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1、第二节 分批发酵动力学,分批发酵动力学,细胞生长动力学 基质消耗动力学 产物形成动力学,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,分批发酵动力学-产物形成动力学,相关型,部分相关型,与生长相关生长偶联型：乙醇发酵,产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直 接结果，菌体生长速率的变化与产物生成速率的 变化相平行。,分批发酵动力学-产物形成动力学,与生长部分相关生长部分偶联型： 柠檬酸、氨基酸发酵,产物间接由能量代谢生成，不是底物的直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的主流产物（与初级代谢紧密关联）。,分批发
2、酵动力学-产物形成动力学,与生长不相关无关联：抗生素发酵,若考虑到产物可能存在分解时，则,产物生成与能量代谢不直接相关，通过细胞 进行的独特的生物合成反应而生成。,分批发酵动力学-产物形成动力学,分批发酵动力学,杀假丝菌素分批发酵动力学分析,杀假丝菌素分批发酵中的葡萄糖消耗、DNA含量和杀假丝菌素合成的变化 。,应用举例,分批发酵的优缺点,优点： 操作简单、投资少 运行周期短 染菌机会减少 生产过程、产品质量较易控制,不利于测定过程动力学，存在底物限制或抑制问题，会出现底物分解阻遏效应?及二次生长?现象。 对底物类型及初始高浓度敏感的次级代谢物如一些抗生素等就不适合用分批发酵（生长与合成条件差
3、别大） 养分会耗竭快，无法维持微生物继续生长和生产 非生产时间长，生产率较低,缺点：,第三节 连续发酵动力学,什么是连续发酵？,概念：在发酵过程中，连续向发酵罐流加培养基，同时以相同流量从发酵罐中取出发酵液。 特点： 添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生产过程，获得相对稳定的连续发酵状态。 连续发酵类型： 单级、 多级连续发酵,（一）连续发酵类型及装置 （二）连续发酵动力学模型 1.单级恒化器连续发酵 2.多级恒化器连续发酵 3.进行细胞回流的单级恒化器连续发酵 （三）连续发酵动力学理论的应用,主要内容,连续发酵类型及装置罐式连续发酵单级多级串联细胞回流式塞流式连续发酵,连续发酵动力
4、学-发酵装置,单级连续发酵示意图,连续发酵动力学-发酵装置-单级,两个及两个以上的发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出 料作为下一级发酵罐的进料。,连续发酵动力学-发酵装置-多级串联,两级连续发酵示意图,罐式连续发酵实现方法 恒浊法：通过调节营养物的流加速度，利用浊度计检测细胞浓度，使之恒定。 恒化法：保持某一限制性基质在一恒定浓度水平，使菌的比生长速率保持一定。,多级罐式连续发酵装置示意图,连续发酵动力学-发酵装置-多级串联,a: 再循环比率（回流比）c: 浓缩因子,细胞回流的单级连续发酵示意图,连续发酵动力学-发酵装置-细胞回流式,发酵罐,培养物流出,无菌培养基流入,供给连续接种再循环,d,连
5、续发酵动力学-发酵装置-塞流式,o,单级恒化器连续发酵,连续反应器：,流入速度=流出速度= F,反应器内(V)全混流,溶质浓度处处相等,定义： 稀释率 D=F/V (h-1)F流量（m3/h） V培养液体积（m3） 理论停留时间,连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵,细胞的物料衡算（和D的关系）,对于单级恒化器：X0 =0 且通常有：,连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵,积累的细胞（净增量）= 流入的细胞-流出的细胞+生长的细 胞-死亡的细胞,连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵,A.稳定状态时，,此时 =D（单级连续发酵重要特征）,B.不稳定时，,当D，,积累的营养组分=流入量
6、-流出量-生长消耗量-维持生命需要量-形成产物消耗量稳态时， =0,一般条件下,mx Ks （S010Ks）,底物供给浓度很大，为非限制性 则 此时，最大临界稀释率当DDc= 时，,连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵,产物的物料衡算,产物变化率=细胞合成产物速率+流入-流出-分解项当连续发酵处于稳态， ， 且加料中不含产物，即 ，P分解速率可忽略。得,连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵,几个假设： 只受单一底物限制 Yx/s对一定的来讲，为常数 DDC,连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵,稀释率（D）对底物浓度(S)、细胞浓度(x)和细胞生产率(DX)的影响。,连续发酵动力学
7、-理论-单级恒化器连续发酵,在甘露醇中培养大肠杆菌，其动力学方程为已知S0=6g/L,Yx/s=0.1,Um=0.6g/(l*min)试求：（1）当甘露醇浓度以1L/min的流量进入体积为5L的CSTR中进行反应时，其反应器内细胞浓度及生长速率为多少？(2)如果要求大肠杆菌在CSTR内的生长速率达到最大，稀释速率应为多少？（3）若将流入的培养基浓度减少一半，过程能否平衡，若能，X,S稳态时分别为多少？,（1）x=0.56g/l, rx=0.112g/(l*min) (2)0.394(l/min) (3)能，x=0.26g/l,s=0.4g/l,多级恒化器的第一级动力学模型,假设两级发酵罐内培养
8、体积相同，即V1=V2；且第二级不加入新鲜培养基，则对于第一级动力学模型（方程）与单级相同。,连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵,稳态时,连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵,第二级细胞物料衡算,第二级稳态时，同理,由稳态方程可得，,多级恒化器连续发酵,多级恒化器的第二级动力学模型, S1S0 ， S2S1 从第二级开始，比生长速率 不再等于稀释率D.,连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵,第二级基质物料衡算,稳态时，,连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵,忽略m, qp,连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵,第二级基质物料衡算,S2的求解,解此方程可得第二级发酵罐中稳态
9、限制性基质浓度S2,再由式(2)可确定x2,再求出Dx1,Dx2.,（1）（3）,连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵,细胞形成产物的速率：DP2,稳态时,连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵,第二级发酵罐产物浓度,同理类推,连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵,二级连续发 酵中不同稀释率 下的稳态细胞浓 度、限制性基质 浓度和细胞生产 率的变化。,连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵,例题,已知某一微生物反应，其细胞生长符合Monod动 力学模型， 其 ， 试问：(1)在单一CSTR（连续搅拌式反应器）进行反应，稳态下操作且无细胞死亡，欲达到最大的细胞生产率，其最佳稀释率是多
10、少?(2)采用同样大小N个CSTR相串联，其D值相同，若要求最终反应基质浓度降至1g/L以下，试求N至少应为多少级?,解：,看一下N=3时的情况：,进行细胞回流的单级连续发酵,概念：进行单级连续发酵时，把发酵罐流出的发酵液进行分离，经浓缩的细胞悬浮液送回发酵罐中。,连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵,优点：提高了发酵罐中的细胞浓度，也有利于提高系统的操作稳定性。,细胞生长动力学方程,细胞的物料衡算(与D的关系)积累的细胞=进入培养液中的细胞+再循环流入的细胞-流出的细胞+生长的细胞-死亡的细胞,连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵,假定: 细胞死亡很少（ =0） 培养
11、基无菌加入（x0=0）D=F/V由稳态条件 得,连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵,限制性基质的物料衡算（x1与D的关系） 积累的基质 = 进入基质+循环流入基质-流出基质-消耗的基质,连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵,x1与D的关系,代入有：,连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵,D=F/V,稳态时，,连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵, x1比单级无再循环的x要大,又,代入x1式, 得,假定分离器无细胞生长和基质消耗，则有细胞物料衡算式： 流入分离器细胞=流出分离器细胞+ 再循环细胞,最终流出的细胞量xe与 D关系,连续发酵动力学-理
12、论-细胞回流单级恒化器连续发酵,举例 :单级细胞再循环连续培养的应用,连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵,设系统的,对于回流系统有：,连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵,对于无回流系统有：,连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵,连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵,细胞回流与不回流的单级连续发酵比较 A-细胞回流时的稳态X；B-细胞回流时的稳态DX；C-细胞回流时的稳态Xe；D-细胞不回流时的稳态X；E-细胞不回流时的稳态DX,应用,有助于了解和研究细胞生长、基质消耗和产物生成的动力学规律，从而优化发酵工艺。 便于研究细胞在不同比生长速率下的
13、特征。,连续发酵动力学-理论,利用连续培养的选择性进行富集培养菌种选择及防污染处理。,应用,连续发酵动力学-理论,连续发酵动力学-理论,在底物浓度为S情 况下杂菌Y的生长速 率y比系统的稀释 速率D要小Y的积累速率 ：,结果是负值，表明杂菌不能在系统中存留,连续发酵动力学-理论,底物浓度为S的情 况下杂菌Z能以比D大 的比生长速率下生长,比D大的多，故 dZ/dt是正的，杂菌Z积累，系统中底物浓度下降到S，此时 D，建立新的稳态。此时生产菌X的比生长速率 比原有的小。 D，故将生产菌从系统中淘汰,连续发酵动力学-理论,杂菌W 入侵的成败取决于系统的稀释速率。 由图可见，在稀释速率为0.25Dc
14、（临界稀 释速率）下，W竞争不过X而被冲走 .,连续培养中杂菌能否 积累取决于它在培养系 统中的竞争能力,遗传稳定性研究 选择适当的物质作为限制性基质，可使连续发酵中细胞代谢产物的生产大大提高。 连续发酵提高生产率,应用,连续发酵动力学-理论,分批发酵：生产周期 式中：tL-延迟期所占用时间； tR放料时间 tP清洗发酵罐、培养基、灭菌、冷却所需时间xF发酵终点细胞浓度； x0接种后细胞浓度 假定分批发酵的指数生长期延续到限制性基质耗尽，这时达到最大细胞浓度xF,应用-提高生产率,连续发酵动力学-理论,分批发酵的细胞生产率为:,连续发酵动力学-理论,应用-提高生产率,可见,细胞的m越大，辅助操
15、作时间越长，连续发酵的优势就越大。,应用 -单级连续发酵最大生产率,连续发酵动力学-理论,单级连续发酵与分批发酵最大生产率之比为：,实验数据如下： t 24h (生长罐） 48h （生产罐） 60hP1=0.07g/L P2=0.4g/L P3=0.62g/L X1=7g/L求操作参数D？并比较连续发酵与分批发酵的生产率。,应用-青霉素连续发酵与分批发酵对比,计算：采用连续发酵时第一罐： 第二罐：由,为了保证串联稳定，两罐稀释率差异用体积差 异进行调节。 F相同产物在串联系统停留时间 产物形成速率,而分批发酵时， tn=48h, P=0.4g/L 故产物形成速率 DP=0.4/48=0.0083g/Lh（比连续发酵低） 为充分利用基质，再加一罐(第三罐)(相当于60h),tn=1/D1+ 1/D2+ 1/D3=53.7h产物形成速率 P3/tn=0.0115g/L h分批发酵 P3/t3=0.62/60=0.0103g /L h,
