【正文】 同樣的速率以保持培養(yǎng)體積為容器（v）常數(shù)。像pH以及養(yǎng)分和代謝物濃度這些因素在分批式培養(yǎng)的生長(zhǎng)周期中必定會(huì)發(fā)生變化，而在連續(xù)式培養(yǎng)卻可以保持恒定。相對(duì)于分批式培養(yǎng)，在連續(xù)式培養(yǎng)中，養(yǎng)分的添加和總培養(yǎng)體積相等組分的去除是連續(xù)進(jìn)行的。在實(shí)際中，分批式培養(yǎng)用作優(yōu)化有機(jī)體或者生物體的生產(chǎn)，然后進(jìn)行特殊的化學(xué)轉(zhuǎn)化，如終產(chǎn)物的形成（抗生素、有機(jī)酸）或者物質(zhì)的降解（垃圾處理）。周期的最后一個(gè)時(shí)期是死亡期，此時(shí)比生長(zhǎng)速率為負(fù)值（μ0）。跟隨這個(gè)降速期之后的是穩(wěn)定期，在穩(wěn)定期，由于養(yǎng)分已經(jīng)耗盡，整體生長(zhǎng)將不再進(jìn)行。然而，在大部分分批式培養(yǎng)過(guò)程中，指數(shù)生長(zhǎng)是短暫的。在指數(shù)生長(zhǎng)期，在有過(guò)量養(yǎng)分和沒(méi)有抑制劑存在的條件下，微生物生長(zhǎng)是無(wú)限制的。在inoculum 生長(zhǎng)之后與指數(shù)生長(zhǎng)發(fā)生之前，有一個(gè)過(guò)渡的加速期。最開始的滯后期是沒(méi)有可見(jiàn)的微生物生長(zhǎng)的時(shí)期，但是化學(xué)分析表明有許多隱蔽的轉(zhuǎn)向代謝暗示著細(xì)胞正在適應(yīng)新的環(huán)境并且將要開始生長(zhǎng)in due coure。這代表了一個(gè)封閉的系統(tǒng)除了耗氧有機(jī)體，可以連續(xù)不斷的向生物反應(yīng)器供應(yīng)空氣。知道了三種生長(zhǎng)常數(shù)μmax、Ks和Y的意義，方程式（1）和（2）就給出了一次分批式發(fā)酵生長(zhǎng)周期的完整數(shù)量描述。微生物生長(zhǎng)與底物利用之間存在一種簡(jiǎn)單的關(guān)系。對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程關(guān)鍵養(yǎng)分的鑒定和進(jìn)行生長(zhǎng)所需要的最佳條件來(lái)源于分批式與連續(xù)式生物反應(yīng)器系統(tǒng)。Ks為底物濃度，此時(shí)μ=μmax/2。Monod（1942）的經(jīng)典研究得到表述生物反應(yīng)器中微生物生長(zhǎng)關(guān)鍵性質(zhì)的數(shù)學(xué)方程。然而，最佳生長(zhǎng)條件不適用于任意時(shí)間長(zhǎng)度，而且實(shí)際中，生長(zhǎng)過(guò)程取決于一個(gè)限制因素，例如一種關(guān)鍵養(yǎng)分。平均倍增時(shí)間隨著細(xì)胞大小與復(fù)雜性的增加而增加；隨后時(shí)間里值的范圍可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得：、。倍增時(shí)間（td）指生物體重量倍增所需要的時(shí)間，而傳代時(shí)間（g）指細(xì)胞數(shù)倍增所需要的時(shí)間。生長(zhǎng)的最佳表達(dá)取決于必需養(yǎng)分傳遞到細(xì)胞表面（質(zhì)量傳遞）與維持的最佳環(huán)境參數(shù)如溫度和pH。不管酶是以水溶液還是固定化形式發(fā)揮作用的，針對(duì)于它所采用的生物反應(yīng)器與特定類型的固定化微生物細(xì)胞系統(tǒng)一起將在第五章中講述。過(guò)程優(yōu)化是通過(guò)控制過(guò)程的物理和化學(xué)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在大部分生物反應(yīng)器里，反應(yīng)過(guò)程是在水相中進(jìn)行的，產(chǎn)品streams就相對(duì)被稀釋了。Biocatalyst可以是處于生長(zhǎng)狀態(tài)或者不處于生長(zhǎng)狀態(tài)的細(xì)胞或者是分離的酶用作可溶的或固定的catalyst。生物反應(yīng)器可在分批式、半連續(xù)（分批給料fedbatch）或者連續(xù)基礎(chǔ)上進(jìn)行操作。對(duì)于conversion cost intensive，體積生產(chǎn)力Qp是重要的，而對(duì)于recovery cost intensive，產(chǎn)品的濃度P是減少成本的主要標(biāo)準(zhǔn)。研究開始考慮更好的aseptic 設(shè)計(jì)和操作、更好的過(guò)程控制包括計(jì)算機(jī)的使用及怎樣去更好的理解一個(gè)系統(tǒng)尤其是熱量和質(zhì)量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的速度控制步驟。然而，近來(lái)，設(shè)計(jì)出了許多新型的生物反應(yīng)器，它們將越來(lái)越積極的參與到生物工程中。所有的生物工程過(guò)程都是在一個(gè)容器或者生物反應(yīng)器中進(jìn)行的。發(fā)酵過(guò)程最簡(jiǎn)單的形式就是僅僅是with a nutrient broth微生物的混合，并使組分發(fā)生反應(yīng)。在所有的情況下，大量的具有一致特征的細(xì)胞在限制的控制的條件下生長(zhǎng)。發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)品的商業(yè)市場(chǎng)是無(wú)限的但是最終要取決于經(jīng)濟(jì)與安全性方面的考慮。大大肯定了發(fā)酵產(chǎn)品的未來(lái)市場(chǎng)，由于limited exception, 通過(guò)化學(xué)方法不能經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)這些產(chǎn)品。最近，發(fā)酵技術(shù)開始利用高等植物和動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行我們所知道的細(xì)胞或組織培養(yǎng)。與產(chǎn)品形成的發(fā)展齊頭并進(jìn)的是對(duì)微生物在除去不喜歡的廢物過(guò)程中所扮演的角色的認(rèn)識(shí)，這使得大規(guī)模世界范圍服務(wù)業(yè)的出現(xiàn)，包括水的凈化、污水處理及垃圾處理。第四章 發(fā)酵技術(shù) 發(fā)酵的本質(zhì)發(fā)酵技術(shù)的起源是大量利用微生物生產(chǎn)食品和飲料，像奶酪、酸乳酪、酒精飲料、醋、泡菜、腌菜及sausages、醬油和許多其他Oriental fermentation（）。今天這些產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程是過(guò)去家庭內(nèi)部生產(chǎn)活動(dòng)的放大版本。發(fā)酵技術(shù)新的擴(kuò)展利用微生物（1）過(guò)量生產(chǎn)重要的特殊的代謝物像甘油、醋酸、乳酸、丙酮、butyl alcohol, butane diol,有機(jī)酸、氨基酸、維生素、多糖和黃原膠；（2）生產(chǎn)有用的次級(jí)代謝物（代謝物群體其在生產(chǎn)它們的微生物的生命中發(fā)揮的作用好像不能很快的被認(rèn)識(shí)到）像青霉素、鏈霉素、土孢菌素、頭孢菌素、赤霉素、生物堿、放線菌素；和（3）生產(chǎn)酶作為想要的工業(yè)產(chǎn)品像胞外酶淀粉酶、蛋白酶、果膠酶或者胞內(nèi)酶像轉(zhuǎn)化酶、天冬酰胺酶、尿酸氧化酶、限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連結(jié)酶。植物細(xì)胞培養(yǎng)主要針對(duì)生產(chǎn)次級(jí)代謝物如生物堿、香水和調(diào)味品，而動(dòng)物組織培養(yǎng)開始關(guān)注的是蛋白質(zhì)分子形成如干擾素、單克隆抗體和許多其它的蛋白質(zhì)。而且，經(jīng)濟(jì)性也發(fā)生在基因工程有機(jī)體而具有獨(dú)特的和更高的生產(chǎn)能力。 商業(yè)發(fā)酵過(guò)程是in essence非常相似的不管選擇的是什么有機(jī)體、用的是什么培養(yǎng)基及形成什么產(chǎn)物。同一個(gè)裝置經(jīng)過(guò)微小改動(dòng)就可以用來(lái)生產(chǎn)酶、抗生素、有機(jī)化學(xué)試劑或者單細(xì)胞蛋白。更為先進(jìn)和復(fù)雜的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程需要對(duì)整體環(huán)境的控制從而使發(fā)酵過(guò)程能夠有效地進(jìn)行，更為重要的是，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行重復(fù)，用相同量的原料、broth和cell inoculum生產(chǎn)出相同量的產(chǎn)物。在過(guò)去的三十年里，大部分共同的生物反應(yīng)器的物理形式?jīng)]有發(fā)生多大的改動(dòng)。生物反應(yīng)器的主要功能是減少一個(gè)產(chǎn)品或這服務(wù)的生產(chǎn)成本，而位于設(shè)計(jì)和功能不斷改進(jìn)后面的驅(qū)動(dòng)力是提高產(chǎn)品形成速度和產(chǎn)品或者服務(wù)質(zhì)量的需求。在生物工程中，處理過(guò)程可認(rèn)為是成本轉(zhuǎn)化（conversion cost intensive）或者成本回收（recovery cost intensive）。用于生物工程的生物反應(yīng)器有三種主要的操作方式和兩種形式的生物催化。反應(yīng)可以在穩(wěn)定的或者攪動(dòng)的（agitated）培養(yǎng)液中，在有氧或者無(wú)氧、水溶液或者低濕度（固體底物發(fā)酵）條件下進(jìn)行?？傮w上，生物反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)是在溫和的pH（近中性）和溫度（2065℃）條件下進(jìn)行的。對(duì)生物反應(yīng)器過(guò)程的優(yōu)化包括減少原料（例如，養(yǎng)分、前體、酸/堿、空氣）和能量（能量消耗以平均每年16%的速度上漲）的使用，在回收前提高broth中產(chǎn)物的純度和質(zhì)量。這章余下的內(nèi)容將關(guān)注在生物反應(yīng)器中微生物進(jìn)行生長(zhǎng)的原理，而且更為關(guān)注的用于產(chǎn)品形成的微生物細(xì)胞。 水溶液系統(tǒng)中微生物培養(yǎng)的原理有機(jī)體的生長(zhǎng)可以看作是以質(zhì)量形式或是以細(xì)胞數(shù)目形式所反映的細(xì)胞物質(zhì)的增加，而且是高度一致（coordinated）的一系列（series）以酶催化的生物步驟的結(jié)果。生物反應(yīng)器中細(xì)胞物質(zhì)（X）或者是生物體的數(shù)量由重量gravimetrically（用干重、濕重、DNA或者蛋白質(zhì)）或者數(shù)量numerically（用細(xì)胞數(shù)）決定。在平衡生長(zhǎng)或者指數(shù)生長(zhǎng)過(guò)程中，當(dāng)生長(zhǎng)過(guò)程只由細(xì)胞固有的intrinsic活性所控制的話，如果g= td，則每一個(gè)細(xì)胞都可以進(jìn)行分裂。在理想條件下，微生物合成的潛力是非常巨大的，對(duì)于某些類型的細(xì)菌，倍增時(shí)間僅為15min。當(dāng)這個(gè)因素的濃度降到0，那么這個(gè)有機(jī)體的生長(zhǎng)潛力也就下降。最初數(shù)學(xué)方程描述比生長(zhǎng)速率μ由S的濃度而作用：（方程式1）這種情況下，S是培養(yǎng)基中一種底物的濃度，與其它重要的養(yǎng)分相比，這種底物的濃度是有限的，μmax是有機(jī)體的最大比生長(zhǎng)速率，而Ks代表一個(gè)飽和常數(shù)。這樣，如果把底物濃度一直保持為一個(gè)合適的值（對(duì)于連續(xù)培養(yǎng)是重要的），就進(jìn)行指數(shù)生長(zhǎng)，比生長(zhǎng)速率的值在0到μmax之間。有機(jī)體濃度的增加速率（dx/dt）就是生長(zhǎng)速率，而比生長(zhǎng)速率是有機(jī)體濃度的單位增加速率（1/x）（dx/dt）。在簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，生長(zhǎng)速率是底物利用速率的一個(gè)恒定的部分，Y：（方程式2）Y是生長(zhǎng)得率系數(shù)over生長(zhǎng)過(guò)程的任何時(shí)間段。在分批式發(fā)酵中，在最佳的溫度、pH和混合條件下，把生長(zhǎng)所需的inoculum與養(yǎng)分一同置于一個(gè)容器中。在分批式培養(yǎng)中，生長(zhǎng)速率與比生長(zhǎng)速率不是一個(gè)常數(shù)，反映了系統(tǒng)養(yǎng)分不斷變化的特點(diǎn)。inoculum的生理?xiàng)l件被認(rèn)為不僅是滯后期持續(xù)時(shí)間的一個(gè)主要影響因素而且還影響未來(lái)生長(zhǎng)過(guò)程和形成產(chǎn)物的特征，例如抗生素的合成。這個(gè)時(shí)期無(wú)法從生理和數(shù)學(xué)上很好的理解，因?yàn)榧?xì)胞群有不同的年齡結(jié)構(gòu)和代謝過(guò)程。比生長(zhǎng)速率達(dá)到最大值，μ=μmax。由于養(yǎng)分被生長(zhǎng)細(xì)胞群用光，無(wú)限制的生長(zhǎng)就被有限生長(zhǎng)所代替，同時(shí)，盡管細(xì)胞群仍在增加，但是任何特定點(diǎn)的比生長(zhǎng)速率將變得越來(lái)越小，μmax。生物體平衡產(chǎn)生，因?yàn)樯L(zhǎng)速率= 死亡速率許多重要的生物工程產(chǎn)品是在生長(zhǎng)周期的這個(gè)時(shí)期optimally形成的，例如抗生素。在到達(dá)這個(gè)時(shí)期之前，大部分生物工程的分批式過(guò)程就已經(jīng)停止，因?yàn)榇x減緩和細(xì)胞裂解。在分批式培養(yǎng)過(guò)程中，許多重要的產(chǎn)物是在生長(zhǎng)周期的穩(wěn)定期optimally形成的。連續(xù)培養(yǎng)的方式使有機(jī)體能在穩(wěn)定的條件下進(jìn)行生長(zhǎng)，即以恒定的速率和恒定不變的環(huán)境中進(jìn)行生長(zhǎng)。這些參數(shù)確實(shí)可以獨(dú)立的控制，使實(shí)驗(yàn)人員獲得對(duì)于有機(jī)體生長(zhǎng)每個(gè)參數(shù)所發(fā)揮的作用的真實(shí)信息。通過(guò)有效的混合，流入的培養(yǎng)基被迅速統(tǒng)一的分散到生物反應(yīng)器中。