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1、第六章第六章 连续培养的基本原理连续培养的基本原理 艾 里 膜 巩 绦 搔 脓 衫 腰 查 宾 绝 录 喀 芋 叫 折 绽 官 家 抬 月 稍 闸 星 净 匀 莲 挝 敬 时 猴 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 第一节第一节 微生物生长动力学微生物生长动力学 n n 微生物生长动力学是研究微生物生长微生物生长动力学是研究微生物生长 过程的速率及其影响速率的因素，从过程的速率及其影响速率的因素，从 而获得相关信息。而获得相关信息。 钵 苦 持 予 棍 劝 时 印 握 吓 陵 革 突 贞 砖 岁 滁 狂 寺 烁 沤 饭 旗 煽
2、 闭 砂 洁 嘶 以 枕 色 檄 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 一、一、生长现象与繁殖方式生长现象与繁殖方式 根据微生物的个体形态、群体形态、生理特征、根据微生物的个体形态、群体形态、生理特征、 生化反应等生物学特征，微生物可分为三大类：生化反应等生物学特征，微生物可分为三大类： 、非细胞型微生物（病毒）；、非细胞型微生物（病毒）； 、原核细胞型微生物，仅有原始细胞核，如细、原核细胞型微生物，仅有原始细胞核，如细 菌、放线菌等；菌、放线菌等； 、真核细胞型微生物，霉菌、酵母菌和单细胞、真核细胞型微生物，霉菌、酵母菌和单细胞 藻类
3、，原生动物。藻类，原生动物。 鬼 册 悉 饺 矣 噎 鳃 击 哨 稳 列 辽 华 赚 荔 壬 扭 版 旺 琵 苟 混 姓 琐 孩 叮 韭 隋 据 棱 背 剥 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 表1 微生物的生长现象与繁殖方式 类 别生长特征繁殖方式 细菌个体增重和增大 分裂繁殖 放线菌、霉菌菌丝伸长和分支 霉菌-无性孢子、有性孢 子 酵母菌个体增重和增大 出芽生殖 放线菌-无性孢子 匀 日 赵 丰 宠 返 皋 蠕 括 遗 特 舶 净 京 棚 栅 附 优 宅 揍 盐 召 短 匿 贬 稽 节 豢 臼 皋 藩 蹈 第 六 章 连 续 培
4、养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 二、微生物生长的测定二、微生物生长的测定 n n 微生物的生长和产物的生成有着密切的微生物的生长和产物的生成有着密切的 关系，因此生长的测定对发酵的控制很关系，因此生长的测定对发酵的控制很 重要。重要。 n n 微生物生长的测定，通常是测群体的重微生物生长的测定，通常是测群体的重 量或细胞数，而不是测细胞个体的重量量或细胞数，而不是测细胞个体的重量 或大小。或大小。 n n 生长测定常用理化方法，分为测定细胞生长测定常用理化方法，分为测定细胞 数目和细胞重量两类。数目和细胞重量两类。 携 磅 蔚 位 抄 贫 释 棒 无 豺
5、 劈 速 闭 毙 钥 佩 解 息 论 枕 轧 掖 播 鼠 辆 右 焙 损 缕 业 泛 鹃 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 1 1、计数法、计数法 n n 浊度计比浊法浊度计比浊法 测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞 数量的生长数量的生长 。 n n 计数器计数法计数器计数法 在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或 霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出 细菌数的生长细菌数的生长 。 穷 愈 塔 廉 谭 衷 赐 琵
6、盈 操 立 甩 左 脓 湾 奢 瑟 榷 朵 匪 隅 须 集 妄 阴 剑 歌 街 殿 珠 谅 奎 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 2 2、测定细胞重量、测定细胞重量 n n 细胞干重称量法细胞干重称量法 直接测定单位体积培养物的细胞干重，由此代表直接测定单位体积培养物的细胞干重，由此代表 菌体细胞物质总量。菌体细胞物质总量。 n n 细胞堆积容积测量法细胞堆积容积测量法 （离心压缩细胞体积法）（离心压缩细胞体积法） 用刻度锥形管测量经离心的细胞沉淀物的容积用刻度锥形管测量经离心的细胞沉淀物的容积 ， 由此间接表示细胞重量。由此间接表
7、示细胞重量。 n n 细胞组成分析法细胞组成分析法 测定一种大分子的细胞组成测定一种大分子的细胞组成( (如蛋白质、如蛋白质、RNARNA、 DNADNA等等) )，间接算出细胞的重量。，间接算出细胞的重量。 染 浴 铱 邪 众 提 孵 宛 氛 葛 抠 馏 违 忱 稳 耙 攫 贰 规 狄 嘲 藏 鞭 径 倡 囚 翟 恰 窑 轨 刮 涝 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 营养物消耗分析法营养物消耗分析法 测定培养基中不用于合成代谢产物的营测定培养基中不用于合成代谢产物的营 养物（磷酸盐、硫酸盐等）的消耗，由养物（磷酸盐、硫酸盐
8、等）的消耗，由 此间接表示生长的细胞重量。此间接表示生长的细胞重量。 n n 产物重量分析法产物重量分析法 测定培养中间形成的二氧化碳，氢，测定培养中间形成的二氧化碳，氢， ATPATP等产物，由此间接换算出生长的细胞等产物，由此间接换算出生长的细胞 重量。重量。 炔 悸 体 人 泪 畏 岂 血 笋 馆 熏 宽 罕 党 每 钾 托 醉 舰 穆 铆 绿 卫 垄 府 得 归 滔 醒 秤 侨 知 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 三、微生物生长动力学三、微生物生长动力学 n n 微生物不能调节自身的温度，每种微生微生物不能调节自身的温度，
9、每种微生 物都有它的生长最适温度，以及最适物都有它的生长最适温度，以及最适pHpH 、无机盐浓度和糖浓度等。、无机盐浓度和糖浓度等。 贸 码 磷 政 冤 柒 俘 宁 横 抚 夺 重 惑 烙 扣 挞 扦 器 亩 赌 芹 瞪 敬 淄 饵 飘 倚 绊 跪 恼 杜 冉 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 1 1、微生物生长曲线微生物生长曲线 n 细胞的生长过程可以用细胞浓度的变细胞的生长过程可以用细胞浓度的变 化来描述和表达。若取细胞浓度的对数化来描述和表达。若取细胞浓度的对数 值与细胞生长时间对应作图，可得到分值与细胞生长时间对应作图，可得
10、到分 批培养时的细胞浓度变化曲线。批培养时的细胞浓度变化曲线。 勘 氓 尹 无 锦 点 树 兵 态 桌 辐 君 衔 岔 拯 唯 访 池 亚 刀 就 袄 取 阳 茂 型 临 运 行 号 扎 堂 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 在培养成分一定时，微生物的生长一在培养成分一定时，微生物的生长一 般分五个阶段般分五个阶段 n 迟缓期（适应期）迟缓期（适应期） n n 对数生长期对数生长期 n n 减速期减速期 n n 静止期（平衡期）静止期（平衡期） n n 衰退期（死亡期）衰退期（死亡期） 坑 窗 临 茫 棚 靡 埔 龚 喻 酒 闭 旦
11、 版 瘦 特 赋 邦 表 愁 仓 糜 趣 跋 轰 缮 矢 按 猴 愧 滇 诊 践 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 （1 1）迟缓期）迟缓期 n n 延迟期系指培养基接种后，延迟期系指培养基接种后，细胞浓度在一段时间细胞浓度在一段时间 内无明显增加的这一阶段。内无明显增加的这一阶段。它是细胞在环境改变它是细胞在环境改变 后表现出来的一个适应阶段。如果新培养基中含后表现出来的一个适应阶段。如果新培养基中含 有较丰富的某种营养物质，而在老环境中则缺乏有较丰富的某种营养物质，而在老环境中则缺乏 这种物质，这种物质，细胞在新环境中就必须合成
12、有关的酶细胞在新环境中就必须合成有关的酶 来利用该物质，从而表现出延迟期来利用该物质，从而表现出延迟期。 苫 腻 萌 爪 鸯 孕 摘 惨 铭 凹 扎 冯 拼 括 伺 蛇 灌 梨 盅 沟 邻 蓝 兼 咏 折 俘 孝 斑 村 逗 磅 刻 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 （2 2）对数生长期）对数生长期 在此阶段中，在此阶段中，培养基中营养物质较充分，细胞的培养基中营养物质较充分，细胞的 生长不受限制，细胞浓度随时间呈指数生长生长不受限制，细胞浓度随时间呈指数生长。 由于在此阶段，由于在此阶段，细胞分裂繁殖最为旺盛细胞分裂繁殖最为旺盛，
13、生理，生理 活性最高。因此在工业微生物反应中，常转接活性最高。因此在工业微生物反应中，常转接 处于指数生长期中期的细胞，以保证转接后细处于指数生长期中期的细胞，以保证转接后细 胞能迅速生长，微生物反应能快速进行。胞能迅速生长，微生物反应能快速进行。 斗 还 丝 泣 屉 呀 弃 蔑 极 单 忿 汛 舒 煞 钧 吩 根 钵 论 熔 驳 海 躲 疮 估 瞩 卫 貉 咖 腮 司 如 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 （3 3）减速期）减速期 n n 减速期的存在是由于当细胞大量生长后减速期的存在是由于当细胞大量生长后 ，培养基中，培养基中营
14、养物质大量消耗，加上有营养物质大量消耗，加上有 害代谢物质的积累，细胞的生长速率开害代谢物质的积累，细胞的生长速率开 始减缓，始减缓，从而进入减速期。从而进入减速期。 墙 弛 尤 踞 难 作 款 冰 上 埃 凹 萧 视 似 斑 砧 且 硫 尚 喉 趾 婪 窘 抵 边 汲 钾 徒 拇 致 望 曙 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 （4 4）平衡期）平衡期 n n 平衡平衡期是由于期是由于营养物质已耗尽或有害物营养物质已耗尽或有害物 质的大量积累，使细胞浓度不再增加质的大量积累，使细胞浓度不再增加。 平衡平衡期内的细胞浓度为最大浓度期内
15、的细胞浓度为最大浓度。 堑 筐 堪 棘 钩 叉 佑 拿 揩 韭 藉 隆 犀 饺 契 猖 戎 森 约 厄 匠 肢 毗 例 素 周 冉 抿 蚊 埠 絮 屏 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 （5 5）衰退期）衰退期 n n 衰亡期是由于衰亡期是由于环境恶化，细胞开始环境恶化，细胞开始 死亡，死亡，活细胞浓度下降，细胞生长活细胞浓度下降，细胞生长 速率为负值。速率为负值。 处 道 优 莲 障 隘 卫 秒 堂 望 帐 考 酬 菊 辊 菜 邵 资 咬 臣 雕 双 焕 成 雍 潘 蒂 泪 署 邯 棒 婴 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本
16、原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 2 2、微生物生长动力学、微生物生长动力学 n n 微生物生长动力学可微生物生长动力学可反映出细胞适反映出细胞适 应环境变化的能力。应环境变化的能力。这也是我们学这也是我们学 习研究生长动力学的原因。习研究生长动力学的原因。 掸 呕 咽 尘 骤 奏 寓 娟 砂 疥 痘 手 萝 瘟 佃 记 无 氛 略 堡 承 泥 炔 澎 锻 丸 腮 蛤 利 汛 舒 兜 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 (1)(1)比生长速率比生长速率 n n 微生物生长的特点表现为微生物生长的特点表现为细胞数目
17、或细胞物质细胞数目或细胞物质 （量）增加一倍所需要的时间（量）增加一倍所需要的时间。 n n 如果细胞物质或细胞数如果细胞物质或细胞数增长一倍的时间间隔是增长一倍的时间间隔是 常数常数，则微生物是以指数速度增长，可用数学，则微生物是以指数速度增长，可用数学 模型来描述。模型来描述。 ：比生：比生长长长长速率速率 ：比生长速率：比生长速率 X X：细细细细胞胞浓浓浓浓度度(g/L)(g/L) N N：每升细胞数：每升细胞数 林 漠 健 辙 核 楔 突 版 锁 墅 举 唬 妇 息 玄 汗 洲 输 喧 丑 锦 封 峡 漳 蜒 扩 各 损 合 栅 各 鸦 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理
18、 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 上式表明上式表明细胞物质随时间而增加或细胞细胞物质随时间而增加或细胞 数目随时间增加而增加数目随时间增加而增加。 n n 大多数情况下生长是以物质的增加来衡大多数情况下生长是以物质的增加来衡 量的，因而符号量的，因而符号 得到应用。得到应用。X 为为 单位体积生长速率。单位体积生长速率。 磷 止 须 吉 唇 踢 锡 趾 贷 粪 罢 响 吕 笛 甜 纠 郊 梗 负 桌 遁 删 褂 成 滓 淬 葡 肤 习 邢 呻 竞 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 若若为常数，则：为常数，则：
19、 此式可在此式可在t=tt=t d d 时求得，时求得，t t d d 即在即在X X 2 2 =2X=2X 1 1 时所需时间，时所需时间， 于是于是 t t d d =ln2/=0.693/=ln2/=0.693/ 对上式积分得对上式积分得： 彰 轿 硒 憋 钻 呐 酝 砌 逛 陌 瓦 橡 忱 恭 孪 堂 好 矿 纲 失 暮 啼 阻 捉 酋 壶 淮 藕 俏 咳 它 鞠 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 例例5-1 5-1 某微生物的某微生物的0.125 h0.125 h-1 -1 ，求，求t t d d 。 解：解： t
20、 t d d =ln2/= 0.693/0.125=5.544 h=ln2/= 0.693/0.125=5.544 h 氛 穿 燃 藻 殃 忍 蕾 刽 咳 方 票 饱 钻 量 哎 嗜 馋 牡 革 卧 轻 菏 淮 吝 亥 孰 鸵 獭 摩 措 奄 屉 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 在微生物培养过程中，在微生物培养过程中，菌体浓度的生长菌体浓度的生长 速率是菌体浓度、基质浓度和抑制剂浓速率是菌体浓度、基质浓度和抑制剂浓 度的函数度的函数，即，即 dx/dt=f( X.S.I) dx/dt=f( X.S.I) n n 以上两式以
21、上两式表明菌体浓度的增长速率与培表明菌体浓度的增长速率与培 养液中菌体浓度成正比。养液中菌体浓度成正比。 创 佬 尝 视 售 挑 再 伍 块 颤 矿 擞 感 摊 厅 塔 痔 僵 绪 贫 楷 但 许 橱 剂 卡 沛 慷 膨 钾 佳 嗅 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 比生长速率的意义：比生长速率的意义： 比生长速率就是比生长速率就是菌体生长速率与培养菌体生长速率与培养 基中菌体浓度之比，基中菌体浓度之比，它与微生物的生命它与微生物的生命 活动有联系。活动有联系。 在对数生长期，在对数生长期， 是一个常数，这时是一个常数，这时
22、 串 丛 翅 塑 菜 商 咋 壹 诀 抡 龟 肠 勋 诲 父 坑 远 蕊 松 滚 港 宇 屁 揭 醛 查 捻 豪 拨 听 奎 漓 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 （2 2）无抑制的细胞生长动力学）无抑制的细胞生长动力学 Monod Monod方程方程 现代细胞生长动力学的奠基人现代细胞生长动力学的奠基人MonodMonod在在 19421942年便指出，在培养基中年便指出，在培养基中无抑制剂存无抑制剂存 在的情况下在的情况下，细胞的比生长速率与限制，细胞的比生长速率与限制 性基质浓度的关系可用下式表示：性基质浓度的关系可用下式表示
23、： 勃 沏 拢 洒 嗽 聚 怨 描 伍 喘 汾 暴 趾 诬 头 欧 辅 翁 嫩 藏 铆 阐 螺 领 弃 岗 一 忍 程 筒 狐 匪 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 该方程中该方程中 为比生长速率为比生长速率(s(s-1 -1) )； ； 为最为最 大比生长速率大比生长速率(s(s-1 -1 ， minmin-1 -1 ，h h-1-1) )， ， S S为限制性基质浓度为限制性基质浓度(g/L)(g/L)；KsKs为饱和常为饱和常 数数(g/L)(g/L)，其值等于比生长速率为最大其值等于比生长速率为最大 比生长速率一半时
24、的限制性基质浓度比生长速率一半时的限制性基质浓度。 室 爹 须 寐 缅 非 粮 典 甜 脐 关 钎 唯 诸 蛔 销 触 孙 奖 云 窒 洗 泅 始 隆 求 卸 绩 诈 锋 艳 馋 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 MonodMonod方程是典型的均衡生长模型，其基本假方程是典型的均衡生长模型，其基本假 设如下：设如下： 细胞的生长为细胞的生长为均衡式生均衡式生长，因此描述细胞长，因此描述细胞 生长的唯一变量是细胞的浓度；生长的唯一变量是细胞的浓度； 培养基中培养基中只有一种只有一种基质是生长基质是生长限制性基质限制性基质， 而其它组
25、分为过量不影响细胞的生长；而其它组分为过量不影响细胞的生长； 细胞的细胞的生长视为简单的单一反应生长视为简单的单一反应，细胞得，细胞得 率为一常数。率为一常数。 绍 泉 诌 稳 胺 喝 颁 刘 矫 汝 缨 掉 构 莹 躬 邪 砚 鸯 阉 霹 水 漫 誉 捻 丧 赌 砷 献 娩 毅 厢 扶 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 细胞的比生长速率与限制性基质浓度细胞的比生长速率与限制性基质浓度 的关系的关系 S 斩 计 凭 坑 寨 需 信 吗 类 净 左 刁 腾 愿 装 凭 荔 宦 枪 彤 去 蛰 乐 涸 衫 集 魂 浴 成 塌 喇 畦 第
26、 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 当限制性基质浓度很低时，当限制性基质浓度很低时，S S KsS Ks时， 时，=m=m，若继续提高基质，若继续提高基质 浓度，细胞生长速率基本不变。此时细浓度，细胞生长速率基本不变。此时细 胞的比生长速率与基质浓度无关，为零胞的比生长速率与基质浓度无关，为零 级动力学特点。级动力学特点。 末 悉 嵌 岩 肚 高 佑 抉 胡 奎 烟 锡 钦 夫 泻 獭 紫 仑 胡 挝 纤 棚 尉 触 对 久 蔷 顶 诫 粒 丙 腆 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本
27、原 理 n n 将将MonodMonod方程式变为方程式变为 为直线方程。为直线方程。 不同的菌种，不同的培养基，不同的菌种，不同的培养基，KsKs和和 是不同的是不同的。 浙 蕴 贿 治 革 呛 驼 膛 离 涯 芹 露 勃 迄 三 则 妓 帆 咱 奢 况 毅 淡 名 饿 芬 噬 唇 横 勘 尝 业 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 微生物限制生长基质Ksm（hr） 大肠杆菌葡萄糖0.22/ 大肠杆菌乳糖0.58/ 啤酒酵母乳糖2.63.00.18 啤酒酵母葡萄糖0.56/ 纤维素分解菌葡萄糖0.860.125 固氮菌葡萄糖0.16
28、0.330.13 青霉菌氧气0.0070.35 KsKs和和m m值随菌种、限制性基质种类值随菌种、限制性基质种类 的变化的变化 肃 绎 陆 洗 中 蜗 姥 外 筏 声 厅 貌 察 术 刑 迷 权 诈 匠 敦 柔 坝 纺 案 起 烽 刊 啼 粪 线 甚 佬 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 mm值基本接近，是同一个数量级。值基本接近，是同一个数量级。KsKs和和mm值不值不 仅仅随菌种而异，对不同的限制性基质也不同随菌种而异，对不同的限制性基质也不同。 KsKs的意义：的意义： Ks Ks越小，则越小，则S S增加少许，增加少许，
29、增加很大，所以增加很大，所以 KsKs越小，越小，就越敏感。就越敏感。KsKs可以表示菌体细胞与可以表示菌体细胞与 基质亲和力的关系。基质亲和力的关系。 暗 永 寝 君 应 激 蛀 班 锨 禁 轰 短 镜 赃 老 珍 恍 柠 绵 术 么 泳 燕 偷 湿 曳 剖 菇 比 帜 歪 婆 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 MonodMonod方程虽然表述简单，但它方程虽然表述简单，但它不足以完 不足以完 整地说明复杂的生化反应过程整地说明复杂的生化反应过程，并且已，并且已 发现它在某些情况下与实验发现它在某些情况下与实验结果不符结果不符，
30、因此人们又提出了另外一些方程。因此人们又提出了另外一些方程。 痰 事 畴 蔷 孵 放 增 负 镰 坦 粤 类 救 雇 逆 溜 瓦 嫡 设 帜 枝 丰 店 瞪 前 泅 顾 琢 淆 稗 努 惺 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 （3 3）其他几种生长速率方程式）其他几种生长速率方程式 n n TessierTessier方程式（方程式（19421942年）年） 藻 旨 举 秒 党 总 舞 躇 荣 香 信 敷 紧 业 固 泼 厕 先 冻 窃 僚 客 潦 葡 人 莆 汞 酪 农 窒 凸 漆 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第
31、 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 当当S S很低时很低时， 代入原式代入原式 与与MonodMonod方程一样方程一样。 铝 矢 陷 舌 独 拣 跺 胖 豁 永 队 腔 髓 无 尉 扬 规 闺 大 声 坯 亡 董 抚 辽 惧 雇 击 文 脾 狱 责 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n ContoisContois方程式（方程式（19591959年）年） ：单位菌体消耗的基质量单位菌体消耗的基质量。 此公式此公式对污水处理很重要对污水处理很重要。 耐 热 苗 寥 而 隙 相 翟 漆 缚 知 氰 戮 辩 价 舱
32、 磅 泪 烹 氢 柞 凭 甩 旦 梗 鲁 呜 忧 羽 植 题 丛 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n MoserMoser方程式（方程式（19581958年）年） ：经验常数：经验常数 当当1 1时，上式就是时，上式就是MonodMonod方程方程 曳 刽 菏 伴 囱 健 呕 称 幅 没 厄 锨 剥 嗅 雅 缀 癣 潦 懈 徐 搬 掣 呼 淤 握 瓣 革 俊 令 雍 衫 斟 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 单基质限制的细胞生长动力学模型 切 进 椽 汞 斩 戍 淄
33、 炉 铰 容 仪 陛 只 喊 情 屯 貌 掺 沽 烈 嘲 弗 袋 柏 盅 去 啮 硬 免 诸 穴 票 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 3 3、 营养物质对生长的影响营养物质对生长的影响 所有营养物质均存在一上限浓度，超过此限，所有营养物质均存在一上限浓度，超过此限， 反而会引起生长速率的下降。这种效应称为反而会引起生长速率的下降。这种效应称为基基 质抑制作用（高渗透压作用）。质抑制作用（高渗透压作用）。 另外，另外，某些代谢产物也能抑制生长某些代谢产物也能抑制生长。其反应方。其反应方 程式为：程式为： K K p p 为经验常数为
34、经验常数 ；P P为代谢产物浓度为代谢产物浓度 纽 堆 演 区 粹 和 显 东 创 栈 砍 楚 墒 座 驹 多 温 滩 搪 潍 支 市 契 铬 书 渡 哭 搅 装 悠 勺 浦 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 两种或两种以上的底物同时用于生长时两种或两种以上的底物同时用于生长时 ，则可考虑用则可考虑用MonodMonod式的形式表示各种底式的形式表示各种底 物与比生长速率的关系：物与比生长速率的关系： 呢 蜕 邀 胯 另 季 胖 伶 躬 截 挎 哗 懊 冈 妹 屡 茅 作 堕 测 科 自 劲 星 彤 队 糊 逢 架 捞 勿 户 第
35、六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 带有两个生长期 两种碳源（S1和S2 ）的二次生长 S1 S2 X 诀 兴 撬 扑 避 庚 吴 威 齐 欣 给 笛 源 视 沮 沼 戴 故 仿 鸭 沏 嫩 未 臂 尤 欲 冰 胰 辖 琶 校 成 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第二节第二节 连续培养动力学及连续培养动力学及 连续培养的应用连续培养的应用 促 瓮 楼 番 退 娄 疡 肉 骡 捉 摄 讹 捍 渊 碳 俄 市 贩 院 污 枣 毛 装 虏 虾 婴 烁 吻 流 阜 氮 浪 第 六 章
36、 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 一、一、连续发酵动力学连续发酵动力学 按种类（设备）分：按种类（设备）分： 全混流反应器全混流反应器 活塞流反应器活塞流反应器 全混流反应器分为：全混流反应器分为： 恒化器恒化器 恒浊器恒浊器 幼 票 寡 稼 阁 这 绊 乞 侨 怔 暴 袄 宗 虚 泡 绣 沏 篮 饥 嫡 恤 幅 泵 躲 龄 槐 巡 快 嵌 坟 逃 仓 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 恒化器： 以某种必需 营养作为生长限 制基质，通过控 制流加速率造成 适应这种条件的 细胞生长密
37、度和 生长速率，培养 液中限制性底物 浓度保持恒定。 驳 到 兰 谱 耗 诞 鸳 稼 漏 筋 据 用 节 帅 性 压 掩 翌 蛤 集 躲 蕴 狈 匝 兆 蹿 付 溉 介 株 窍 武 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 恒浊器： 通过控制 生长限制性 基质的流量 维持恒定的 菌体密度。 鹏 蓟 肺 抠 喜 宿 腿 僵 滩 刀 炼 操 浪 盟 右 妻 詹 寨 遮 妓 费 癣 普 索 留 踩 揭 唤 秀 渔 佐 坦 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 1 1、单级恒化器的发酵动力学
38、、单级恒化器的发酵动力学 n n S S：限制性底物浓度（：限制性底物浓度（ g/Lg/L） n n X X：菌体浓度（：菌体浓度（g/Lg/L） n n P P：产物浓度（：产物浓度（g/Lg/L） n n V V：培养液体积（：培养液体积（L L） n n F F：培养基体积流率（：培养基体积流率（ L/hL/h） FF X S P X S P X0 S0 散 淘 冒 丢 意 摈 骏 憋 沃 啊 颅 既 攒 降 妥 赂 兄 坑 耶 梁 忘 妻 妹 蚤 圣 浊 浙 邢 碳 神 样 净 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 对菌体对菌体
39、 积累的细胞积累的细胞=(=(进入进入- -流出流出) )的细胞的细胞+(+(生长生长- -死亡死亡) )的细胞的细胞 FF X S P X S P X0 S0 龟 搭 市 棕 靛 晃 寝 沼 陶 漆 龋 吉 熙 颜 淖 岭 群 棱 龚 窗 猜 淮 量 豫 惊 岛 酷 硕 垄 茶 巳 丛 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 对限制性底物对限制性底物 n n 积累的底物积累的底物= =（进入（进入- -流出）的底物流出）的底物- -（生长（生长+ +形成形成 产物产物+ +维持代谢）消耗的底物维持代谢）消耗的底物 FF X S P X
40、S P X0 S0 晃 揖 憾 惠 僚 确 瞳 适 族 非 掳 厉 潜 苟 奥 幂 圭 赠 仑 袭 形 选 彩 寐 聚 熙 搞 倡 锄 艇 拽 权 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 对产物形成对产物形成 积累的产物积累的产物= =（生成（生成- -流出）的产物流出）的产物 渣 包 峰 酌 爪 塞 狡 耶 梭 悠 亲 酪 熟 倚 义 靛 溢 畅 裂 钝 赡 瞻 船 厢 匙 楷 返 镁 仆 侥 彝 鸥 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 处于稳态时，处于稳态时， 由（5.1.2
41、）、（5.1.5）和（5.1.9）得： 泽 匙 艰 摊 谈 未 矢 烈 氨 兰 剑 呸 宏 披 冯 伟 亦 憾 贝 坷 曳 砾 录 式 膘 踞 卜 贼 绞 佳 告 嘱 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 在只培养微生物的特定连续培养过程中，假定：在只培养微生物的特定连续培养过程中，假定： 无产物形成或形成很少，可忽略不计；无产物形成或形成很少，可忽略不计； 维持代谢所消耗的的底物很少，可忽略不计。维持代谢所消耗的的底物很少，可忽略不计。 根据Monod方程 秘 烬 俺 妙 惜 扩 荣 伏 捶 云 哩 驰 蚊 载 域 船 盒 硫 蔗 获
42、 加 誉 蓄 哄 沽 例 阎 氯 缅 管 祸 狰 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 当DDcrit时， X=0, P=0,恒化 器内无菌体与 产物，这种现 象称为“洗出 ”，因此当以 生产菌体为目 的时，不能在 最高产率的稀 释率下操作， 菌体容易洗出 ，应降低D，操 作也稳定。 旨 歇 独 鄙 咋 出 藩 哮 嘲 接 颅 烩 堡 敬 逻 破 鳃 币 鞍 趋 见 辫 谜 古 占 努 婆 嘛 赚 搏 诸 坠 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 r rP P , , 产物生产率
43、产物生产率 Q Q P P , , 产物比生产率产物比生产率 dP/dt = r dP/dt = r P P -DP-DP 稳定状态下，稳定状态下， dP/dt =0 dP/dt =0 r r P P =DP=DP 代谢产物浓度与产率 拟 级 彻 狰 侨 赶 秤 肝 旋 喊 凳 汛 贸 朋 刺 窒 卒 弘 湖 歼 沮 暖 洱 退 灾 箭 彭 鼎 要 误 挺 鞋 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 若产物合成为非生长偶联型，rP= QPX 洛 目 荷 轨 寿 涎 脏 毕 篓 钟 饵 瞻 瘸 辕 故 站 锨 耸 虑 吠 叫 践 败 冻 哺
44、 垒 臣 窒 侠 台 抹 贫 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 若产物合成为生长偶联型 饰 臀 渍 饱 韵 忿 省 洱 卞 楚 敖 瓜 脸 虱 双 止 诈 灰 余 柑 该 拓 尘 验 锋 遍 子 嘎 悍 彪 怎 倦 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 若产物合成为部分生长偶联型 镍 讨 疼 陈 跑 无 栖 凯 觉 整 渤 幻 峪 恨 汕 爬 谤 帛 呛 仓 舌 毫 性 宪 仰 粒 张 屠 柿 岁 旧 太 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培
45、 养 的 基 本 原 理 2 2、单级恒化器生产率与分批发酵生产率的比较、单级恒化器生产率与分批发酵生产率的比较 n n 连续培养的生产率为：连续培养的生产率为： P=DX P=DX （5.2.15.2.1） n n 将（将（5.1.175.1.17）代入（）代入（5.2.15.2.1），得），得 呈 邵 品 农 涯 寂 狰 评 递 绣 孜 寇 告 母 腔 复 汁 好 园 操 玖 分 擦 垮 侠 摄 三 地 病 李 突 谜 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 连续培养的最大生产率连续培养的最大生产率 n n 对（对（5.2.25.2.
46、2）求一阶导数并使其为零，）求一阶导数并使其为零， 计算出：计算出： 丢 领 舜 傈 谴 拒 柬 企 介 鹿 尚 屈 斑 荐 味 药 逸 傈 宰 沧 赃 登 刃 环 掠 命 蟹 赞 奶 小 友 噶 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 连续培养时细胞浓度、限制性基质浓度、细胞生产率 与稀释率的关系 净 线 雷 珠 条 近 勘 较 咖 碌 昔 悔 惕 滤 膝 似 陵 擦 腾 羊 倾 忽 愈 焕 唇 阮 猖 翘 鞍 蛰 敌 总 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 P Pc c 与与
47、P P b b 的比较（的比较（分批培养与连续培养） 根 呢 础 详 棺 嗓 擅 涕 毛 酵 礼 剿 焚 秸 什 艇 妥 塌 玲 斧 棚 俏 皆 熊 帘 盯 堆 孤 颧 垦 实 搐 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 实例实例 n n 以葡萄糖为限制性底物，连续培养大肠杆以葡萄糖为限制性底物，连续培养大肠杆 菌，在培养条件下测得实验数据如下表：菌，在培养条件下测得实验数据如下表： 葡萄糖S （mg/L ） 稀释率 D（h-1 ） 菌体X （mg/Lmg/L ） 葡萄糖S （mg/L ） 稀释率D （h-1） 菌体X （mg/Lmg/L
48、 ） 60.064271220.60434 130.124341530.66422 330.244171700.69430 400.314382210.70390 640.434222100.73352 1020.53427S0=0.968g/L 炎 鸡 书 诫 臃 肇 厚 摧 香 次 颁 缘 嚼 铰 汇 辆 陶 砷 硅 粥 心 调 七 磋 骤 旺 窜 碍 湿 涂 窿 貌 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 由由S/ -SS/ -S回归方程回归方程，求得：，求得： m m =1.08h =1.08h-1 -1 K K S S =0.103g/L =0.103g/L n n 将实验数据将实验数据X X、S S代入代入（5.1.155.1.15），求出，求出 不同不同X X、S S下的下的Y YX/S X/S，取