發(fā)酵工程 第七章 發(fā)酵動力學(xué)

1、生物反應(yīng)分類生物反應(yīng)分類一、一、通過細(xì)胞培養(yǎng)，利用細(xì)胞產(chǎn)生的酶系統(tǒng)，把培養(yǎng)基中的物通過細(xì)胞培養(yǎng)，利用細(xì)胞產(chǎn)生的酶系統(tǒng)，把培養(yǎng)基中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成新的質(zhì)轉(zhuǎn)化成新的細(xì)胞細(xì)胞及其及其代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物。 底物底物 新的細(xì)胞新的細(xì)胞 + + 代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物二二、在、在酶的作用酶的作用下，底物反應(yīng)生成產(chǎn)物。下，底物反應(yīng)生成產(chǎn)物。 淀粉淀粉 糊精糊精 + + 低聚糖低聚糖 細(xì)胞細(xì)胞 淀粉酶淀粉酶發(fā)酵的目的發(fā)酵的目的 獲得產(chǎn)物獲得產(chǎn)物，提高發(fā)酵生產(chǎn)率，即提高微生物的催化與轉(zhuǎn)化，提高發(fā)酵生產(chǎn)率，即提高微生物的催化與轉(zhuǎn)化能力。能力。 降解有害底物，保護(hù)環(huán)境。降解有害底物，保護(hù)環(huán)境。 降解廢棄底物，形成生物能源產(chǎn)品。

2、降解廢棄底物，形成生物能源產(chǎn)品。 降解長鏈烴底物形成發(fā)酵產(chǎn)物，促進(jìn)采油。降解長鏈烴底物形成發(fā)酵產(chǎn)物，促進(jìn)采油。發(fā)酵研究的關(guān)鍵問題發(fā)酵研究的關(guān)鍵問題 提高生物催化與轉(zhuǎn)化能力。提高生物催化與轉(zhuǎn)化能力。 分子水平分子水平 酶催化反應(yīng)活性酶催化反應(yīng)活性 酶基因表達(dá)調(diào)控酶基因表達(dá)調(diào)控 細(xì)胞水平細(xì)胞水平 一系列酶促反應(yīng)的交互一系列酶促反應(yīng)的交互 細(xì)胞水平的綜合細(xì)胞水平的綜合 細(xì)胞生長、細(xì)胞生長、底物消耗、底物消耗、產(chǎn)物合成產(chǎn)物合成 反應(yīng)器水平反應(yīng)器水平 一系列細(xì)胞酶促反應(yīng)的集成一系列細(xì)胞酶促反應(yīng)的集成 規(guī)模放大對細(xì)胞及分子水平的影響及控制規(guī)模放大對細(xì)胞及分子水平的影響及控制優(yōu)化發(fā)酵過程達(dá)到高產(chǎn)目標(biāo)的方法優(yōu)

3、化發(fā)酵過程達(dá)到高產(chǎn)目標(biāo)的方法 提高轉(zhuǎn)化率和效率的三個方面。提高轉(zhuǎn)化率和效率的三個方面。 發(fā)酵動力學(xué)研究發(fā)酵動力學(xué)研究 對現(xiàn)有微生物對現(xiàn)有微生物本征本征動力學(xué)認(rèn)識，弄清不同水平的主要影動力學(xué)認(rèn)識，弄清不同水平的主要影響因素和控制措施。響因素和控制措施。 菌種選育菌種選育 改造、修飾和構(gòu)建改造、修飾和構(gòu)建 工程措施工程措施 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及操作性能優(yōu)化，提高混合、傳熱、傳質(zhì)以反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及操作性能優(yōu)化，提高混合、傳熱、傳質(zhì)以及細(xì)胞間的信號傳遞，調(diào)控細(xì)胞群體的發(fā)酵能力。及細(xì)胞間的信號傳遞，調(diào)控細(xì)胞群體的發(fā)酵能力。發(fā)酵動力學(xué)研究方法發(fā)酵動力學(xué)研究方法 基于基于細(xì)胞水平細(xì)胞水平展開，包括展開，包括活細(xì)胞活細(xì)胞

4、、休眠細(xì)胞休眠細(xì)胞（休止細(xì)胞或（休止細(xì)胞或靜止期細(xì)胞）和靜止期細(xì)胞）和死亡細(xì)胞死亡細(xì)胞形成產(chǎn)物過程的形成產(chǎn)物過程的定量研究定量研究。 什么是發(fā)酵動力學(xué)？什么是發(fā)酵動力學(xué)？發(fā)酵動力學(xué)：發(fā)酵動力學(xué)：研究研究微生物生長微生物生長、產(chǎn)物合成產(chǎn)物合成、底物消耗底物消耗之間之間動態(tài)定量關(guān)系動態(tài)定量關(guān)系，定量描述定量描述微生物微生物 生長生長 和和 產(chǎn)物形成產(chǎn)物形成 過程。過程。主要研究主要研究：1、發(fā)酵動力學(xué)參數(shù)特征：微生物生長速率、發(fā)酵產(chǎn)物合成、發(fā)酵動力學(xué)參數(shù)特征：微生物生長速率、發(fā)酵產(chǎn)物合成速率、底物消耗速率及其轉(zhuǎn)化率、效率等；速率、底物消耗速率及其轉(zhuǎn)化率、效率等；2、影響發(fā)酵動力學(xué)參數(shù)的各種理化因子

5、；、影響發(fā)酵動力學(xué)參數(shù)的各種理化因子；3、發(fā)酵動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。、發(fā)酵動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。 一、認(rèn)識發(fā)酵過程的規(guī)律；一、認(rèn)識發(fā)酵過程的規(guī)律；二、合理設(shè)計的發(fā)酵過程，確定二、合理設(shè)計的發(fā)酵過程，確定最優(yōu)發(fā)酵過程最優(yōu)發(fā)酵過程參數(shù)參數(shù)，如：基質(zhì)濃度、溫度、，如：基質(zhì)濃度、溫度、pHpH、溶氧，等、溶氧，等等，確定最佳發(fā)酵工藝條件；等，確定最佳發(fā)酵工藝條件；三、提高三、提高發(fā)酵產(chǎn)量發(fā)酵產(chǎn)量、效率和轉(zhuǎn)化率等。、效率和轉(zhuǎn)化率等。生化反應(yīng)：生化反應(yīng)： aA + bB cC + dD反應(yīng)動態(tài)平衡 改變條件 破壞平衡如何能最快最多的獲得目的產(chǎn)物溫度酸堿度濃度催化劑催化劑如何確定高產(chǎn)高效的最佳條件？采用反應(yīng)動力學(xué)方

6、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)主要探討動力學(xué)主要探討反應(yīng)速率反應(yīng)速率問題：問題： 課程重點：主要針對微生物發(fā)酵的課程重點：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，通過研究微生物群體的生長、代謝，定量反映細(xì)胞群體酶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)體系的促反應(yīng)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)底物消耗動力學(xué) 產(chǎn)物合成動力產(chǎn)物合成動力 重點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)重點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)化主要影響因素。系，分析參數(shù)變化速

7、率，優(yōu)化主要影響因素。 但研究過程中將涉及三個層次的研究方法，達(dá)到認(rèn)識微但研究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)問題的目的。生物本質(zhì)特征、解決發(fā)酵工業(yè)問題的目的。發(fā)酵動力學(xué)研究的基本過程發(fā)酵動力學(xué)研究的基本過程 l 首先研究微生物生長和產(chǎn)物合成限制因子；首先研究微生物生長和產(chǎn)物合成限制因子；l 建立細(xì)胞生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成模型；建立細(xì)胞生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成模型；l 確定模型參數(shù)確定模型參數(shù)； l 實驗驗證模型實驗驗證模型的可行性與適用范圍；的可行性與適用范圍；l 根據(jù)模型實施最優(yōu)控制根據(jù)模型實施最優(yōu)控制。 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 分批發(fā)酵動力學(xué)分批發(fā)

8、酵動力學(xué) 連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)連續(xù)發(fā)酵動力學(xué) 補(bǔ)料分批發(fā)酵動力學(xué)補(bǔ)料分批發(fā)酵動力學(xué)什么是分批發(fā)酵？ 分批發(fā)酵：準(zhǔn)封閉培養(yǎng)，指一次性投料、接分批發(fā)酵：準(zhǔn)封閉培養(yǎng)，指一次性投料、接種直到發(fā)酵結(jié)束，屬典型的種直到發(fā)酵結(jié)束，屬典型的非穩(wěn)態(tài)過程非穩(wěn)態(tài)過程。 分批發(fā)酵過程中，微生物生長通常要經(jīng)歷延分批發(fā)酵過程中，微生物生長通常要經(jīng)歷延滯期、對數(shù)生長期、衰減期、穩(wěn)定期（靜止滯期、對數(shù)生長期、衰減期、穩(wěn)定期（靜止期）和衰亡期五個時期。期）和衰亡期五個時期。典型的分批發(fā)酵工藝流程圖分批發(fā)酵過程 t1 t2 t3 t4 t5 分批發(fā)酵時典型的微生物生長動力學(xué)曲線 菌體濃度X時間 t分批發(fā)酵動力學(xué)-細(xì)胞生長動力學(xué) 微生物

9、細(xì)胞倍增時間與群體生長動力學(xué)微生物細(xì)胞倍增時間與群體生長動力學(xué) 細(xì)菌：典型倍增時間細(xì)菌：典型倍增時間1hr 酵母：典型倍增時間酵母：典型倍增時間2hr 放線菌和絲狀真菌：典型倍增時間放線菌和絲狀真菌：典型倍增時間48hr 微生物細(xì)胞群體生長動力學(xué)是反映微生物細(xì)胞群體生長動力學(xué)是反映整個群體整個群體的生長特征，而的生長特征，而不是單個微生物生長倍增的特征。不是單個微生物生長倍增的特征。 因此，因此，菌齡是指一個群體的表觀狀態(tài)菌齡是指一個群體的表觀狀態(tài)。關(guān)于關(guān)于菌齡菌齡的描述的描述 分批發(fā)酵動力學(xué)分批發(fā)酵動力學(xué) 細(xì)胞生長動力學(xué)細(xì)胞生長動力學(xué) 基質(zhì)消耗動力學(xué)基質(zhì)消耗動力學(xué) 產(chǎn)物形成動力學(xué)產(chǎn)物形成動力

10、學(xué) 微生物生長特性通常以單位細(xì)胞濃度或細(xì)胞數(shù)量在單位時間內(nèi)的增加量來表示（、n）：dtdXX1dtdNNn1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lexp:(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

11、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: : sKssm分批發(fā)酵動力學(xué)-細(xì)胞生長動力學(xué)S限制性基質(zhì)濃度限制性基質(zhì)濃度，mol/m3Ks底物親和常數(shù)底物親和常數(shù)(也稱半飽和速度常數(shù)），表示微也稱半飽和速度常數(shù)），表示微生物對底物的親和力生物對底物的親和力 , mol/m3 ； Ks越大，親和力越大，親和力越小，越小， 越小。越小。 當(dāng)當(dāng)S較高時，較高時，(對數(shù)期滿足對數(shù)期滿足S10Ks)，此時，此時，= m 當(dāng)當(dāng)S較低時較低時，(減速期減速期， S10Ks)，此時此時S， 減速期，減速期， 分批發(fā)酵動力學(xué)-細(xì)胞生長動力學(xué)s

12、KssmtsKsxxsm0lnlntexx0比生長素率限制性底物殘留濃度St 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 sKsVvmmmmSKs 111受單一底物酶促反應(yīng)限制的微生物受單一底物酶促反應(yīng)限制的微生物生長動力學(xué)方程生長動力學(xué)方程Monod方程：方程： Monod方程應(yīng)用方程應(yīng)用： 測定微生物對不同底物的親和力大?。y定微生物對不同底物的親和力大?。↘s值）值

13、） 實驗確定適于微生物生長的最佳底物（實驗確定適于微生物生長的最佳底物（ ？）？） 比較不同底物發(fā)酵最終殘留的大?。ū容^不同底物發(fā)酵最終殘留的大?。?？）？） 比較不同微生物對同一底物的競爭優(yōu)勢，確定連續(xù)培比較不同微生物對同一底物的競爭優(yōu)勢，確定連續(xù)培養(yǎng)的稀釋率養(yǎng)的稀釋率lStationary（不生長或生長率與死亡率相等）: ldying: atxxm lnlnatmexxmax01xxdtdxx，（濃度最大）（濃度最大）分批發(fā)酵動力學(xué)-細(xì)胞生長動力學(xué)a(比死亡速率比死亡速率 ，s-1)分批發(fā)酵動力學(xué)l 假定整個生長階段無抑制物作用存在，則微生物生長動假定整個生長階段無抑制物作用存在，則微生物

14、生長動力學(xué)可用力學(xué)可用階段函數(shù)階段函數(shù)表示如下：表示如下： 0 x0 （0tt1) m x0e m t (t1tt2) = x= x0e m(t2-t1) e t (t2tt3) 0 xm (t3tt4) -a xme -a t (t4tt5)sKssm其它模型其它模型1l在無抑制作用情況下（但有底物限制存在） SmKSexp1nSnmSKSSxKSSm分批發(fā)酵動力學(xué)-細(xì)胞生長動力學(xué)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

15、制作用越強(qiáng)，K Kisis越小越小 isSmKSSK/1分批發(fā)酵動力學(xué)-細(xì)胞生長動力學(xué)其它模型其它模型2 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分批發(fā)酵動力學(xué)-細(xì)胞生長動力學(xué)其它模型其它模型2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)定期分批發(fā)酵中初始底物濃度對穩(wěn)定期菌體濃度的影響菌體濃度的影響 AB區(qū)：菌體濃度與初始底物濃度成正比，有： )(0/tSXSSYXX X為菌體濃度，為菌體濃

16、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， Monod方程應(yīng)改為？122221111max1innnnKiSKSKSKSKSKSK分批發(fā)酵動力學(xué)l 得率系數(shù)得率系數(shù) 指消耗單位營養(yǎng)物所生成的細(xì)胞或產(chǎn)物數(shù)量。其大小取指消耗單位營

17、養(yǎng)物所生成的細(xì)胞或產(chǎn)物數(shù)量。其大小取決于生物學(xué)參數(shù)決于生物學(xué)參數(shù)（,x ）和化學(xué)參數(shù)和化學(xué)參數(shù)（DO,C/N,磷含量等磷含量等） （1）生長得率系數(shù)生長得率系數(shù) Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克營養(yǎng)物、每克分子氧以及每消耗每克營養(yǎng)物、每克分子氧以及每千卡能量所生成的細(xì)胞克數(shù)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和每和每個有效電子所生成的細(xì)胞克數(shù)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)胞克數(shù)。消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的細(xì)胞克數(shù)。 分批發(fā)酵動力學(xué)-基質(zhì)基質(zhì)消耗動力

18、學(xué) 消耗每克營養(yǎng)物消耗每克營養(yǎng)物（s）或每克分或每克分子氧子氧(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)。sCOsATPOPYYY/p/s22,Y分批發(fā)酵動力學(xué)-基質(zhì)消耗動力學(xué)l 產(chǎn)物得率系數(shù)：產(chǎn)物得率系數(shù)： ： 定義：表觀得率定義：表觀得率 專一性得率專一性得率 *專一性用于生長的底物量專一性用于生長的底物量S不含用于維持能不含用于維持能耗及產(chǎn)物形成部分的用量。耗及產(chǎn)物形成部分的用量。sxYSX/spYSP/ sxYG sPYP分批發(fā)酵動力學(xué)-基質(zhì)消耗動力學(xué) 基質(zhì)消耗速率與生長、合成關(guān)系如下：基質(zhì)消耗速率與生長、合成關(guān)系如下： 表觀：表觀： 專一性：專一性： SXSX

19、SXYxdtdxYdtdsdtdsYdtdx/1dtdpYdtdsdtdsYdtdpSPSP/1dtdpYmxYxdtdsPG1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 dtdsxqS1dtdPxqP1SqPPGYqmYSqSXY/分批發(fā)酵動力學(xué)-基質(zhì)消耗動力學(xué)dtdpYmxYxdtdsPG1SXSXYxdtdxYdtds/1SPpsYqq/dtdpYdtdsSP/1SXY/PPGYqmYSPPYq/=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 0PPYqmYYGSX11/分

20、批發(fā)酵動力學(xué)-基質(zhì)消耗動力學(xué)1/Yx/s1/ 1/YGml 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)YG和和m分批發(fā)酵動力學(xué)-基質(zhì)消耗動力學(xué)GSXYmY11/0GYPPSPqmYY11/ 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/PPGYqmYSPPYq/=l 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)Yp和和mPPSPYqmY11/1/Yp/s1/qpm1/YP 根據(jù)發(fā)酵時間過程分析，微生物生根據(jù)發(fā)酵時間過程分析，微生物生長與產(chǎn)物合成存在以下三種關(guān)系：長與產(chǎn)物合成存在以下三種關(guān)系：l與生長相關(guān)與生長相關(guān)生長偶聯(lián)型生長偶聯(lián)型

21、l與生長部分相關(guān)與生長部分相關(guān)生長部分偶聯(lián)型生長部分偶聯(lián)型l與生長不相關(guān)與生長不相關(guān)無關(guān)聯(lián)無關(guān)聯(lián)分批發(fā)酵動力學(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 與生長相關(guān)與生長相關(guān)生長偶聯(lián)型：生長偶聯(lián)型：乙醇發(fā)酵乙醇發(fā)酵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)與生長部分相關(guān)與生長部分相關(guān)生長部分偶聯(lián)型：生長部分偶聯(lián)型：檸檬酸、氨基酸發(fā)酵檸檬酸、

22、氨基酸發(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（與初生代謝緊密關(guān)聯(lián)）。主流產(chǎn)物（與初生代謝緊密關(guān)聯(lián)）。 分批發(fā)酵動力學(xué)-產(chǎn)物形成動力學(xué)與生長不相關(guān)與生長不相關(guān)無關(guān)聯(lián)：無關(guān)聯(lián)：抗生素發(fā)酵抗生素發(fā)酵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)行的獨特的生物合成反應(yīng)而生成。進(jìn)行的獨特的生物合成反應(yīng)而生成。 分批發(fā)酵動力學(xué)-產(chǎn)物

23、形成動力學(xué)分批發(fā)酵動力學(xué)殺假絲菌素分批發(fā)酵動力學(xué)分析 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)用舉例分批發(fā)酵的優(yōu)缺點v優(yōu)點： 操作簡單、投資少 運行周期短 染菌機(jī)會減少 生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量較易控制v缺點： 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)?及二次生長?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抗生素等就不適合用分批發(fā)酵（生長與合成條件差別大） 養(yǎng)分會耗竭快，無法維持微生物繼續(xù)生長和生產(chǎn) 非生產(chǎn)時間長，生產(chǎn)率較低 連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)什么是連續(xù)發(fā)酵？l 連續(xù)發(fā)酵概念：連續(xù)發(fā)酵概念： 在發(fā)酵過程中，連

24、續(xù)向發(fā)酵罐流加培養(yǎng)基，在發(fā)酵過程中，連續(xù)向發(fā)酵罐流加培養(yǎng)基，同時以相同流量從發(fā)酵罐中取出培養(yǎng)液。同時以相同流量從發(fā)酵罐中取出培養(yǎng)液。 連續(xù)發(fā)酵特點：連續(xù)發(fā)酵特點： 添加培養(yǎng)基的同時，放出等體積發(fā)酵液，形成添加培養(yǎng)基的同時，放出等體積發(fā)酵液，形成連續(xù)生產(chǎn)過程，獲得連續(xù)生產(chǎn)過程，獲得相對穩(wěn)定相對穩(wěn)定的連續(xù)發(fā)酵狀態(tài)的連續(xù)發(fā)酵狀態(tài)。 連續(xù)發(fā)酵類型連續(xù)發(fā)酵類型： 單級單級連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵 多級連續(xù)發(fā)酵多級連續(xù)發(fā)酵（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.單級單級恒化器恒化器連續(xù)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)

25、行進(jìn)行細(xì)胞回流細(xì)胞回流的單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 主要內(nèi)容l 連續(xù)發(fā)酵類型及裝置連續(xù)發(fā)酵類型及裝置 罐式連續(xù)發(fā)酵罐式連續(xù)發(fā)酵 單級單級 多級串聯(lián)多級串聯(lián) 細(xì)胞回流式細(xì)胞回流式 塞流式連續(xù)發(fā)酵塞流式連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置單級連續(xù)發(fā)酵示意圖單級連續(xù)發(fā)酵示意圖連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置-單級l 兩兩個個及以上的及以上的發(fā)酵罐串聯(lián)起來，前一級發(fā)酵罐的出發(fā)酵罐串聯(lián)起來，前一級發(fā)酵罐的出 料作為下一級發(fā)酵罐的進(jìn)料料作為下一級發(fā)酵罐的進(jìn)料。 連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置-多級串聯(lián)兩級連續(xù)發(fā)酵示意圖兩級連續(xù)發(fā)酵示意圖l罐式連續(xù)發(fā)酵罐

26、式連續(xù)發(fā)酵實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法恒濁法：恒濁法：通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)物的流加速度，利用濁度計檢通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)物的流加速度，利用濁度計檢測細(xì)胞濃度，使之測細(xì)胞濃度，使之恒定恒定。恒化法：恒化法：保持某一限制性基質(zhì)在一保持某一限制性基質(zhì)在一恒定恒定濃度水平，使?jié)舛人?，使菌的比生長速率菌的比生長速率保持一定。保持一定。培養(yǎng)基輸入培養(yǎng)基進(jìn)入下一級發(fā)酵罐培養(yǎng)基進(jìn)入后處理或到下一級發(fā)酵罐 多級罐式連續(xù)發(fā)酵裝置示意圖 連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置-多級串聯(lián) a: 再循環(huán)比率（回流比）再循環(huán)比率（回流比） c: 濃縮因子濃縮因子 細(xì)胞回流細(xì)胞回流的單級連續(xù)發(fā)酵示意圖的單級連續(xù)發(fā)酵示意圖連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置-細(xì)胞回流式eSF

27、XF)1 (eXFcXF,發(fā)酵罐培養(yǎng)物流出無菌培養(yǎng)基流入供給連續(xù)接種再循環(huán)d連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-發(fā)酵裝置-塞流式 定義定義： 稀釋率稀釋率 D=F/V (h-1) F流量流量（m3/h） V培養(yǎng)液體積培養(yǎng)液體積（m3） 理論停留時間理論停留時間 DTL1連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵l 細(xì)胞的物料衡算細(xì)胞的物料衡算（和和D的關(guān)系的關(guān)系）對于對于單級單級恒化器恒化器：X0 =0 且通常有：且通常有： xxDxDxxdtdxxVFxVFdtdxG00 xDdtdx連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵積累的細(xì)胞（凈增量）積累的細(xì)胞（凈增量）= = 流入的細(xì)胞流入的細(xì)胞- -流出的細(xì)胞流出的

28、細(xì)胞+ +生長的細(xì)生長的細(xì) 胞胞- -死亡的細(xì)胞死亡的細(xì)胞0dtdxxdtdx, 0 xdtdx, 0連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵xDdtdxA A. .穩(wěn)定狀態(tài)時穩(wěn)定狀態(tài)時， 此時此時 =D（單級連續(xù)發(fā)酵重要特征單級連續(xù)發(fā)酵重要特征）B.B.不穩(wěn)定時，不穩(wěn)定時，當(dāng)當(dāng)D，積累的營養(yǎng)組分積累的營養(yǎng)組分= =流入量流入量- -流出量流出量- -生長消耗量生長消耗量- - 維持生命需要量維持生命需要量- -形成產(chǎn)物消耗量形成產(chǎn)物消耗量穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時， =0=0,一般條件下一般條件下, ,mx DC ，則會出現(xiàn)：則會出現(xiàn)：DDC 由由 可知可知 負(fù)增長負(fù)增長，x，進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)，進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)，菌體

29、最終被洗出菌體最終被洗出，即即x=0 時時，達(dá)到達(dá)到“清洗點清洗點”，此時，此時， xDdtdx0dtdx00SKSDSmC連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵l 細(xì)胞濃度與稀釋率的關(guān)聯(lián)（細(xì)胞濃度與稀釋率的關(guān)聯(lián)（X X與與D D的關(guān)系）的關(guān)系） 應(yīng)用應(yīng)用Monod方程，此時，方程，此時， SKSDSm連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵l 生長模型生長模型 由兩個穩(wěn)態(tài)方程可以推出由兩個穩(wěn)態(tài)方程可以推出D D與與X X關(guān)聯(lián)的生長模型關(guān)聯(lián)的生長模型 當(dāng)當(dāng)DKs （S010Ks）,底物供給濃度很大，為非限制性底物供給濃度很大，為非限制性則則 此時，最大臨界稀釋率此時，最大臨界稀釋率 當(dāng)當(dāng) D

30、Dc= 時時，0/maxSYDxmSXmSmcSKSD00m0dtdx連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵20000/SKSSKSYDxSSmSXml 產(chǎn)物的物料衡算產(chǎn)物的物料衡算 產(chǎn)物變化率產(chǎn)物變化率= =細(xì)胞合成產(chǎn)物速率細(xì)胞合成產(chǎn)物速率+ +流入流入- -流出流出- -分解項分解項 當(dāng)連續(xù)發(fā)酵處于穩(wěn)態(tài)當(dāng)連續(xù)發(fā)酵處于穩(wěn)態(tài)， ， 且加料中不含產(chǎn)物，即且加料中不含產(chǎn)物，即 ，P分解速率可忽略分解速率可忽略。 得得PkPPDxqPkDPDPdtdPdtdPDPD)(00細(xì)胞合成0)(總變化dtdP00PxqDPP連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵 x, s, Dx與與D關(guān)系總結(jié)：關(guān)系總結(jié)

31、：DSSYxSX0/DDKSmSDDKSDYDxmSSX0/連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵xqDPPl 實實 例例 幾個假設(shè)幾個假設(shè)： 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若已知若已知：考察：稀釋率（考察：稀釋率（D D）對細(xì)胞濃度）對細(xì)胞濃度(X)(X)、細(xì)胞生產(chǎn)率、細(xì)胞生產(chǎn)率(DX)(DX)和和底物濃度底物濃度(S)(S)的影響？的影響？ 底物胞kgkgYhlgSSXm/5.0,1,/10干 細(xì)/10lgKS/2.0連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵D)-0.2D/(1)/(SD)-0.1D/(1-D5DXD)-0.1D

32、/(1-5D)-0.2D/(1-0.510)/(0/DDKDDKSYXmSmSSX 稀釋率（稀釋率（D）對底物濃度對底物濃度(S)、細(xì)胞濃度細(xì)胞濃度(x)和和細(xì)胞生產(chǎn)率細(xì)胞生產(chǎn)率(DX)的影響。的影響。連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-單級恒化器連續(xù)發(fā)酵01SKKDSSml多級恒化器的第一級多級恒化器的第一級動力學(xué)模型動力學(xué)模型 假設(shè)兩級發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)體積相同，假設(shè)兩級發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)體積相同，即即V1=V2；且第二級不加入新鮮培養(yǎng)基，；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）與單則對于第一級動力學(xué)模型（方程）與單級相同。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l 穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時D1)

33、(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多級恒化器的第二級動力學(xué)模型多級恒化器的第二級動力學(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, 0 xxDdtdx)1 (1nnnxxD連

34、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 穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時， SPPSXYxqmxYxDSDSdtdS/22/22212212/212/22)(0SSDYSSDYxdtdSSXSX連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論-多級恒化器連續(xù)發(fā)酵2121xxD21/12SSYxxSX21/10/21/12SSYSSYSSYxxSXSXSX20/2SSYxSX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)濃度質(zhì)濃度S2,再由式再由

35、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：DP2 穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)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

36、學(xué)-理論-多級恒化器連續(xù)發(fā)酵l 例題 已知某一微生物反應(yīng)，其細(xì)胞生長符合Monod動力學(xué)模型， 其 ，試問： (1)在單一CSTR（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，其最佳稀釋率是多少? (2)采用同樣大小N個CSTR相串聯(lián)，其D值相同，若要求最終反應(yīng)基質(zhì)濃度降至1g/L以下，試求N至少應(yīng)為多少級?1,/50,/2,5.001maxSXSYLgSLgK 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)1110SX1maxmaxmaxS110SSmaxmaxXSL/g8 .41)2 . 850(1)SS(YX,L/g2 . 8402. 05 .

37、 0402. 02DDKS2h402. 0502215 . 0SKK1D) 1 (21222SX12DXDX ,XY1D1SSL/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：又因為因此32323323 332311 由上面兩式得： 11 時，有3若DXDYDSSDXDXXYDSSNSXSX看一下N=3時的情況：g/L9 .49X h0238.

38、0 Lg/1 . 0S 046. 2S26.261S S2S5 . 0402. 07 .49402. 0S2S5 . 048. 23 . 0S SKS 3133323333333S3max3解得：整理得：又有 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 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 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)行分離，經(jīng)濃縮的細(xì)胞懸浮液送回發(fā)酵罐中。液進(jìn)行分

39、離，經(jīng)濃縮的細(xì)胞懸浮液送回發(fā)酵罐中。 a: 再循環(huán)比（回流比）（再循環(huán)比（回流比）（a1）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 優(yōu)點：提高了發(fā)酵罐優(yōu)點：提高了發(fā)酵罐中的細(xì)胞濃度和底物中的細(xì)胞濃度和底物的轉(zhuǎn)化率，也有利于的轉(zhuǎn)化率，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。l 細(xì)胞生長動力學(xué)方程細(xì)胞生長動力學(xué)方程 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111101xxxVFa1CxVa

40、FxVFdtdx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） 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D111101xxxVFa1CxVaFxVFdtdx 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

41、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/X10YxDSa1aDSDSSSYDxSX0/1SSYaCa11x0S/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，XSSYSX0/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1aCa11l 最終流出的細(xì)胞量最終流出的細(xì)胞量xe與與 D關(guān)系關(guān)系

42、 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1e1CxaFFxFxa1111xxaCaxeaCa1DaCa1DKSYmS0S/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SSYaCa11x0S/X1l 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

43、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：DDDDxe21052D25DaCa1DaCa1DKSmS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DDDDx251021aCa1DaCa1D.KSYmS0S/XD210D5ex 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-

44、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 有助于了解和研究細(xì)胞生長、基質(zhì)消耗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)和產(chǎn)物生成的動力學(xué)規(guī)律，從而優(yōu)化發(fā)酵工藝。酵工藝。 便于研究細(xì)胞在不同比生長速率下的特便于研究細(xì)胞在不同比生長速率下的特征。征。連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論 利用細(xì)胞再循環(huán)連續(xù)發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行廢利用細(xì)胞再循環(huán)連續(xù)發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行廢水的生化處理、發(fā)酵與產(chǎn)物分離耦合，水的生化處理、發(fā)酵與產(chǎn)物分離耦合，解除負(fù)反饋抑制，提高產(chǎn)量。解除負(fù)反饋抑制，提高產(chǎn)量。 利用連續(xù)培養(yǎng)的選擇性進(jìn)

45、行富集培養(yǎng)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。菌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v在底物濃度為S情況下雜菌Y的生長速率y比系統(tǒng)的稀釋速率D要小v Y的積累速率 ：DYyYdtdY 結(jié)果是負(fù)值，表明雜菌不能在系統(tǒng)中存留 連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論v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大的多，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v雜菌W 入侵的成敗取決于系統(tǒng)的稀釋

46、速率。v由圖可見，在稀釋速率為0.25Dc（臨界稀釋速率）下，W競爭不過X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 l 應(yīng)用應(yīng)用 遺傳穩(wěn)定性研究遺傳穩(wěn)定性研究 連續(xù)發(fā)酵提高生產(chǎn)率連續(xù)發(fā)酵提高生產(chǎn)率連續(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)酵終點細(xì)胞濃度發(fā)酵終點細(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

47、時達(dá)到最大細(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

48、產(chǎn)率之比為：單級連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵最大生產(chǎn)率之比為： 實驗數(shù)據(jù)如下：實驗數(shù)據(jù)如下：t 24h (生長罐生長罐） 48h （生產(chǎn)罐生產(chǎn)罐） 60h P1=0.07g/L P2=0.4g/L P3=0.62g/L X1=7g/L 求操作參數(shù)求操作參數(shù)D？并比較連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵的生產(chǎn)率？并比較連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵的生產(chǎn)率。hLgdtdP/018. 02hLgdtdP/012. 03hL/g415. 0dtdxl 應(yīng)用應(yīng)用-青霉素連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵對比青霉素連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵對比 計算：采用連續(xù)發(fā)酵時計算：采用連續(xù)發(fā)酵時第一罐第一罐： 第二罐：由第二罐：由111110593. 0415. 0711hd

49、tdxxD2212VdtdPFPFPdtdPPPD2122)(120545. 007. 04 . 0018. 0hD 為了保證串聯(lián)穩(wěn)定，兩罐稀釋率差異用體積差為了保證串聯(lián)穩(wěn)定，兩罐稀釋率差異用體積差異進(jìn)行調(diào)節(jié)異進(jìn)行調(diào)節(jié)。 F相同相同 產(chǎn)物在串聯(lián)系統(tǒng)停留時間產(chǎn)物在串聯(lián)系統(tǒng)停留時間 產(chǎn)物形成速率產(chǎn)物形成速率 2211,DFVDFVhDDtn3 .351121hLgtPDPn/011. 03 .354 . 022而分批發(fā)酵時， tn=48h, P=0.4g/L故產(chǎn)物形成速率 DP=0.4/48=0.0083g/Lh （比連續(xù)發(fā)酵低）（比連續(xù)發(fā)酵低）為充分利用基質(zhì)，再加一罐(第三罐)(相當(dāng)于60h)1

50、32330545. 0)(1hdtdPPPDtn=1/D1+ 1/D2+ 1/D3=53.7h產(chǎn)物形成速率 P3/tn=0.0115g/L h分批發(fā)酵 P3/t3=0.62/60=0.0103g /L hl 優(yōu)缺點優(yōu)缺點 添加新鮮培養(yǎng)基，克服養(yǎng)分不足所導(dǎo)致的添加新鮮培養(yǎng)基，克服養(yǎng)分不足所導(dǎo)致的發(fā)酵過程過早結(jié)束，延長對數(shù)生長期，增發(fā)酵過程過早結(jié)束，延長對數(shù)生長期，增加生物量等加生物量等； 在長時間發(fā)酵中，菌種易于發(fā)生變異，并在長時間發(fā)酵中，菌種易于發(fā)生變異，并容易染上雜菌；容易染上雜菌； 如果操作不當(dāng)，新加入的培養(yǎng)基與原有培如果操作不當(dāng)，新加入的培養(yǎng)基與原有培養(yǎng)基不易完全混合。養(yǎng)基不易完全混合。連續(xù)發(fā)酵動力學(xué)-理論什么是補(bǔ)料分批發(fā)酵？ 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)酵液的體積隨著體系中排出發(fā)酵液，使發(fā)