微生物发酵动力学精简版
微生物发酵系列文档
学点：发酵动力学常用名词解释和公式（一）
比生长速率（μ）每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率。

它是表征微生物生长速率的一个参数，也是发酵动力学中
的一个重要参数。

生长速率：单位时间内菌体是增值量，单位以g/h或者L/h。

代时（G）：又称世代时间。

当微生物处于生长曲线的指数期(对数期)时，细胞分裂一次所需平均时间，也等于群体中的个体数或其生物量增加一倍所需的平均时间。

原创：粮油小兵 2月19日微生物发酵
G=1/R=(t2-t1)/3.322(lgx2-lgx1)
生长速率常数（growth rate constant)：它的定义是，微生物每小时的分裂代数。

R(生长速率常数)=n/(t2-t1)
n:繁殖代数 (t2-t1) :所用时间
繁殖代数（n）
比生长速率计算：
计算方法：
μ=（lnNt-lnN0）/t
μ=（lnXt-lnX0）/t
μ=ln2/Td=0.693/Td,Td：倍增时间
举例：
假定以稀释后OD600在0.3-0.8或者更小范围测出来的总OD600值做为生物量,t0时间取样测出来OD600为2，2小时后取样测出来OD600为4.5，那么比生长速率μ=(ln4.5-ln2)/2(小时）=0.405465,倍增时间
=ln2/0.405465=1.71小时。

如果t0后保持这个比生长速率，测OD600，t0后第1小时为3，t0后第2小时为4.5，t0后第3小时为6.75，t0后第4小时为10.125。

比生长速率是发酵动力学中非常重要和基础的一个参数，可以根据比生长速度来控制发酵和补料方式和速率。

学点：发酵动力学常用公式及解释（2）-基质消耗动力学 （1）得率系数
指消耗单位营养物所生产的产物或者细胞数量。

（2）基质消耗速率
以菌体为媒介可以确定基质的消耗速率和菌体的生长速率之间的关系。

-Y S =d[s]/d[t]=Y X /Y X/S
Y S :基质的消耗速率；Y X :菌体的生长速率；Y X/S ：生长得率系数。

基质的比消耗速率（q s ）指基质的消耗速率除以菌体的量。

q s =Y S /X
-q s =μ/Y X/S
X：菌体的量，μ：比生长速率，YX/S：生长得率系数
（3）产物得率系数
原创：粮油小兵 2月25日
微生物发酵
（4）维持常数
以上得率系数是基于底物完全用于菌体生长或者产物生产的情况，实际上底物还用于菌体的维持代谢。

（5）基质平衡
基质总消耗=基质用于细胞生长消耗（G）+细胞生产产物消耗(P)+维持常数(M)
经过换算可以得到以下公式
s：基质的比消耗速率；μ：比生长速率；m：维持系数；q p：=产物比生产速率
基质平衡需要根据不同的发酵类型进行调整。

学点：发酵动力学常用名词解释和公式（一）
摄氧率（OUR）和二氧化碳释放率（CER）定义及计算
【发酵工艺】发酵动力学-批次发酵动力学
分批发酵动力学
微生物分批发酵动力学主要研究微生物在分批发酵过程中的生长动力学、基质消耗动力学和代谢产物生成动力学。

1
分批发酵
分批发酵：是指将发酵培养基一次性投入发酵罐，经灭菌、接种和发酵后再一次性的将发酵液放出的一种操作方式。

在发酵过程中，除了不断通气和发酵尾气的排出及因调节pH需加酸或碱外，整个系统与外界没有其他物资的交换。

优点：操作简单、不容易染菌、投资低；
缺点：生产能力低、劳动强度大、而且每批发酵结果都不完全一样，对后续的产物分离将造成一定的困难。

分批培养系统属于封闭系统，只能在一段有限的时间内维持微生物的增殖。

微生物处在限制性的条件下生长，表现出典型的生长周期 。

原创：粮油小兵 3天前
微生物发酵
1
生长动力学
生长动力学：分批发酵过程中，根据微生物比生长速率（μ）和生物量（x）可以将整个生长阶段分为延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止期）
和衰亡期五个时期。

延迟期：菌体处于适应阶段，比生长速率接近“0”，细胞形态变大（长）；细胞内RNA特别是rRNA含量增高；合成代谢活跃，易产生诱导酶；对外界不良条件敏感。

影响稳定期时间长短的因素：①菌种，②接种物菌龄(对数生长期)③接种量(大，易形成优势)④培养基成分(合成与天然培养基)。

当培养基中存在多种碳源，且利用存在先后时，就会出现多个延迟期，也就是所说的二次生长。

对数期：生物量成指数增长，比生长速率μ为最大比生长速率μmax，此时生物量成指数增长，培养基中营养底物浓度迅速下降，有害物质迅速积累。

减速期：由于限制性营养物质的减少和有害物质的累积，μ开始降低，只到为“0”
稳定期：比生长速率为0，生物量维持最大值，次级代谢产物大量合成。

很多工艺就是寻求延长稳定期。

衰亡期：生物量迅速下降，由于限制性底物的消耗和有害物质的累积，就导致了细胞的死亡和裂解，从而释放大量胞内酶。

Monod方程
当没有抑制性底物时，可以用Monod方程来描述批次发酵的生长动力学。

KS，半速率常数（half-velocity constant)。

在数 值上等于微生物比增长速率最大值一半时的底物浓度。

表示微生物对底物的亲和力， Ks越大，亲和力越小， µ越小。

① 当S较高时，(对数期满足S>>10Ks)，此时，µ= µm
② 当S较低时，(减速期， S<<10Ks)，此时S↓，µ ↓
∴ 减速期， µ ↓
1
基质消耗动力学
▼基质消耗公式
基质总消耗=基质用于细胞生长消耗（G）+细胞生产产物消耗(P)+维持常数(M)
▼若生长阶段产物生成可以忽略，即
则基质消耗公式转换为
▼若生产阶段微生物生长可以忽略，即
则基质消耗公式转换为
Yx/s：基质生长得率系数；Y G:专一生长得率系数；m：维持常数；q p：产物比生成速率；Y P：产物专一得率系数；Yp/s:产物表观得率系数。

1
产物生产动力学
产
根据发酵时间过程分析，微生物生长与产物合成存在以下三种关系：
与生长相关→生长偶联型
与生长部分相关→生长部分偶联型
与生长不相关→无关联
推荐阅读Recommended reading。