發(fā)酵工程 第6章 發(fā)酵動力學(xué)

1、第六章第六章 發(fā)酵動力學(xué)發(fā)酵動力學(xué)主要內(nèi)容主要內(nèi)容n第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n第二節(jié)第二節(jié) 分批培養(yǎng)動力學(xué)分批培養(yǎng)動力學(xué)n第三節(jié)第三節(jié) 連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)n第四節(jié)第四節(jié) 補(bǔ)料分批動力學(xué)補(bǔ)料分批動力學(xué)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n發(fā)酵動力學(xué)：發(fā)酵動力學(xué)：研究發(fā)酵過程中菌體研究發(fā)酵過程中菌體生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律。平衡及其內(nèi)在規(guī)律。主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容n1 1、發(fā)酵動力學(xué)、發(fā)酵動力學(xué)參數(shù)特征參數(shù)特征：微生物生長：微生物生長速速率率、發(fā)酵產(chǎn)物合成、發(fā)酵產(chǎn)物合成速率速率、底物消耗、底物消耗速率速率及及其其轉(zhuǎn)化率、效率轉(zhuǎn)化率、效率等；等；n2

2、2、影響發(fā)酵動力學(xué)參數(shù)的、影響發(fā)酵動力學(xué)參數(shù)的各種理化因子各種理化因子；n3 3、發(fā)酵動力學(xué)的、發(fā)酵動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型。認(rèn)識發(fā)酵過程的規(guī)律認(rèn)識發(fā)酵過程的規(guī)律優(yōu)化發(fā)酵工藝條件，確定最優(yōu)發(fā)優(yōu)化發(fā)酵工藝條件，確定最優(yōu)發(fā)酵過程參數(shù)，如：基質(zhì)濃度、溫酵過程參數(shù)，如：基質(zhì)濃度、溫度、度、pHpH、溶氧，等等、溶氧，等等提高發(fā)酵產(chǎn)量、效率和轉(zhuǎn)化率等提高發(fā)酵產(chǎn)量、效率和轉(zhuǎn)化率等研究發(fā)酵動力學(xué)的目的研究發(fā)酵動力學(xué)的目的發(fā)酵反應(yīng)動力學(xué)的研究內(nèi)容發(fā)酵反應(yīng)動力學(xué)的研究內(nèi)容研究反應(yīng)速度及其影響因素并建研究反應(yīng)速度及其影響因素并建立反應(yīng)速度與影響因素的關(guān)聯(lián)立反應(yīng)速度與影響因素的關(guān)聯(lián)反應(yīng)動力學(xué)模型反應(yīng)器特性反應(yīng)器特性

3、+反應(yīng)器的操作模型反應(yīng)器的操作模型操作條件與反應(yīng)結(jié)操作條件與反應(yīng)結(jié)果的關(guān)系，定量地果的關(guān)系，定量地控制反應(yīng)過程控制反應(yīng)過程已建立動力學(xué)模型的類型已建立動力學(xué)模型的類型q 機(jī)制模型：機(jī)制模型：根據(jù)反應(yīng)機(jī)制建立根據(jù)反應(yīng)機(jī)制建立幾乎沒有幾乎沒有q 現(xiàn)象模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停含F(xiàn)象模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停耗壳按蠖鄶?shù)模型 能定量地描述發(fā)酵過程能定量地描述發(fā)酵過程 能反映主要因素的影響能反映主要因素的影響n一條主線：一條主線： 發(fā)酵工藝過程發(fā)酵工藝過程n兩個重點(diǎn)：兩個重點(diǎn)：發(fā)酵過程的發(fā)酵過程的優(yōu)化與放大優(yōu)化與放大n三個層次：三個層次：分子、細(xì)胞、反應(yīng)器分子、細(xì)胞、反應(yīng)器n四個目標(biāo)：四個目標(biāo)：高產(chǎn)、高效、高轉(zhuǎn)化率、低成

4、本高產(chǎn)、高效、高轉(zhuǎn)化率、低成本本章的重要性本章的重要性主要方法：基于發(fā)酵動力學(xué)研究來實(shí)現(xiàn)主要方法：基于發(fā)酵動力學(xué)研究來實(shí)現(xiàn)n發(fā)酵放大條件的優(yōu)化發(fā)酵放大條件的優(yōu)化n核心：核心：發(fā)酵動力學(xué)研究發(fā)酵動力學(xué)研究，獲得細(xì)胞生長及其產(chǎn)，獲得細(xì)胞生長及其產(chǎn)物合成放大過程特征及其對環(huán)境的響應(yīng)特征；物合成放大過程特征及其對環(huán)境的響應(yīng)特征；n重點(diǎn)研究微生物與物理、化學(xué)環(huán)境的相互作重點(diǎn)研究微生物與物理、化學(xué)環(huán)境的相互作用，用，揭示放大規(guī)律揭示放大規(guī)律。發(fā)酵過程放大的兩個基本問題：發(fā)酵過程放大的兩個基本問題：反應(yīng)器性能優(yōu)化反應(yīng)器性能優(yōu)化 重點(diǎn)研究混合與傳質(zhì)問題，滿足發(fā)酵最適條重點(diǎn)研究混合與傳質(zhì)問題，滿足發(fā)酵最適條件需

5、要件需要 側(cè)重反應(yīng)器的設(shè)計與放大側(cè)重反應(yīng)器的設(shè)計與放大生化反應(yīng)：生化反應(yīng)： aA + bB cC + dD反應(yīng)動態(tài)平衡反應(yīng)動態(tài)平衡 改變條件改變條件 破壞平衡破壞平衡如何能最快最多的獲得目的產(chǎn)物如何能最快最多的獲得目的產(chǎn)物溫度溫度酸堿度酸堿度濃度濃度催化劑催化劑如何確定高產(chǎn)高效如何確定高產(chǎn)高效的最佳條件？的最佳條件？采用反應(yīng)動力學(xué)方法采用反應(yīng)動力學(xué)方法進(jìn)行定量研究進(jìn)行定量研究動力學(xué)主要探討反應(yīng)速率問題：動力學(xué)主要探討反應(yīng)速率問題：發(fā)酵動力學(xué)研究的幾個層次（尺度）發(fā)酵動力學(xué)研究的幾個層次（尺度）n分子層次（酶催化與生物轉(zhuǎn)化）分子層次（酶催化與生物轉(zhuǎn)化）n基于關(guān)鍵生化反應(yīng)（限速步）及其關(guān)鍵酶的基于

6、關(guān)鍵生化反應(yīng)（限速步）及其關(guān)鍵酶的動力學(xué)特征及其影響因素動力學(xué)特征及其影響因素n采用一系列分子水平的方法采用一系列分子水平的方法細(xì)胞層次（代謝網(wǎng)絡(luò)與細(xì)胞工廠）細(xì)胞層次（代謝網(wǎng)絡(luò)與細(xì)胞工廠） - 基于細(xì)胞信號傳導(dǎo)、代謝網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸基于細(xì)胞信號傳導(dǎo)、代謝網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸?shù)南盗嘘P(guān)鍵生化反應(yīng)的綜合表現(xiàn)的系列關(guān)鍵生化反應(yīng)的綜合表現(xiàn) -采用一系列細(xì)胞水平的方法，包括細(xì)胞群體行采用一系列細(xì)胞水平的方法，包括細(xì)胞群體行為分析為分析反應(yīng)器層次（過程工程）反應(yīng)器層次（過程工程） 基于細(xì)胞群體生長及產(chǎn)物合成對外部環(huán)境綜合響應(yīng)基于細(xì)胞群體生長及產(chǎn)物合成對外部環(huán)境綜合響應(yīng)采用一系列優(yōu)化反應(yīng)器發(fā)酵條件的方法采用一

7、系列優(yōu)化反應(yīng)器發(fā)酵條件的方法n主要針對微生物發(fā)酵的主要針對微生物發(fā)酵的表觀動力學(xué)表觀動力學(xué)，通過研究微生，通過研究微生物群體的生長、代謝，定量反映細(xì)胞群體酶促反應(yīng)物群體的生長、代謝，定量反映細(xì)胞群體酶促反應(yīng)體系的體系的宏觀變化速率宏觀變化速率，主要包括：，主要包括：細(xì)胞生長動力學(xué)、細(xì)胞生長動力學(xué)、底物消耗動力學(xué)、產(chǎn)物合成動力學(xué)底物消耗動力學(xué)、產(chǎn)物合成動力學(xué) 課程重點(diǎn)課程重點(diǎn) 重點(diǎn)定量研究底物消耗與細(xì)胞生長、產(chǎn)物合成重點(diǎn)定量研究底物消耗與細(xì)胞生長、產(chǎn)物合成的動態(tài)關(guān)系，分析參數(shù)變化速率，優(yōu)化主要影響的動態(tài)關(guān)系，分析參數(shù)變化速率，優(yōu)化主要影響因素。因素。 但研究過程中將涉及三個層次的研究方法，但研究

8、過程中將涉及三個層次的研究方法，達(dá)到認(rèn)識微生物本質(zhì)特征、解決發(fā)酵工業(yè)問題的達(dá)到認(rèn)識微生物本質(zhì)特征、解決發(fā)酵工業(yè)問題的目的。目的。n發(fā)酵動力學(xué)研究的方法發(fā)酵動力學(xué)研究的方法n（1）幾個研究模型相關(guān)概念n動力學(xué)是對動力學(xué)是對細(xì)胞群體細(xì)胞群體的動力學(xué)行為的描述的動力學(xué)行為的描述菌體視為單組分的模型為菌體視為單組分的模型為非結(jié)構(gòu)模型非結(jié)構(gòu)模型，通過物料平，通過物料平衡建立超經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)模型。衡建立超經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)模型。n如果在考慮細(xì)胞組成變化的基礎(chǔ)上建立的模型，稱為如果在考慮細(xì)胞組成變化的基礎(chǔ)上建立的模型，稱為結(jié)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)模型，一般選取，一般選取RNARNA、DNADNA、糖類及蛋白含量做為

9、過程變、糖類及蛋白含量做為過程變量。量。不考慮細(xì)胞之間的差別，而是取性質(zhì)上的平均值，在不考慮細(xì)胞之間的差別，而是取性質(zhì)上的平均值，在此基礎(chǔ)上建立的模型稱為此基礎(chǔ)上建立的模型稱為確定論模型確定論模型，如果考慮每個細(xì)，如果考慮每個細(xì)胞之間的差別，則建立的模型為胞之間的差別，則建立的模型為概率論模型。概率論模型。n如果細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)的各種成分均以相同的比例增加，稱為均衡生長。n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。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)胞濃度很高時采用。n模型的簡化考慮一般采用均衡生長的非結(jié)構(gòu)模型。n如果由于各組分的合成速率不同而使各組分增加比例不

10、同，稱為非均衡生長。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)胞之間無差異，是均一的，細(xì)胞內(nèi)有多個組分存在。B均衡生長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均衡生長對細(xì)胞群體的描述模型n（2） 宏觀處理法宏觀處理法n與微觀方法相對，不研究細(xì)胞內(nèi)部基因結(jié)構(gòu)、表型、調(diào)控機(jī)制和代謝途徑；而把細(xì)胞看成一種均勻分布的物質(zhì)，研究宏觀變量整體之間的關(guān)系的方法，建立非結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型。n（3）質(zhì)量平衡法）質(zhì)量平衡法（質(zhì)量守恒定律）（質(zhì)量守恒定律）發(fā)酵系統(tǒng)中物質(zhì)積累的速度物質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)的速度物質(zhì)在系統(tǒng)生成的速度物質(zhì)排出系

11、統(tǒng)的速度物質(zhì)在系統(tǒng)消耗的速度 研究發(fā)酵動力學(xué)的步驟研究發(fā)酵動力學(xué)的步驟 n(1). 為了獲得發(fā)酵過程變化的第一手資料，要盡可能尋找能反映過程變化的各種理化參數(shù)。n(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，找出它們之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律。n(3). 建立各種數(shù)學(xué)模型以描述各參數(shù)隨時間變化的關(guān)系。n(4). 通過計算機(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。 n發(fā)酵動力學(xué)與過程優(yōu)化控制n發(fā)酵動力學(xué)通過對微生物生長率、基質(zhì)和氧消耗率、產(chǎn)物合成率的動態(tài)研究，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵條件參數(shù)的在線檢測，確定發(fā)酵動力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)動態(tài)過程優(yōu)化控制，取得發(fā)酵產(chǎn)物最大， 發(fā)酵過程的反應(yīng)描述及速度概念發(fā)酵過

12、程的反應(yīng)描述及速度概念 XS（底物）（底物） X（菌體）（菌體） P（產(chǎn)物）（產(chǎn)物）發(fā)酵研究的內(nèi)容：發(fā)酵研究的內(nèi)容：發(fā)酵過程反應(yīng)的描述發(fā)酵過程反應(yīng)的描述菌種的來源找到一個好的菌種發(fā)酵過程的工藝控制最大限度發(fā)揮菌種的潛力基質(zhì)的消耗速度：發(fā)酵過程反應(yīng)速度的描述發(fā)酵過程反應(yīng)速度的描述基質(zhì)的消耗比速：基質(zhì)的消耗比速：單位時間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物（菌體）的量稱單位時間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物（菌體）的量稱為為比速比速，是生物反應(yīng)中用于描述反應(yīng)速度的常用概念，是生物反應(yīng)中用于描述反應(yīng)速度的常用概念 XS（底物）（底物） X（菌體）（菌體） P（產(chǎn)物）（產(chǎn)物）sdsrdt sdsdtq X X基

13、質(zhì)的消耗比速：(h-1)菌體的生長比速：dxdtX X產(chǎn)物的形成比速：(h-1)(h-1)發(fā)酵過程反應(yīng)速度的描述發(fā)酵過程反應(yīng)速度的描述 XS（底物）（底物） X（菌體）（菌體） P（產(chǎn)物）（產(chǎn)物）sdsdtq X Xpdpdtq X Xn質(zhì)量與能量平衡質(zhì)量與能量平衡n 1. 幾個相關(guān)術(shù)語n(1) 維持系數(shù) 單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)因維持代謝消耗的基質(zhì)量，用ms表示n (6-1)nms維持系數(shù)，維持系數(shù)，mol/gh； XJ菌體干重，菌體干重，g；nS 基質(zhì)量，基質(zhì)量，mol； t 發(fā)酵時間，發(fā)酵時間，hn注：注：這里的這里的“維持維持”是指活細(xì)胞群體沒有凈生長和產(chǎn)物沒有凈合成的生命是指活細(xì)胞

14、群體沒有凈生長和產(chǎn)物沒有凈合成的生命活動，所需能量有細(xì)胞物質(zhì)氧化或降解產(chǎn)生，這種用于活動，所需能量有細(xì)胞物質(zhì)氧化或降解產(chǎn)生，這種用于“維持維持”的物質(zhì)代的物質(zhì)代謝稱為維持代謝（內(nèi)源代謝），代謝釋放的能量叫維持能。謝稱為維持代謝（內(nèi)源代謝），代謝釋放的能量叫維持能。MSXdtd1smn（2）得率系數(shù)）得率系數(shù)(或產(chǎn)率，轉(zhuǎn)化率，或產(chǎn)率，轉(zhuǎn)化率，Y)：n是指被消耗的物質(zhì)和所合成產(chǎn)物之間的量的關(guān)系。包括生是指被消耗的物質(zhì)和所合成產(chǎn)物之間的量的關(guān)系。包括生長得率長得率(Yx/s)和產(chǎn)物得率和產(chǎn)物得率(Yp/s)。n生長得率系數(shù)生長得率系數(shù)：是指每消耗：是指每消耗1g(或或mo1)基質(zhì)基質(zhì)(一般指碳源一般

15、指碳源)所所產(chǎn)生的菌體重產(chǎn)生的菌體重(g)，即，即Yx/s=X一一S。 Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克營養(yǎng)物、每克分子：消耗每克營養(yǎng)物、每克分子氧以及每千卡能量所生成的細(xì)胞克數(shù)；氧以及每千卡能量所生成的細(xì)胞克數(shù)； Yx/c、 Yx/N、 Yx/p、Yx/Ave- ：消耗每克：消耗每克C、每克、每克N、每克、每克P和每個有效電子所生成的細(xì)胞克數(shù)；和每個有效電子所生成的細(xì)胞克數(shù)； Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的細(xì)胞：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的細(xì)胞克數(shù)?？藬?shù)。n 生長得率系數(shù)n基質(zhì)消耗量轉(zhuǎn)化為菌體生長量的比率n (6-2)nYX/S生長得率系數(shù)，g/molnX 菌體生

16、長量，gnS 基質(zhì)消耗量，gn其中 (6-3) n nYX/S為理論生長得率，不包括維持代謝和產(chǎn)物合成SXYsx產(chǎn)物得率系數(shù)產(chǎn)物得率系數(shù)n指每消耗指每消耗1g(或或mo1)基質(zhì)所合成的產(chǎn)物基質(zhì)所合成的產(chǎn)物g數(shù)數(shù)(或或mol數(shù)數(shù))。這里消耗的基質(zhì)是指被微生物實(shí)際利用掉。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，即投入的基質(zhì)減去殘留的基質(zhì)量的基質(zhì)數(shù)量，即投入的基質(zhì)減去殘留的基質(zhì)量(S。一一S)。sCOsATPOPYYY/p/s22,Y消耗每克營養(yǎng)物（消耗每克營養(yǎng)物（s）或每克分子氧）或每克分子氧(O2)生成的產(chǎn)物生成的產(chǎn)物(P)、ATP或或CO2的克數(shù)。的克數(shù)。n 產(chǎn)物得率n基質(zhì)消耗量轉(zhuǎn)化為

17、代謝產(chǎn)物合成量的比率n (6-4)nYp/S實(shí)際產(chǎn)物得率，g/ g 或mol / molnP 產(chǎn)物生長量，g或mol nS 基質(zhì)消耗量，g或mol n其中 (6-5) n n為理論產(chǎn)物得率SPYs /pn 實(shí)際產(chǎn)物得率與菌體生長速率的關(guān)系基質(zhì)消耗用于維持代謝，菌體生長，產(chǎn)物合成，即基質(zhì)消耗用于維持代謝，菌體生長，產(chǎn)物合成，即nS= (S)M +(S)G +(S)P (6-6) n將上式除以X （ X 0）整理得1*s*11p/spx/ss/xmYQYY(6-7)其中 為單位菌體的生長率(菌體比生長率)dtd11XXdtd1pPXQ為單位菌體的生產(chǎn)率(菌體比生產(chǎn)率)n同樣，把同樣，把S= (S)

18、M +(S)G +(S)Pn除以除以P （ P 0）整理得）整理得n n (6-8) n由由(6-7)， (6-8)式可知，當(dāng)菌體比生產(chǎn)率式可知，當(dāng)菌體比生產(chǎn)率Qp穩(wěn)定時，穩(wěn)定時，實(shí)際生長得率實(shí)際生長得率Yx/s隨菌體比生長率隨菌體比生長率的上升而增加，的上升而增加，n實(shí)際產(chǎn)物得率實(shí)際產(chǎn)物得率Yp/s隨菌體比生長率隨菌體比生長率的上升而減少。的上升而減少。gsppspss/pm11YQQYYn2. 發(fā)酵過程中的化學(xué)計量式發(fā)酵過程中的化學(xué)計量式n（1） 維持代謝（以好氧發(fā)酵為例）維持代謝（以好氧發(fā)酵為例）n碳水化合物： C6H12O6+6O26CO2+6H2O+2814kJn碳?xì)浠衔铮?CH4

19、+2O2CO2+2H2O+938kJn醇 類： CH4O+1.5O2CO2+2H2O+704kJn油 脂 類： C51H98O6+72.5O251CO2+49H2O+34003kJn有機(jī)酸類：有機(jī)酸類： C3H6O3+3O23CO2+3H2O+1407kJn同碳原子數(shù)有機(jī)物的能量大小n碳?xì)浠衔锎碱愑椭愑袡C(jī)酸類碳水化合物n（2） 微生物生長微生物生長n菌體的化學(xué)組成受菌種種類的影響n產(chǎn)黃青霉以葡萄糖和氨發(fā)酵，C，H較穩(wěn)定； 化學(xué)計量式為：nC6H12O6+0.55NH3+2.39O23.42 CH1.92O0.61N0.16 +2.58CO2+3.54H2On理論生長得率為理論生長得率為88

20、.6g/moln（3） 產(chǎn)物合成（以合成青霉素G為例）n青霉素G是由葡萄糖和NH3轉(zhuǎn)化成-氨基己二酸、纈氨酸和半胱氨酸三種前體，再經(jīng)三肽合成、環(huán)化與苯乙酸轉(zhuǎn)?；蒼2.14C6H12O6+2NH3 + +SO42+ + C3H3O2 +3.34O2 n （葡萄糖） （苯乙酸）n C16H18O4N2 + 4.84CO2+11.84H2On不考慮副產(chǎn)物和中間體的生成，青霉素理論產(chǎn)物得率為Ygs 0.47mol（青霉素）/mol（葡萄糖）n3.質(zhì)量平衡n（1） 碳平衡n發(fā)酵過程中，碳的轉(zhuǎn)移為n基質(zhì)中的碳菌體中的碳+產(chǎn)物中的碳+CO2中的碳n nasi 第i項(xiàng)基質(zhì)含碳量，g/molnax 干菌體含

21、碳量，g/gnapj 第j項(xiàng)產(chǎn)物含碳量，g/molnac CO2含碳量，g/moln基質(zhì)中消耗的碳約60以CO2排出，30轉(zhuǎn)移至菌體，10以下合成產(chǎn)物dtdCOcmjdtdPpjdtdXxnidtdSisiaaaaj211n（2） 氮平衡n同樣發(fā)酵過程中氮的轉(zhuǎn)移為n基質(zhì)中的氮菌體中的氮+產(chǎn)物中的氮n nsi 第i項(xiàng)基質(zhì)含氮量，g/moln x 干菌體含氮量，g/gn pj 第j項(xiàng)產(chǎn)物含氮量，g/molmjdtdPpjdtdXxnidtdSisij11n（3） 氧平衡n以化合物的完全燃燒需氧量平衡發(fā)酵過程中的化學(xué)能n（7-20）n （需氧量凈消耗）（轉(zhuǎn)移菌體） （轉(zhuǎn)移產(chǎn)物）（呼吸需氧）nsi 第

22、i項(xiàng)基質(zhì)完全燃燒需氧量，mol/molnx 干菌體完全燃燒需氧量，mol/gnpj 第j項(xiàng)產(chǎn)物完全燃燒需氧量，mol/moln將上式當(dāng)量歸一化處理得dtdOdtdm1j0pjdtdxn1idtdsi2jiPXSn（需氧量凈消耗）（轉(zhuǎn)移菌體） （轉(zhuǎn)移產(chǎn)物）（呼吸需氧）ns含碳基質(zhì)當(dāng)量的完全燃燒需氧量，mol/molnp 產(chǎn)物當(dāng)量的完全燃燒需氧量，mol/molnQS 基質(zhì)比消耗率，mol/ghn 菌體比消耗率，1/hnQp 產(chǎn)物比消耗率，mol/ghnQo 比耗氧率，mol/ghoppxssQQQn計算：假設(shè)通過實(shí)驗(yàn)測定，反應(yīng)底物十六烷烴和計算：假設(shè)通過實(shí)驗(yàn)測定，反應(yīng)底物十六烷烴和葡萄糖中有葡萄

23、糖中有2/32/3的碳轉(zhuǎn)化為細(xì)胞中的碳，的碳轉(zhuǎn)化為細(xì)胞中的碳，1 1）計算）計算下述反應(yīng)的計量系數(shù)下述反應(yīng)的計量系數(shù)十六烷烴：十六烷烴：C16H34+aO2+ bNH3 c(C4.4H7.3N0.86O1.2)+dH2O+eCO2葡萄糖葡萄糖 C6H12O6+ aO2+bNH3 c(C4.4H7.3N0.86O1.2)+dH2O+eCO22)2)計算上述兩反應(yīng)的得率系數(shù)計算上述兩反應(yīng)的得率系數(shù)Y Yx/sx/s（ g g干細(xì)胞干細(xì)胞/g/g基質(zhì)）基質(zhì)）和和Y Yx/ox/o( g( g干細(xì)胞干細(xì)胞/g/g氧）氧）計算：在釀酒酵母的生長實(shí)驗(yàn)中，消耗計算：在釀酒酵母的生長實(shí)驗(yàn)中，消耗0.2kg糖，

24、得糖，得出出0.0746kg，釋放出，釋放出0.121 kgCO2，并消耗了，并消耗了0.067kgO2，求，求（1）酵母細(xì)胞得率）酵母細(xì)胞得率Yx/s;(2)呼吸商呼吸商RQ(消耗單位質(zhì)量的氧氣產(chǎn)生的消耗單位質(zhì)量的氧氣產(chǎn)生的CO2的量）的量）n酵母酵母 在需要條件下，以在需要條件下，以 乙醇為底物乙醇為底物 進(jìn)行進(jìn)行 生長，可表示生長，可表示為下列總反應(yīng)式為下列總反應(yīng)式C2H5OH +a O2 +b NH3 c CH1.704 N0.149O0.408 +dCO2 +e H2On試求：試求：1）當(dāng)呼吸商為）當(dāng)呼吸商為0.66時，時，a，b，c，d，e的值的值2）確定）確定Yx/s和和Yx/o

25、微生物在一個密閉系統(tǒng)中的生長情況：時間時間菌體濃度菌體濃度延遲期指數(shù)生長期指數(shù)生長期減速期減速期穩(wěn)定期穩(wěn)定期衰亡期衰亡期延遲期：dxdt0 0指數(shù)生長期:maxmax倍增時間倍增時間：td減速期:ddt 0 0穩(wěn)定期： ;dxdt0 0mma ax xX XX X衰亡期:dxdt0 0dtdXX1dtdNNn1或tteXX0ttneNN0或X細(xì)胞濃度（g/L）；N細(xì)胞個數(shù)； t生長時間；X0、Xt初始微生物濃度和t時細(xì)胞濃度；N0、Nt初始細(xì)胞個數(shù)和t時細(xì)胞個數(shù)； 以細(xì)胞濃度表示的比生長速率； 以細(xì)胞數(shù)量表示的比生長速率。 n分批發(fā)酵動力學(xué)-細(xì)胞生長動力學(xué)llag: x不變不變, , 即即le

26、xp:(假定無抑制作用存在假定無抑制作用存在)0, 0dtdx00lnln1xxtxxdtdxxmmmtme分批發(fā)酵動力學(xué)-細(xì)胞生長動力學(xué)lDeclineDecline（開始出現(xiàn)一種底物不足的限制）（開始出現(xiàn)一種底物不足的限制）: : (1) (1)若不存在抑制物時若不存在抑制物時 Monod Monod 模型模型: : sKssmtsKsxxsm0lnlntexx0分批發(fā)酵動力學(xué)-細(xì)胞生長動力學(xué)sKssm比生長素率限制性底物殘留濃度限制性底物殘留濃度S St t 殘留的限制性底物濃度對微生物 比生長率的影響 表征與培養(yǎng)基中殘留的生長限制性底物St的關(guān)系 tSKtSmsMonod方程： Ks底

27、物親和常數(shù)，等于處于1/2m時的底物濃度，表征微生物對底物的親和力，兩者成反比。酶促反應(yīng)動力學(xué)米氏方程：酶促反應(yīng)動力學(xué)米氏方程：sKssm sKsVvmm受單一營養(yǎng)物質(zhì)限制的微生物生長受單一營養(yǎng)物質(zhì)限制的微生物生長動力學(xué)方程動力學(xué)方程Monod方程：方程：mmSKs 111lStationary（不生長或生長率與死亡率相等）不生長或生長率與死亡率相等）: ldying: atxxm lnlnatmexxmax01xxdtdxx，（濃度最大）（濃度最大）a(比死亡速率比死亡速率 ，s-1)sKssmSmKSexp1nSnmSKSSxKSSm式中式中n為常數(shù)為常數(shù) x為細(xì)胞濃度為細(xì)胞濃度l培養(yǎng)液中

28、有抑制物的情形培養(yǎng)液中有抑制物的情形 高濃度基質(zhì)抑制存在的情況下高濃度基質(zhì)抑制存在的情況下 式中，式中，K Kisis為抑制常數(shù)，抑制作用越強(qiáng)，為抑制常數(shù)，抑制作用越強(qiáng)，K Kisis越小越小 isSmKSSK/1 高濃度產(chǎn)物抑制的情況下高濃度產(chǎn)物抑制的情況下 )1 (kPSKSSm)exp( kPSKSSm)(21kPkSKSSm線性線性 指數(shù)指數(shù) 產(chǎn)物積累一定量才有產(chǎn)物積累一定量才有抑制作用抑制作用其中：k，k1，k2為常數(shù)CBAXS0初 始 底 物 濃 度菌 體 濃 度分批發(fā)酵中初始底物濃度對穩(wěn)定期菌體濃度的分批發(fā)酵中初始底物濃度對穩(wěn)定期菌體濃度的影響影響 AB區(qū)：菌體濃度與初始底物濃度

29、成正比，有： )(0/tSXSSYXX X為菌體濃度，為菌體濃度， 為針對底物為針對底物的細(xì)胞得率，初始的細(xì)胞得率，初始X X0 0為零；為零；S S0 0為底物初始濃度；為底物初始濃度；S St t為底物殘留濃度。為底物殘留濃度。 SXY/BC區(qū)：隨S0增加，菌體濃度達(dá)最高水平，再增加S0 ，菌體不再線性增加。 C區(qū)：菌體活性受初始高濃度底物及高滲作用抑制，菌體濃度與初始底物濃度成反比。 X/SY高濃度底物高濃度底物抑制的情形抑制的情形l 當(dāng)培養(yǎng)基中存在多種限制性營養(yǎng)物時，當(dāng)培養(yǎng)基中存在多種限制性營養(yǎng)物時， Monod方程應(yīng)改為？122221111max1innnnKiSKSKSKSKSKS

30、K得率系數(shù)得率系數(shù)Yx/s、Yx/oYx/ATPsxYSX/spYSP/GSXYSX/*pSPSPY/*得率系數(shù)得率系數(shù)SXSXSXYxdtdxYdtdsdtdsYdtdx/1dtdpYdtdsdtdsYdtdpSPSP/1dtdpYmxYxdtdssPsx/*1*分批發(fā)酵動力學(xué)-基質(zhì)消耗動力學(xué)為了扣除細(xì)胞量的影響為了扣除細(xì)胞量的影響，定義：基質(zhì)比消耗速率定義：基質(zhì)比消耗速率 產(chǎn)物比生成速率產(chǎn)物比生成速率 dtdsxqS1dtdPxqP1Sq*/*sPPsxYqmYSqSXY/分批發(fā)酵動力學(xué)-基質(zhì)消耗動力學(xué)dtdpYmxYxdtdsSPsx*/1*SXSXYxdtdxYdtds/1SPpsYq

31、q/dtdpYdtdsSP/1SXY/spPsxYqmY/*SPPYq/=若生長階段產(chǎn)物生成可以忽略，即若生長階段產(chǎn)物生成可以忽略，即 0PPYqmYYSXSX*11/分批發(fā)酵動力學(xué)-基質(zhì)消耗動力學(xué)1/Yx/s1/ 1/Y*x/sml 圖解法求微生物的本征參數(shù)圖解法求微生物的本征參數(shù)Y*x/s和和m分批發(fā)酵動力學(xué)-基質(zhì)消耗動力學(xué)sxSXYmY/*110*/sxYPsPSPqmYY/*11 若生產(chǎn)階段微生物生長可以忽略，若生產(chǎn)階段微生物生長可以忽略，分批發(fā)酵動力學(xué)-基質(zhì)消耗動力學(xué)SXY/SPPsxYqmY/*SPPYq/=1/Yp/sSPPSPYqmY/*111/qpm1/Y*P/S分批發(fā)酵動力

32、學(xué)-產(chǎn)物形成動力學(xué)相關(guān)型部分相關(guān)型非相關(guān)型產(chǎn)物合成相關(guān)、部分相關(guān)、非相關(guān)模型動力學(xué)示意圖 XPPxXPYqdtdxYdtdP/1/ 產(chǎn)物的生成是微生物細(xì)胞主要能量代謝的直產(chǎn)物的生成是微生物細(xì)胞主要能量代謝的直接結(jié)果，菌體生長速率的變化與產(chǎn)物生成速率的接結(jié)果，菌體生長速率的變化與產(chǎn)物生成速率的變化相平行。變化相平行。分批發(fā)酵動力學(xué)-產(chǎn)物形成動力學(xué)檸檬酸、氨基酸等發(fā)酵檸檬酸、氨基酸等發(fā)酵PqxdtdxdtdP 產(chǎn)物間接由能量代謝生成，不是底物的產(chǎn)物間接由能量代謝生成，不是底物的直接氧化產(chǎn)物，而是菌體內(nèi)生物氧化過程的直接氧化產(chǎn)物，而是菌體內(nèi)生物氧化過程的主流產(chǎn)物（與初級代謝緊密關(guān)聯(lián)）。主流產(chǎn)物（與初

33、級代謝緊密關(guān)聯(lián)）。 分批發(fā)酵動力學(xué)-產(chǎn)物形成動力學(xué)pqxdtdP若考慮到產(chǎn)物可能存在分解時，則若考慮到產(chǎn)物可能存在分解時，則PkxqPkxdtdPdpd 產(chǎn)物生成與能量代謝不直接相關(guān)，通過細(xì)胞產(chǎn)物生成與能量代謝不直接相關(guān)，通過細(xì)胞進(jìn)行的獨(dú)特的生物合成反應(yīng)而生成。進(jìn)行的獨(dú)特的生物合成反應(yīng)而生成。 分批發(fā)酵動力學(xué)-產(chǎn)物形成動力學(xué)分批發(fā)酵動力學(xué) 殺假絲菌素分批發(fā)酵中的葡萄糖消耗、DNA含量和殺假絲菌素合成的變化 。l 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例不利于測定過程動力學(xué)，存在底物限制或抑制問題，不利于測定過程動力學(xué)，存在底物限制或抑制問題，會出現(xiàn)底物分解阻遏效應(yīng)會出現(xiàn)底物分解阻遏效應(yīng)? ?及二次生長及二次生長? ?

34、現(xiàn)象。現(xiàn)象。對底物類型及初始高濃度敏感的次級代謝物如一些對底物類型及初始高濃度敏感的次級代謝物如一些抗生素等就不適合用分批發(fā)酵抗生素等就不適合用分批發(fā)酵（生長與合成條件差生長與合成條件差別大別大）養(yǎng)分會耗竭快，無法維持微生物繼續(xù)生長和生產(chǎn)養(yǎng)分會耗竭快，無法維持微生物繼續(xù)生長和生產(chǎn)非生產(chǎn)時間長，生產(chǎn)率較低非生產(chǎn)時間長，生產(chǎn)率較低 （一）連續(xù)發(fā)酵類型及裝置（一）連續(xù)發(fā)酵類型及裝置（二）連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)模型（二）連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)模型1.1.單級恒化器連續(xù)單級恒化器連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵2.2.多級恒化器連續(xù)多級恒化器連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵3.3.進(jìn)行細(xì)胞回流的單進(jìn)行細(xì)胞回流的單級級恒化器恒化器連續(xù)連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵（三）（三）連

35、續(xù)連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)理論的發(fā)酵動力學(xué)理論的應(yīng)用應(yīng)用 第三節(jié) 連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)單級連續(xù)發(fā)酵單級連續(xù)發(fā)酵DSSYxSX0/DDKSmS前提: 只受單一底物限制只受單一底物限制 Yx/s對一定的對一定的來講，為常數(shù)來講，為常數(shù) DDC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時:DDKSDYDxmSSX0/n細(xì)胞生產(chǎn)率細(xì)胞生產(chǎn)率 當(dāng)當(dāng) 即即 時時DDKSDYDxmSSX0/, 0dDdDx01SKKDSSm可獲得最大的細(xì)胞生產(chǎn)率，為可獲得最大的細(xì)胞生產(chǎn)率，為20000/SKSSKSYDxSSmSXml 細(xì)胞生產(chǎn)率細(xì)胞生產(chǎn)率 連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵l多級恒化器的多級恒化器的第一級第一級動力學(xué)模型動力學(xué)模型 假設(shè)兩

36、級發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)體積相同，即假設(shè)兩級發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)體積相同，即V1=V2；且第二級不加入；且第二級不加入新鮮培養(yǎng)基，則對于第一級動力學(xué)模型（方程）與單級相同。新鮮培養(yǎng)基，則對于第一級動力學(xué)模型（方程）與單級相同。連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-多級多級恒化器連續(xù)發(fā)酵FS2X2S2X2S1X1S1X1FS0l 穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時D1)(10/1SSYxSXDDKSmS1)(0/1DDKSDYDxmSSX11xqDPP連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-多級恒化器連續(xù)發(fā)酵l 第二級細(xì)胞物料衡算第二級細(xì)胞物料衡算 第二級穩(wěn)態(tài)時第二級穩(wěn)態(tài)時， 同理同理, ,由穩(wěn)態(tài)方程可得，由穩(wěn)態(tài)方程可得， 222212xxDxDxdtdx21221,

37、 0 xxDdtdx)1 (1nnnxxD多級恒化器連續(xù)發(fā)酵l多級恒化器的多級恒化器的第二級動力學(xué)模型第二級動力學(xué)模型11111SKSkSSmsm22221SKSkSSmsm S1S0 ， S2S1 從第二級開始從第二級開始，比生長速率，比生長速率 不再等于稀釋率不再等于稀釋率D.D12n連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-多級恒化器連續(xù)發(fā)酵l 第二級基質(zhì)物料衡算第二級基質(zhì)物料衡算 n穩(wěn)態(tài)時，穩(wěn)態(tài)時， SXYxDSDSdtdS/22212212/212/22)(0SSDYSSDYxdtdSSXSX連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-多級恒化器連續(xù)發(fā)酵2121xxD21/12SSYxxSX21/10/21/12SSYSSY

38、SSYxxSXSXSX20/2SSYxSX連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-多級恒化器連續(xù)發(fā)酵l 第二級基質(zhì)物料衡算第二級基質(zhì)物料衡算 212/2SSDYxSXl S2的求解的求解 解此方程可得第二級發(fā)酵罐中穩(wěn)態(tài)限制性基質(zhì)濃度解此方程可得第二級發(fā)酵罐中穩(wěn)態(tài)限制性基質(zhì)濃度S2,再由再由式式(2)可確定可確定x2,再求出再求出Dx1,Dx2.02222022DDKSDKDDKSSDmSSmSmm（1）（3）2121xxD（1）20/2SSYxSX)(10/1SSYxSX（2）DDKSmS12s2m2SkS（3）連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-多級恒化器連續(xù)發(fā)酵l 細(xì)胞形成產(chǎn)物的速率：細(xì)胞形成產(chǎn)物的速率：DP2n穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)

39、態(tài)時 22122212xqDPDPkPdtdPDPDPdtdPP細(xì)胞合成02dtdP21212xqxqxqDPDPPPP連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-多級恒化器連續(xù)發(fā)酵l 第二級發(fā)酵罐產(chǎn)物濃度第二級發(fā)酵罐產(chǎn)物濃度 同理類推同理類推 DxqPPP212DxqPPnPnn1連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-多級恒化器連續(xù)發(fā)酵 二級連續(xù)發(fā)二級連續(xù)發(fā)酵中不同稀釋率酵中不同稀釋率下的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞濃下的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞濃度、限制性基質(zhì)度、限制性基質(zhì)濃度和細(xì)胞生產(chǎn)濃度和細(xì)胞生產(chǎn)率的變化。率的變化。連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-多級恒化器連續(xù)發(fā)酵l 例題例題n 已知某一微生物反應(yīng)，其細(xì)胞生長符合已知某一微生物反應(yīng)，其細(xì)胞生長符合Monod動動力學(xué)模

40、型，力學(xué)模型， 其其 ，試問：試問： (1)在單一在單一CSTR（連續(xù)攪拌式反應(yīng)器）進(jìn)行反應(yīng)，（連續(xù)攪拌式反應(yīng)器）進(jìn)行反應(yīng)，穩(wěn)態(tài)下操作且無細(xì)胞死亡，欲達(dá)到最大的細(xì)胞生產(chǎn)率，穩(wěn)態(tài)下操作且無細(xì)胞死亡，欲達(dá)到最大的細(xì)胞生產(chǎn)率，其最佳稀釋率是多少其最佳稀釋率是多少? (2)采用同樣大小采用同樣大小N個個CSTR相串聯(lián)，其相串聯(lián)，其D值相同，值相同，若要求最終反應(yīng)基質(zhì)濃度降至若要求最終反應(yīng)基質(zhì)濃度降至1g/L以下，試求以下，試求N至少至少應(yīng)為多少級應(yīng)為多少級?1,/50,/2,5 .001maxSXSYLgSLgKn 解：代入下式：、將出口濃度分別為）對第一個反應(yīng)器，其（根據(jù)11101maxmaxmax

41、110maxmax/8 .41)2 . 850(1)(,/2 . 8402. 05 . 0402. 022h402. 0502215 . 01) 1 (XSLgSSYXLgDDKSSKKDSXSSS21222SX12DXDX ,XY1D1SS212xx1D212/2SSDYxSXL/g7 .49X h065. 0 CSTR 2NL/g3 . 0S 01 .67S7 .228S S2S5 . 0SKS 402. 08 .41402. 048. 22 . 8 DXDY1D1SS 2122222222S2max222212SX12并求得串聯(lián)能滿足本題需求。即兩個等體積，故采用故有：又因?yàn)橐虼?23S

42、X2332X 33SX23DXDY1D1SS DXDC XY1D1SS 3N3由上面兩式得：時，有若看一下N=3時的情況：g/L9 .49X h0238. 0 Lg/1 . 0S 046. 2S26.261S S2S5 . 0402. 07 .49402. 0S2S5 . 048. 23 . 0S SKS 3133323333333S3max3解得：整理得：又有l(wèi) 進(jìn)行細(xì)胞回流的單級連續(xù)發(fā)酵進(jìn)行細(xì)胞回流的單級連續(xù)發(fā)酵n概念概念：進(jìn)行單級連續(xù)發(fā)酵時，把發(fā)酵罐流出的發(fā)酵液：進(jìn)行單級連續(xù)發(fā)酵時，把發(fā)酵罐流出的發(fā)酵液進(jìn)行分離，經(jīng)濃縮的細(xì)胞懸浮液送回發(fā)酵罐中。進(jìn)行分離，經(jīng)濃縮的細(xì)胞懸浮液送回發(fā)酵罐中。連

43、續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級恒化器連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：提高了發(fā)酵罐中的提高了發(fā)酵罐中的細(xì)胞濃度，也有利于細(xì)胞濃度，也有利于提高系統(tǒng)的操作穩(wěn)定提高系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性。性。X1cX1l 細(xì)胞生長動力學(xué)方程細(xì)胞生長動力學(xué)方程n細(xì)胞的物料衡算細(xì)胞的物料衡算(與與D的關(guān)系的關(guān)系) 積累的細(xì)胞積累的細(xì)胞= =進(jìn)入培養(yǎng)液中的細(xì)胞進(jìn)入培養(yǎng)液中的細(xì)胞+ +再循環(huán)流入的細(xì)胞再循環(huán)流入的細(xì)胞 - -流出的細(xì)胞流出的細(xì)胞+ +生長的細(xì)胞生長的細(xì)胞- -死亡的細(xì)胞死亡的細(xì)胞1111011xxxVFaCxVaFxVFdtdx連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級恒化器連續(xù)發(fā)酵假定假定: 細(xì)胞死亡很少（細(xì)胞死亡很少（ =0

44、） 培養(yǎng)基無菌加入（培養(yǎng)基無菌加入（x0=0） D=F/V由穩(wěn)態(tài)條件由穩(wěn)態(tài)條件 得得 01dtdx0 xDxa1aDCx111aCa1D連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級恒化器連續(xù)發(fā)酵n限制性基質(zhì)的物料衡算（限制性基質(zhì)的物料衡算（x1與與D的關(guān)系）的關(guān)系）積累的基質(zhì)積累的基質(zhì) = = 進(jìn)入基質(zhì)進(jìn)入基質(zhì)+ +循環(huán)流入基質(zhì)循環(huán)流入基質(zhì)- -流出基質(zhì)流出基質(zhì)- -消耗的基質(zhì)消耗的基質(zhì) S/X10YxSVFa1SVaFSVFdtdS連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級恒化器連續(xù)發(fā)酵l x1與與D的關(guān)系的關(guān)系代入代入有：有：0dtdSS/X10YxDSa1aDSDSSSYDxSX0/1SSYaCa11x0

45、S/X1連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級恒化器連續(xù)發(fā)酵D=F/VaCa1D穩(wěn)態(tài)時，穩(wěn)態(tài)時，S/X10YxSVFa1SVaFSVFdtdSaCa1DaCa1DKSaCa1YxmS0S/X1連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級恒化器連續(xù)發(fā)酵 x1比單級無再循環(huán)的比單級無再循環(huán)的x要大大aCa1DaCa1DKKSSkSmSmSsm又又代入代入x1式式, 得得1aCa11n假定分離器無細(xì)胞生長和基質(zhì)消耗，則有細(xì)胞物料衡算式：假定分離器無細(xì)胞生長和基質(zhì)消耗，則有細(xì)胞物料衡算式： 流入分離器細(xì)胞流入分離器細(xì)胞= =流出分離器細(xì)胞流出分離器細(xì)胞+ + 再循環(huán)細(xì)胞再循環(huán)細(xì)胞l 最終流出的細(xì)胞量最終流出的細(xì)胞量

46、xe與與 D關(guān)系關(guān)系1e1CxaFFxFxa11exaCa1xaCa1DaCa1DKSYmS0S/X連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級恒化器連續(xù)發(fā)酵SSY0S/Xl 舉例舉例 :單級細(xì)胞再循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用單級細(xì)胞再循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用D25D10aCa1DaCa1D.KSaCa1YxmS0S/X1連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級恒化器連續(xù)發(fā)酵5 . 0a, 2C, l /g10S, l /g2 . 0K, l /g5 . 0Y,h10SS/X1m設(shè)系統(tǒng)的設(shè)系統(tǒng)的對于回流系統(tǒng)有：對于回流系統(tǒng)有：DDDDx251021aCa1DaCa1D.KSYmS0S/XD210D5exD25DaCa1DaC

47、a1DKSmS連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級恒化器連續(xù)發(fā)酵n對于無回流系統(tǒng)有對于無回流系統(tǒng)有：連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級恒化器連續(xù)發(fā)酵DDSSYxSX11050/DDDDx11052DDDDKSmS15eXD210D5連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級恒化器連續(xù)發(fā)酵 細(xì)胞回流與不回流的單級連續(xù)發(fā)酵比較細(xì)胞回流與不回流的單級連續(xù)發(fā)酵比較A-細(xì)胞回流時的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞回流時的穩(wěn)態(tài)X；B-細(xì)胞回流時的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞回流時的穩(wěn)態(tài)DX；C-細(xì)胞回流時的細(xì)胞回流時的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)Xe；D-細(xì)胞不回流時的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞不回流時的穩(wěn)態(tài)X；E-細(xì)胞不回流時的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞不回流時的穩(wěn)態(tài)DXl 應(yīng)用應(yīng)用 n有助于了解和研究細(xì)胞生長

48、、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物有助于了解和研究細(xì)胞生長、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物生成的動力學(xué)規(guī)律，從而優(yōu)化發(fā)酵工藝。生成的動力學(xué)規(guī)律，從而優(yōu)化發(fā)酵工藝。n便于研究細(xì)胞在不同比生長速率下的特征。便于研究細(xì)胞在不同比生長速率下的特征。連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論n利用連續(xù)培養(yǎng)的選擇性進(jìn)行富集培養(yǎng)菌利用連續(xù)培養(yǎng)的選擇性進(jìn)行富集培養(yǎng)菌種選擇及防污染處理。種選擇及防污染處理。l 應(yīng)用應(yīng)用 連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論n在底物濃度為在底物濃度為S S情情況下雜菌況下雜菌Y Y的生長速的生長速率率 y y比系統(tǒng)的稀釋比系統(tǒng)的稀釋速率速率D D要小要小n Y Y的積累速率的積累速率 ：DYyYdtdY 結(jié)果是負(fù)值，表明雜菌不能在

49、系統(tǒng)中存留 連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論n底物濃度為S的情況下雜菌Z能以比D大的比生長速率下生長 DZZdtdZZ 比D大，故 dZ/dt是正的，雜菌Z積累，系統(tǒng)中底物濃度下降到S，此時 D，建立新的穩(wěn)態(tài)。此時生產(chǎn)菌X的比生長速率 比原有的小。 D，故將生產(chǎn)菌從系統(tǒng)中淘汰 ZZXX連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論n雜菌雜菌W 入侵的成敗取決于系統(tǒng)的稀釋速率。入侵的成敗取決于系統(tǒng)的稀釋速率。n由圖可見，在稀釋速率為由圖可見，在稀釋速率為0.25D0.25Dc c（臨界?。ㄅR界稀釋速率）下，釋速率）下，W競爭不過競爭不過X X而被沖走而被沖走 . . 連續(xù)培養(yǎng)中雜菌能否積累取決于它在培養(yǎng)系統(tǒng)中的競爭能力 n遺傳穩(wěn)定性

50、研究遺傳穩(wěn)定性研究n選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)作為限制性基質(zhì)，可使連續(xù)發(fā)酵中細(xì)選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)作為限制性基質(zhì)，可使連續(xù)發(fā)酵中細(xì)胞代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)大大提高。胞代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)大大提高。n連續(xù)發(fā)酵提高生產(chǎn)率連續(xù)發(fā)酵提高生產(chǎn)率l 應(yīng)用應(yīng)用 連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論分批發(fā)酵：生產(chǎn)周期分批發(fā)酵：生產(chǎn)周期 式中式中：tL-延遲期所占用時間延遲期所占用時間； tR放料時間放料時間 tP清洗發(fā)酵罐、培養(yǎng)基、滅菌、冷卻所需時間清洗發(fā)酵罐、培養(yǎng)基、滅菌、冷卻所需時間 xF發(fā)酵終點(diǎn)細(xì)胞濃度發(fā)酵終點(diǎn)細(xì)胞濃度； x0接種后細(xì)胞濃度接種后細(xì)胞濃度 假定分批發(fā)酵的指數(shù)生長期延續(xù)到限制性基質(zhì)耗假定分批發(fā)酵的指數(shù)生長期延續(xù)到限制性基質(zhì)耗盡，這時達(dá)到

51、最大細(xì)胞濃度盡，這時達(dá)到最大細(xì)胞濃度xFPRFmLBttXXtt0ln1l 應(yīng)用應(yīng)用-提高生產(chǎn)率提高生產(chǎn)率 連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論BFCBtxxP0分批發(fā)酵的細(xì)胞生產(chǎn)率為分批發(fā)酵的細(xì)胞生產(chǎn)率為:連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論l 應(yīng)用應(yīng)用-提高生產(chǎn)率提高生產(chǎn)率 PRLFmSXtttxxSY00/ln1 可見可見, ,細(xì)胞的細(xì)胞的m m越大，輔助操作時間越長，越大，輔助操作時間越長，連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)勢就越大。連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)勢就越大。 SmSXCCKSSYP0, 0/PRLmFCBCCtttxxPP0lnl 應(yīng)用應(yīng)用 -單級連續(xù)發(fā)酵最大生產(chǎn)率單級連續(xù)發(fā)酵最大生產(chǎn)率連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論單級連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵最大生產(chǎn)率之

52、比為：單級連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵最大生產(chǎn)率之比為：20000/SKSSKSYDxSSmSXm連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)第四節(jié)第四節(jié) 補(bǔ)料分批發(fā)酵補(bǔ)料分批發(fā)酵界于界于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的操作方式。的操作方式?？捎行У乜捎行У乜刂瓶刂婆囵B(yǎng)過程，培養(yǎng)過程，提高提高培養(yǎng)過程的生產(chǎn)水平，培養(yǎng)過程的生產(chǎn)水平，在工廠中得到廣泛應(yīng)用。在工廠中得到廣泛應(yīng)用。什么是補(bǔ)料分批發(fā)酵？什么是補(bǔ)料分批發(fā)酵？n補(bǔ)料分批培養(yǎng)（補(bǔ)料分批培養(yǎng)（Fed-batch culture）：）： 分批發(fā)酵過程中補(bǔ)充培養(yǎng)基，不從發(fā)酵體系分批發(fā)酵過程中補(bǔ)充培養(yǎng)基，不從發(fā)酵體系中排出發(fā)酵液，使發(fā)酵液的體積隨著發(fā)酵時間逐中排出發(fā)酵液，使發(fā)酵液的體積隨著發(fā)酵時間逐漸增加漸增加 。n概念：概念：在發(fā)酵過程中，不連續(xù)地向發(fā)酵罐內(nèi)加在發(fā)酵過程中，不連續(xù)地向發(fā)酵罐內(nèi)加入培養(yǎng)基，但不取出發(fā)酵液的發(fā)酵方式。入培養(yǎng)基，但不取出發(fā)酵液的發(fā)酵方式。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：由于培養(yǎng)基的加入，發(fā)酵液體積不斷增由于培養(yǎng)基的加入，發(fā)酵液體積不斷增加。加。補(bǔ)料分批發(fā)酵動力學(xué)n半連續(xù)發(fā)酵概念：半連續(xù)發(fā)酵概念： 在發(fā)酵過程中，每隔一定時間，取出一定體積在發(fā)酵過程中，每隔一定時間，取出一定體積的發(fā)酵液，同時在同一時