定的流速不斷地流加到帶機(jī)械攪拌的發(fā)酵罐中，與罐內(nèi)發(fā)酵液充分混合，同時(shí)帶有細(xì)胞和產(chǎn)物的發(fā)酵液又以同樣流速連續(xù)流出。如果用一個(gè)裝置將流出的發(fā)酵液中部分細(xì)胞返回發(fā)酵罐，就構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)。(2)多罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵：將若干攪拌發(fā)酵罐串聯(lián)起來(lái)，就構(gòu)成多罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵裝置。新鮮培養(yǎng)液不斷流人第一只發(fā)酵罐，發(fā)酵液以同樣流速依次流人下一只發(fā)酵罐，在最后一只罐中流出。多級(jí)連續(xù)發(fā)酵可以在每個(gè)罐中控制不同的環(huán)境條件以滿足微生物生長(zhǎng)各階段的不同需要，并能使培養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)成分得到較充分的利用，最后流出的發(fā)酵液中細(xì)胞和產(chǎn)物的濃度較高，所以是最經(jīng)濟(jì)的連續(xù)方法。(3)管道非均勻混合連續(xù)發(fā)酵：管道的形式有多種，如直線形、S形、蛇形管等。培養(yǎng)液和從種子罐來(lái)的種子不斷流入管道發(fā)酵器內(nèi)，使微生物在其中生長(zhǎng)。這種連續(xù)發(fā)酵的方法主要用于厭氧發(fā)酵。如在管道中用隔板加以分隔，每一個(gè)分隔等于一臺(tái)發(fā)酵罐，就相當(dāng)于多罐串聯(lián)的連續(xù)發(fā)酵。(4)塔式非均勻混合連續(xù)發(fā)酵：塔式發(fā)酵罐有兩種：一種是用多孔板將其分隔成若干室，每個(gè)室等于一臺(tái)發(fā)酵罐，這樣一臺(tái)多孔板塔式發(fā)酵罐就相當(dāng)于一組多級(jí)串聯(lián)的連續(xù)發(fā)酵裝置。另一種是在罐內(nèi)裝設(shè)填充物，使菌體在上面生長(zhǎng)，這種形式仍然屬于單罐式。2封閉式連續(xù)發(fā)酵封閉式連續(xù)發(fā)酵在封閉式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)中，運(yùn)用某種方法使細(xì)胞一直保持在培養(yǎng)器內(nèi)，并使其數(shù)量不斷增加。這種條件下，某些限制因素在培養(yǎng)器中發(fā)生變化，最后大部分細(xì)胞死亡。因此在這種系統(tǒng)中，不可能維持穩(wěn)定狀態(tài)。封閉式連續(xù)發(fā)酵可以用開放式連續(xù)發(fā)酵設(shè)備加以改裝，只要使全部菌體重新循環(huán)使用。另一種方法是采用間隔物或填充物置于設(shè)備內(nèi)，使菌體在上面生長(zhǎng)，發(fā)酵液流出時(shí)不帶細(xì)胞或所帶細(xì)胞極少。透析膜連續(xù)發(fā)酵是一個(gè)新方法，它是采用一種具有微孔的有機(jī)膜將發(fā)酵設(shè)備分隔，這種膜只能通過(guò)發(fā)酵產(chǎn)物，而不能通過(guò)菌體細(xì)胞。將培養(yǎng)液連續(xù)流加到發(fā)酵設(shè)備的具有菌體的間隔中，微生物的代謝產(chǎn)物就通過(guò)透析膜連續(xù)不斷地從另一間隔流出。在一些發(fā)酵過(guò)程中，當(dāng)發(fā)酵液中代謝產(chǎn)物積累到一定程度時(shí)就會(huì)抑制它的繼續(xù)積累，而采用透析膜發(fā)酵的方法可使代謝產(chǎn)物不斷透析出去，發(fā)酵液中留下不多，因而可以提高產(chǎn)品得率。單級(jí)連續(xù)發(fā)酵的設(shè)計(jì)原則單級(jí)連續(xù)發(fā)酵的設(shè)計(jì)原則對(duì)于正確設(shè)計(jì)一種連續(xù)發(fā)酵方案，重要的是選擇適宜的稀釋度D，為此必須了解產(chǎn)率Yx/s，生長(zhǎng)比速率，最大比生長(zhǎng)速率m、飽和常數(shù)Ks、產(chǎn)物形成速率以及營(yíng)養(yǎng)消耗速率等。如何決定最合適的D值，具有很大經(jīng)濟(jì)意義，它不僅和產(chǎn)量曲線(DX)有關(guān)，而且還應(yīng)考慮原料的類型、價(jià)格、產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值等方面。連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)1.有利于縮短發(fā)酵周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。連續(xù)發(fā)酵減少分批發(fā)酵中的清洗、投料、消毒等輔助時(shí)間，大大縮短發(fā)酵周期和提高設(shè)備利用率。同時(shí)連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程始終使細(xì)胞生長(zhǎng)處于最高生長(zhǎng)繁殖狀態(tài)，因此可明顯提高生產(chǎn)效率，特別是對(duì)生產(chǎn)周期短的產(chǎn)品，效果更為顯著。2.連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程比較穩(wěn)定、均衡，各項(xiàng)參數(shù)也較恒定，便于自動(dòng)化控制，品質(zhì)量穩(wěn)定。3.由于連續(xù)發(fā)酵采用管道化和自動(dòng)化生產(chǎn)，明顯降低勞動(dòng)強(qiáng)度。雖然取Dm時(shí)的稀釋度可以獲得最大的產(chǎn)量，但因稀釋度較高，流出液中未被利用的營(yíng)養(yǎng)物也較多，當(dāng)原料價(jià)格較貴時(shí)，為充分利用基質(zhì)，應(yīng)適當(dāng)降低D值。如果產(chǎn)品有較大經(jīng)濟(jì)效益，則可采用接近Dm時(shí)的稀釋度。連續(xù)發(fā)酵存在的問(wèn)題連續(xù)發(fā)酵存在的問(wèn)題 特別是以中間代謝產(chǎn)物為發(fā)酵產(chǎn)品的發(fā)酵，在理論和實(shí)踐上都沒(méi)有完全解決，如發(fā)酵過(guò)程中微生物生理生化特性變化，發(fā)酵動(dòng)力學(xué)等并未充分了解。在生產(chǎn)上要保持在連續(xù)發(fā)酵的整個(gè)過(guò)程中，生產(chǎn)菌株不發(fā)生退化也十分不容易。長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)發(fā)酵中對(duì)發(fā)酵設(shè)備和空氣凈化系統(tǒng)的無(wú)菌要求更高。不能保持長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)菌操作是導(dǎo)致連續(xù)發(fā)酵失敗的主要原因。對(duì)于某些原材料價(jià)格昂貴的產(chǎn)品，由于連續(xù)發(fā)酵對(duì)基質(zhì)利用率較低，往往造成生產(chǎn)成本的增加。連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)高效，它簡(jiǎn)化了裝料、滅菌、出料、清洗發(fā)酵罐等許多單元操作，從而減少了非生產(chǎn)時(shí)間和提高了設(shè)備的利用率；自控，便于利用各種儀表進(jìn)行自動(dòng)控制；產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定；生長(zhǎng)與代謝產(chǎn)物形成的兩種類型節(jié)約了大量動(dòng)力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、電的負(fù)荷均勻合理。連續(xù)發(fā)酵缺點(diǎn)連續(xù)發(fā)酵缺點(diǎn)菌種易于退化。其次是易遭雜菌污染。所謂“連續(xù)”是有時(shí)間限制的，一般可達(dá)數(shù)月至一、二年。在連續(xù)培養(yǎng)中，營(yíng)養(yǎng)物的利用率一般亦低于單批培養(yǎng)。連續(xù)發(fā)酵的應(yīng)用連續(xù)發(fā)酵的應(yīng)用 采用連續(xù)發(fā)酵的方法可以有效地提高產(chǎn)量，但是也存在著某些較難克服的困難，因此目前僅在些比較簡(jiǎn)單的發(fā)酵產(chǎn)品中應(yīng)用，如酵母，單細(xì)胞蛋白，酒精發(fā)酵、丙酮乙醇、石油脫蠟、活性污泥廢水處理等。其余產(chǎn)品的連續(xù)發(fā)酵尚未工業(yè)化生產(chǎn)。