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1、2021/7/221生物反应分类生物反应分类一一、通通过过细细胞胞培培养养，利利用用细细胞胞产产生生的的酶酶系系统统，把把培培养养基基中中的的物物质转化成新的质转化成新的细胞细胞及其及其代谢产物代谢产物。 底物底物 新的细胞新的细胞 + + 代谢产物代谢产物二、在二、在酶的作用酶的作用下，底物反应生成产物。下，底物反应生成产物。 淀粉淀粉 糊精糊精 + + 低聚糖低聚糖 细胞细胞 淀粉酶淀粉酶2021/7/222发酵的目的发酵的目的获得产物获得产物，提高发酵生产率，即提高微生物的催化与转化，提高发酵生产率，即提高微生物的催化与转化能力。能力。 降解有害底物，保护环境。降解有害底物，保护环境。降
2、解废弃底物，形成生物能源产品。降解废弃底物，形成生物能源产品。降解长链烃底物形成发酵产物，促进采油。降解长链烃底物形成发酵产物，促进采油。2021/7/223发酵研究的关键问题发酵研究的关键问题提高生物催化与转化能力。提高生物催化与转化能力。 分子水平分子水平 酶催化反应活性酶催化反应活性 酶基因表达调控酶基因表达调控细胞水平细胞水平 一系列酶促反应的交互一系列酶促反应的交互 细胞水平的综合细胞水平的综合 细胞生长、底物消耗、产物合成细胞生长、底物消耗、产物合成反应器水平反应器水平 一系列细胞酶促反应的集成一系列细胞酶促反应的集成 规模放大对细胞及分子水平的影响及控制规模放大对细胞及分子水平的
3、影响及控制2021/7/224优化发酵过程达到高产目标的方法优化发酵过程达到高产目标的方法提高转化率和效率的三个方面。提高转化率和效率的三个方面。 发酵动力学研究发酵动力学研究 对现有微生物对现有微生物本征本征动力学认识，弄清不同水平的主要动力学认识，弄清不同水平的主要影响因素和控制措施。影响因素和控制措施。菌种选育菌种选育 改造、修饰和构建改造、修饰和构建 工程措施工程措施 反应器结构及操作性能优化，提高混合、传热、传质反应器结构及操作性能优化，提高混合、传热、传质以及细胞间的信号传递，调控细胞群体的发酵能力。以及细胞间的信号传递，调控细胞群体的发酵能力。2021/7/225发酵动力学研究方
4、法发酵动力学研究方法基于基于细胞水平细胞水平展开，包括展开，包括活细胞活细胞、休眠细胞休眠细胞（休止细胞或（休止细胞或静止期细胞）和静止期细胞）和死亡细胞死亡细胞形成产物过程的形成产物过程的定量研究定量研究。 2021/7/226什么是发酵动力学？什么是发酵动力学？发酵动力学：发酵动力学：研究研究微生物生长微生物生长、产物合成产物合成、底物消耗底物消耗之间之间动态定量关系动态定量关系，定量描述定量描述微生物微生物 生长生长 和和 产物形成产物形成 过程。过程。主要研究主要研究：1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速
5、率及其转化率、效率等；速率、底物消耗速率及其转化率、效率等；2、影响发酵动力学参数的各种理化因子；、影响发酵动力学参数的各种理化因子；3、发酵动力学的数学模型。、发酵动力学的数学模型。 2021/7/2272021/7/228一、认识发酵过程的规律；一、认识发酵过程的规律；二二、合合理理设设计计的的发发酵酵过过程程，确确定定最最优优发发酵酵过过程程参参数数，如如：基基质质浓浓度度、温温度度、pHpH、溶溶氧氧，等等等，确定最佳发酵工艺条件；等，确定最佳发酵工艺条件；三、提高三、提高发酵产量发酵产量、效率和转化率等。、效率和转化率等。研究发酵动力学的目的研究发酵动力学的目的2021/7/229生
6、化反应：生化反应： aA + bB cC + dD反应动态平衡 改变条件 破坏平衡如何能最快最多的获得目的产物温度酸碱度浓度催化剂催化剂如何确定高产高效的最佳条件？采用反应动力学方法采用反应动力学方法进行定量研究进行定量研究动力学主要探讨动力学主要探讨反应速率反应速率问题：问题：2021/7/2210课程重点：主要针对微生物发酵的课程重点：主要针对微生物发酵的表观动力学表观动力学，通过，通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细胞群体酶促反应体系的促反应体系的宏观变化速率宏观变化速率，主要包括：，主要包括：细胞生长动力学细胞生长动力学底物消耗动力学
7、底物消耗动力学产物合成动力产物合成动力 重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。 但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达到认但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达到认识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。2021/7/2211发酵动力学研究的基本过程发酵动力学研究的基本过程 l首先研究微生物生长和产物合成限制因子；首先研究微生物生长和产物合成限制因子；l建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型；建立细胞生长、基质消
8、耗、产物生成模型；l确定模型参数确定模型参数； l实验验证模型实验验证模型的可行性与适用范围；的可行性与适用范围；l根据模型实施最优控制根据模型实施最优控制。 2021/7/2212本章主要内容本章主要内容 分批发酵动力学分批发酵动力学 连续发酵动力学连续发酵动力学 补料分批发酵动力学补料分批发酵动力学2021/7/2213什么是分批发酵？分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，属典型的种直到发酵结束，属典型的非稳态过程非稳态过程。分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静
9、止滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止期）和衰亡期五个时期。期）和衰亡期五个时期。2021/7/2214典型的分批发酵工艺流程图分批发酵过程2021/7/2215 t1 t2 t3 t4 t5 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线 菌体浓度X时间 t分批发酵动力学-细胞生长动力学2021/7/2216微生物细胞倍增时间与群体生长动力学微生物细胞倍增时间与群体生长动力学细菌：典型倍增时间细菌：典型倍增时间1hr1hr酵母：典型倍增时间酵母：典型倍增时间2hr2hr放线菌和丝状真菌：典型倍增时间放线菌和丝状真菌：典型倍增时间4 48hr8hr 微生物细胞群体生长动力学是反映微生物细胞群体生长动力
10、学是反映整个群体整个群体的生长的生长特征，而不是单个微生物生长倍增的特征。特征，而不是单个微生物生长倍增的特征。 因此，因此，菌龄是指一个群体的表观状态菌龄是指一个群体的表观状态。关于关于菌龄菌龄的描述的描述2021/7/2217 分批发酵动分批发酵动力学力学 细胞生长动力学细胞生长动力学 基质消耗动力学基质消耗动力学 产物形成动力学产物形成动力学2021/7/2218 微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细胞数量在单位时间内的增加量来表示（、n）：或或X细胞浓度（g/L）；N细胞个数； t生长时间；X0、Xt初始微生物浓度和t时细胞浓度；N0、Nt初始细胞个数和t时细胞个数； 以细胞浓度表示的
11、比生长速率； 以细胞数量表示的比生长速率。 分批发酵动力学-细胞生长动力学2021/7/2219llag: x不变不变, , 即即lexp:(假定无抑制作用存在假定无抑制作用存在)分批发酵动力学-细胞生长动力学2021/7/2220lDeclineDecline（开始出现一种底物不足的限制）（开始出现一种底物不足的限制）: : (1) (1)若不存在抑制物时若不存在抑制物时 Monod Monod 模型模型: : 分批发酵动力学-细胞生长动力学S限制性基质浓度限制性基质浓度，mol/m3Ks底物亲和常数底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微也称半饱和速度常数），表示微生物对底物的亲和力生物
12、对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力越大，亲和力越小，越小， 越小。越小。 当当S较高时，较高时，(对数期满足对数期满足S10Ks)，此时，此时，= m 当当S较低时较低时，(减速期减速期， S10Ks)，此时此时S， 减速期，减速期， 2021/7/2221分批发酵动力学-细胞生长动力学2021/7/2222比生长素率限制性底物残留浓度St 残留的限制性底物浓度对微生物 比生长率的影响 表征与培养基中残留的生长限制性底物St的关系 Monod方程： Ks底物亲和常数，等于处于1/2m时的底物浓度，表征微生物对底物的亲和力，两者成反比。2021/7/2223酶促反应动力学米氏
13、方程：酶促反应动力学米氏方程：受单一底物酶促反应限制的微生物受单一底物酶促反应限制的微生物生长动力学方程生长动力学方程Monod方程：方程：2021/7/2224MonodMonod方程应用方程应用：测定微生物对不同底物的亲和力大小（测定微生物对不同底物的亲和力大小（K Ks s值）值）实验确定适于微生物生长的最佳底物（实验确定适于微生物生长的最佳底物（ ？）？）比较不同底物发酵最终残留的大小（比较不同底物发酵最终残留的大小（ ？）？）比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培养的稀释率养的稀释率2021/7/2225lStationary（不
14、生长或生长率与死亡率相等）: ldying: （浓度最大）（浓度最大）分批发酵动力学-细胞生长动力学(比死亡速率比死亡速率 ，s-1)2021/7/2226分批发酵动力学l假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则微生物生长动假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则微生物生长动力学可用力学可用阶段函数阶段函数表示如下：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)2021/7/2227其它模型其它模型1 1l在无抑制作用情况下（但有底物限制存在） 分批发酵
15、动力学-细胞生长动力学式中式中n为常数为常数 x为细胞浓度为细胞浓度2021/7/2228l培养液中有抑制物的情形培养液中有抑制物的情形 高浓度基质抑制存在的情况下高浓度基质抑制存在的情况下 式中，式中，K Kisis为抑制常数，抑制作用越强，为抑制常数，抑制作用越强，K Kisis越小越小 分批发酵动力学-细胞生长动力学其它模型其它模型22021/7/2229 高浓度产物抑制的情况下高浓度产物抑制的情况下 线性线性 指数指数 产产物物积积累累一一定定量量才才有有抑制作用抑制作用分批发酵动力学-细胞生长动力学其它模型其它模型2其中：k，k1，k2为常数2021/7/2230分批发酵中初始底物浓
16、度对稳定期分批发酵中初始底物浓度对稳定期菌体浓度的影响菌体浓度的影响 AB区：菌体浓度与初始底物浓度成正比，有： X X为菌体浓度，为菌体浓度， 为针对底物的为针对底物的细胞得率，初始细胞得率，初始X X0 0为零；为零；S S0 0为底物初始浓度；为底物初始浓度；S St t为底物残留浓度。为底物残留浓度。 BC区：随S0增加，菌体浓度达最高水平，再增加S0 ，菌体不再增加。 C区：菌体活性受初始高浓度底物及高渗作用抑制，菌体浓度与初始底物浓度成反比。 高浓度底物高浓度底物抑制的情形抑制的情形2021/7/2231l 当培养基中存在多种限制性营养物时， Monod方程应改为？分批发酵动力学2
17、021/7/2232l 得率系数得率系数 指指消消耗耗单单位位营营养养物物所所生生成成的的细细胞胞或或产产物物数数量量。其其大大小小取取决于生物学参数决于生物学参数（,x ）和化学参数和化学参数（DO,C/N,磷含量等磷含量等） （1）生长得率系数生长得率系数 Y Yx/s/s、Y Yx/ox/o、Yx/kcal：消消耗耗每每克克营营养养物物、每每克克分分子子氧氧以以及及每千卡能量所生成的细胞克数每千卡能量所生成的细胞克数； Y Yx/cx/c、 Y Yx/x/N N、 Yx/p、Yx/Ave- ：消消耗耗每每克克C、每每克克N、每每克克P和和每个有效电子所生成的细胞克数每个有效电子所生成的细
18、胞克数； Y Yx/ATPx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。 分批发酵动力学-基质基质消耗动力学2021/7/2233 消消耗耗每每克克营营养养物物（s）或或每每克克分分子子氧氧(O2)生生成成的的产产物物(P)、ATP或或CO2的克数。的克数。分批发酵动力学-基质消耗动力学l 产物得率系数：产物得率系数： ：2021/7/2234定义：表观得率定义：表观得率 专一性得率专一性得率 *专专一一性性用用于于生生长长的的底底物物量量S不不含含用用于于维维持持能能耗及产物形成部分的用量。耗及产物形成部分的用量。分批发酵动力学-基质消耗动力学2
19、021/7/2235 基质消耗速率与生长、合成关系如下：基质消耗速率与生长、合成关系如下： 表观：表观： 专一性：专一性： 分批发酵动力学-基质消耗动力学2021/7/2236为了扣除细胞量的影响为了扣除细胞量的影响，定义：基质比消耗速率定义：基质比消耗速率 产物比生成速率产物比生成速率 分批发酵动力学-基质消耗动力学2021/7/2237=若生长阶段产物生成可以忽略，即若生长阶段产物生成可以忽略，即 分批发酵动力学-基质消耗动力学2021/7/22381/Yx/s1/ 1/YGml 图解法求微生物的本征参数图解法求微生物的本征参数YG和和m分批发酵动力学-基质消耗动力学2021/7/2239
20、 若生产阶段微生物生长可以忽略，若生产阶段微生物生长可以忽略，分批发酵动力学-基质消耗动力学=2021/7/2240l 图解法求微生物的本征参数图解法求微生物的本征参数Yp和和m1/Yp/s1/qpm1/YP2021/7/2241 根根据据发发酵酵时时间间过过程程分分析析，微微生生物生长与产物合成存在以下三种关系：物生长与产物合成存在以下三种关系：l与生长相关与生长相关生长偶联型生长偶联型l与生长部分相关与生长部分相关生长部分偶联型生长部分偶联型l与生长不相关与生长不相关无关联无关联分批发酵动力学-产物形成动力学2021/7/2242相关型部分相关型非相关型产物合成相关、部分相关、非相关模型动
21、力学示意图 2021/7/2243与生长相关与生长相关生长偶联型：生长偶联型：乙醇发酵乙醇发酵 产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直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。变化相平行。分批发酵动力学-产物形成动力学2021/7/2244与生长部分相关与生长部分相关生长部分偶联型：生长部分偶联型：柠檬酸、氨基酸发酵柠檬酸、氨基酸发酵 产物间接由能量代谢生成，不是底物的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直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的主流产物（与初生代谢紧密关
22、联）。主流产物（与初生代谢紧密关联）。 分批发酵动力学-产物形成动力学2021/7/2245与生长不相关与生长不相关无关联：无关联：抗生素发酵抗生素发酵若考虑到产物可能存在分解时，则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。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2021/7/2246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 。l 应用举例应用举例2021/7/2247分批发酵的优缺点v优点：操作简单、投
23、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v缺点：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 2021/7/2248连续发酵动力学连续发酵动力学2021/7/2249什么是连续发酵？l连续发酵概念：连续发酵概念： 在在发发酵酵过过程程中中，连连续续向向发发酵酵罐罐流流加加培培养养基基，同时以相同流量从发酵罐中取出培养液。同时以相同流量从发酵罐中取出培养液。连续发酵特点：连续发酵特点
24、： 添加培养基的同时，放出等体积发酵液，添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生产过程，获得形成连续生产过程，获得相对稳定相对稳定的连续发酵状的连续发酵状态态。连续发酵类型连续发酵类型： 单级单级连续发酵连续发酵 多级连续发酵多级连续发酵2021/7/2250（一）连续发酵类型及装置（一）连续发酵类型及装置（二）连续发酵动力学模型（二）连续发酵动力学模型1.1.单级单级恒化器恒化器连续发酵连续发酵2.2.多级恒化器连续发酵多级恒化器连续发酵3.3.进行进行细胞回流细胞回流的单级恒化器连续发酵的单级恒化器连续发酵（三）连续发酵动力学理论的应用（三）连续发酵动力学理论的应用 主要内容2021
25、/7/2251l连续发酵类型及装置连续发酵类型及装置 罐式连续发酵罐式连续发酵 单级单级 多级串联多级串联 细胞回流式细胞回流式 塞流式连续发酵塞流式连续发酵连续发酵动力学-发酵装置2021/7/2252单级连续发酵示意图单级连续发酵示意图连续发酵动力学-发酵装置-单级2021/7/2253l 两两个个及以上的及以上的发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出发酵罐串联起来，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两级连续发酵示意图2021/7/2254l罐式连续发酵罐式连续发酵实现方法实现方法恒恒浊浊法法：通通过过调调节
26、节营营养养物物的的流流加加速速度度，利利用用浊浊度度计计检检测细胞浓度，使之测细胞浓度，使之恒定恒定。恒恒化化法法：保保持持某某一一限限制制性性基基质质在在一一恒恒定定浓浓度度水水平平，使使菌的比生长速率菌的比生长速率保持一定。保持一定。培养基输入培养基进入下一级发酵罐培养基进入后处理或到下一级发酵罐 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2021/7/2255 a: 再循环比率（回流比）再循环比率（回流比） c: 浓缩因子浓缩因子 细胞回流细胞回流的单级连续发酵示意图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2021/7/2256发酵罐培养物流出无菌培养
27、基流入供给连续接种再循环d连续发酵动力学-发酵装置-塞流式2021/7/2257 定义定义： 稀释率稀释率 D=F/V (h-1) F流量流量（m3/h） V培养液体积培养液体积（m3） 理论停留时间理论停留时间 连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵2021/7/2258l 细胞的物料衡算细胞的物料衡算（和和D的关系的关系）对于对于单级单级恒化器恒化器：X0 =0 且通常有：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）积累的细胞（净增量）= = 流入的细胞流入的细胞- -流出的细胞流出的细胞+ +生长的细生长的细 胞胞- -死亡的细胞死亡的细胞2021/7/22
28、59连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵A A. .稳定状态时稳定状态时， 此时此时 =D（单级连续发酵重要特征单级连续发酵重要特征）B.B.不稳定时，不稳定时，当当D，2021/7/2260积累的营养组分积累的营养组分= =流入量流入量- -流出量流出量- -生长消耗量生长消耗量- - 维持生命需要量维持生命需要量- -形成产物消耗量形成产物消耗量稳态时稳态时， =0=0,一般条件下一般条件下, ,mxDC ，则会出现：则会出现：DDC由由 可知可知 负增长负增长，x，进入非稳态，进入非稳态，菌体最终被洗出菌体最终被洗出，即即x=0 时时，达到达到“清洗点清洗点”，此时，此时， 连续发酵
29、动力学-理论-单级恒化器连续发酵2021/7/2265l 生长模型生长模型 由两个稳态方程可以推出由两个稳态方程可以推出D D与与X X关联的生长模型关联的生长模型 当当DKs （S010Ks）,底物供给浓度很大，为非限制性底物供给浓度很大，为非限制性则则 此时，最大临界稀释率此时，最大临界稀释率 当当 DDc= 时时，连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵2021/7/2269l 产物的物料衡算产物的物料衡算产物变化率产物变化率= =细胞合成产物速率细胞合成产物速率+ +流入流入- -流出流出- -分解项分解项 当连续发酵处于稳态当连续发酵处于稳态， ， 且加料中不含产物，即且加料中不含产
30、物，即 ，P分解速率可忽略分解速率可忽略。 得得连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵2021/7/2270x, s, Dx与与D关系总结：关系总结：连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵2021/7/2271l 实实 例例几个假设几个假设： 只受单一底物限制只受单一底物限制 Yx/s对一定的对一定的来讲，为常数来讲，为常数 DDC若已知若已知：考考察察：稀稀释释率率（D D）对对细细胞胞浓浓度度(X)(X)、细细胞胞生生产产率率(DX)(DX)和和底物浓度底物浓度(S)(S)的影响？的影响？ 连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵2021/7/2272 稀释率（稀释率（D）对底物浓度对
31、底物浓度(S)、细胞浓度细胞浓度(x)和和细胞生产率细胞生产率(DX)的影响。的影响。连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵2021/7/2273l多级恒化器的第一级多级恒化器的第一级动力学模型动力学模型 假设两级发酵罐内培养体积相同，假设两级发酵罐内培养体积相同，即即V1=V2；且第二级不加入新鲜培养基，；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）与单则对于第一级动力学模型（方程）与单级相同。级相同。连续发酵动力学-理论-多级多级恒化器连续发酵2021/7/2274l 稳态时稳态时连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵2021/7/2275l多级恒化器的第二级动力学模型多级
32、恒化器的第二级动力学模型 S1S0 ， S2S1 从第二级开始，比生长速率从第二级开始，比生长速率 不再等于稀释率不再等于稀释率D.连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵2021/7/2276l 第二级细胞物料衡算第二级细胞物料衡算 第二级稳态时第二级稳态时， 同理同理, ,由稳态方程可得，由稳态方程可得， 连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵2021/7/2277l 第二级基质物料衡算第二级基质物料衡算 稳态时稳态时， 连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵2021/7/2278连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵l 第二级基质物料衡算第二级基质物料衡算 2021/7/2279l
33、 S S2 2的求解的求解 解此方程可得第二级发酵罐中稳态限制性基解此方程可得第二级发酵罐中稳态限制性基质浓度质浓度S2,再由式再由式(2)可确定可确定x2,再求出再求出Dx1,Dx2.（1）（3）（1）（2）（3）连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵2021/7/2280l 细胞形成产物的速率：细胞形成产物的速率：DPDP2 2稳态时稳态时 连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵2021/7/2281l 第二级发酵罐产物浓度第二级发酵罐产物浓度 同理类推同理类推 连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵2021/7/2282l 例题 已知某一微生物反应，其细胞生长符合Monod动力学模
34、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?2021/7/2283 解：2021/7/22842021/7/2285看一下N=3时的情况：2021/7/22862021/7/2287 二级连续发二级连续发酵中不同稀释率酵中不同稀释率下的稳态细胞浓下的稳态细胞浓度、限制性基质度、限制性基质浓度和细胞生产浓度和细胞生产率的变化。率的变化。连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵2021/7/2
35、288l 进行细胞回流的单级连续发酵进行细胞回流的单级连续发酵概概念念：进进行行单单级级连连续续发发酵酵时时，把把发发酵酵罐罐流流出出的的发发酵酵液进行分离，经浓缩的细胞悬浮液送回发酵罐中。液进行分离，经浓缩的细胞悬浮液送回发酵罐中。a: a: 再循环比（回流比）（再循环比（回流比）（a1a1c1）连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵优优点点：提提高高了了发发酵酵罐罐中中的的细细胞胞浓浓度度和和底底物物的的转转化化率率，也也有有利利于于提提高高系系统的操作稳定性。统的操作稳定性。2021/7/2289l 细胞生长动力学方细胞生长动力学方程程细胞的物料衡算细胞的物料衡算( (与与D
36、D的关系的关系) ) 积累的细胞积累的细胞= =进入培养液中的细胞进入培养液中的细胞+ +再循环流入的细胞再循环流入的细胞 - -流出的细胞流出的细胞+ +生长的细胞生长的细胞- -死亡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2021/7/2290假定假定: : 细胞死亡很少（细胞死亡很少（ =0） 培养基无菌加入（培养基无菌加入（x0=0） D=F/V由稳态条件由稳态条件 得得 连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵2021/7/2291限制性基质的物料衡算（限制性基质的物料衡算（x x1 1与与D D的关系）的关系）积累的基质积累的基质 = = 进入基质进
37、入基质+ +循环流入基质循环流入基质- -流出基质流出基质- -消耗的基质消耗的基质 连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵2021/7/2292l x x1 1与与D D的关系的关系代入代入有：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，稳态时，2021/7/2293连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵 x1比单级无再循环的比单级无再循环的x要大大又又代入代入x1式式, 得得2021/7/2294l 最终流出的细胞量最终流出的细胞量x xe e与与 D D关关系系假定分离器无细胞生长和基质消耗，则有细胞物料衡算式： 流入分离器细胞流入分离器细胞
38、= =流出分离器细胞流出分离器细胞+ + 再循环细胞再循环细胞连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵2021/7/2295l 举例举例 : :单级细胞再循环连续培养的应用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设系统的对于回流系统有：对于回流系统有：2021/7/2296连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵2021/7/2297对于无回流系统有对于无回流系统有：连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵2021/7/2298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细胞回流与不回流
39、的单级连续发酵比较A-细胞回流时的稳态细胞回流时的稳态X；B-细胞回流时的稳态细胞回流时的稳态DX；C-细胞回流时的细胞回流时的稳态稳态Xe；D-细胞不回流时的稳态细胞不回流时的稳态X；E-细胞不回流时的稳态细胞不回流时的稳态DX2021/7/2299l 应用应用 有助于了解和研究细胞生长、基质消耗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，从而优化发和产物生成的动力学规律，从而优化发酵工艺。酵工艺。便于研究细胞在不同比生长速率下的特便于研究细胞在不同比生长速率下的特征。征。连续发酵动力学-理论2021/7/22100利用细胞再循环连续发酵技术进行废利用细胞再循环连续发酵技术进行
40、废水的生化处理、发酵与产物分离耦合，水的生化处理、发酵与产物分离耦合，解除负反馈抑制，提高产量。解除负反馈抑制，提高产量。利用连续培养的选择性进行富集培养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。菌种选择及防污染处理。l 应用应用 连续发酵动力学-理论2021/7/22101连续发酵动力学-理论v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v Y的积累速率 ： 结果是负值，表明杂菌不能在系统中存留 2021/7/22102连续发酵动力学-理论v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
41、，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 2021/7/22103连续发酵动力学-理论v杂菌W 入侵的成败取决于系统的稀释速率。v由图可见，在稀释速率为0.25Dc（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 2021/7/22104l 应用应用 遗传稳定性研究遗传稳定性研究连续发酵提高生产率连续发酵提高生产率连续发酵动力学-理论2021/7/22105分批发酵：生产周期分批发酵：生产周期 式中式中：tL-延迟期所占用时间延迟期所占用时间； tR放料时间放料时间 tP清洗发酵罐、培养基、灭
42、菌、冷却所需时间清洗发酵罐、培养基、灭菌、冷却所需时间 xF发酵终点细胞浓度发酵终点细胞浓度； x0接种后细胞浓度接种后细胞浓度 假假定定分分批批发发酵酵的的指指数数生生长长期期延延续续到到限限制制性性基基质质耗耗尽，这时达到最大细胞浓度尽，这时达到最大细胞浓度xFl 应用应用-提高生产率提高生产率 连续发酵动力学-理论2021/7/22106分批发酵的细胞生产率为分批发酵的细胞生产率为:连续发酵动力学-理论l 应用应用-提高生产率提高生产率 2021/7/22107 可可见见, ,细细胞胞的的m m越越大大，辅辅助助操操作作时时间间越越长长，连续发酵的优势就越大。连续发酵的优势就越大。 l
43、应用应用 -单级连续发酵最大生产率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：单级连续发酵与分批发酵最大生产率之比为：2021/7/22108实验数据如下：实验数据如下：t 24h (生长罐生长罐） 48h （生产罐生产罐） 60h P1=0.07g/L P2=0.4g/L P3=0.62g/L X1=7g/L 求操作参数求操作参数D D？并比较连续发酵与分批发酵的生产率？并比较连续发酵与分批发酵的生产率。l 应用应用-青霉素连续发酵与分批发酵对比青霉素连续发酵与分批发酵对比 2021/7/22109计算：采用连续发酵时计算：采用连续发酵时第一罐第一罐：
44、第二罐：由第二罐：由2021/7/22110 为为了了保保证证串串联联稳稳定定，两两罐罐稀稀释释率率差差异异用用体体积积差差异进行调节异进行调节。 F相同相同 产物在串联系统停留时间产物在串联系统停留时间 产物形成速率产物形成速率 2021/7/22111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）（比连续发酵低）为充分利用基质，再加一罐(第三罐)(相当于60h)2021/7/22112tn=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=0.62/6
45、0=0.0103g /L h2021/7/22113l 优缺点优缺点添加新鲜培养基，克服养分不足所导致的添加新鲜培养基，克服养分不足所导致的发酵过程过早结束，延长对数生长期，增发酵过程过早结束，延长对数生长期，增加生物量等加生物量等；在长时间发酵中，菌种易于发生变异，并在长时间发酵中，菌种易于发生变异，并容易染上杂菌；容易染上杂菌；如果操作不当，新加入的培养基与原有培如果操作不当，新加入的培养基与原有培养基不易完全混合。养基不易完全混合。连续发酵动力学-理论2021/7/22114什么是补料分批发酵？补料分批培养（补料分批培养（Fed-batch cultureFed-batch cultur
46、e）：）： 分批发酵过程中补充培养基，不分批发酵过程中补充培养基，不从发酵体系中排出发酵液，使发酵液的体从发酵体系中排出发酵液，使发酵液的体积随着发酵时间逐渐增加积随着发酵时间逐渐增加 。2021/7/22115概概念念：在在发发酵酵过过程程中中，不不连连续续地地向向发发酵酵罐罐内内加加入入培培养养基基，但但不不取取出出发发酵酵液液的的发发酵方式。酵方式。特特点点：由由于于培培养养基基的的加加入入，发发酵酵液液体体积积不断增加。不断增加。补料分批发酵动力学2021/7/22116l 类型类型 连续流加连续流加补料方式补料方式 不连续流加不连续流加 多周期流加多周期流加 快速流加快速流加 恒速流
47、加恒速流加 变速流加变速流加 单一组分补料单一组分补料 多组分补料多组分补料 流加方式流加方式补料分批发酵动力学以补加的培养基成分来区分以补加的培养基成分来区分 2021/7/22117整个发酵罐中细胞、限制性基质和产物总量的变化速整个发酵罐中细胞、限制性基质和产物总量的变化速率可用下式表示：率可用下式表示： 补料分批发酵动力学2021/7/22118细胞总量的变化率为细胞总量的变化率为 若为若为恒速流加恒速流加，培养基流量为，培养基流量为F， 则则 合并合并、式式 得得 补料分批发酵动力学2021/7/22119同样可以推导出同样可以推导出限制性基质限制性基质和和产物浓度产物浓度的变化率：的
48、变化率： 合并合并、式式 得得补料分批发酵动力学2021/7/22120又又 补料分批发酵动力学2021/7/22121拟稳态时拟稳态时 这时这时补料分批发酵动力学2021/7/22122对于恒速流加，细胞的比生长速率对时间的变对于恒速流加，细胞的比生长速率对时间的变化率为：化率为：长时间流加培养之后长时间流加培养之后 补料分批发酵动力学2021/7/22123l 优点优点可以解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏可以解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应。效应。避免在分批发酵中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，避免在分批发酵中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通
49、风搅拌设备不能匹配的状况。耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。菌体可被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来作为菌体可被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来作为控制细胞质量的手段。控制细胞质量的手段。与与连连续续发发酵酵相相比比，补补料料分分批批发发酵酵的的优优点点在在于于：无无菌菌要要求低；求低；菌种变异，退化少；菌种变异，退化少；适用范围更广。适用范围更广。补料分批发酵动力学2021/7/22124本章小结本章小结发酵动力学研究的主要对象为发酵动力学研究的主要对象为微生物群体微生物群体，而非单个微生物菌体，即，而非单个微生物菌体，即从从宏观上宏观上研究发酵过程。研究发酵过程。通过对最简
50、单的封闭式通过对最简单的封闭式分批发酵分批发酵的微生物生长动力学、底物消耗动力的微生物生长动力学、底物消耗动力学及产物合成动力学单独建立数学模型开始，找到三个动力学之间的学及产物合成动力学单独建立数学模型开始，找到三个动力学之间的联系。联系。基于分批发酵的优缺点，引申出基于分批发酵的优缺点，引申出连续发酵连续发酵和和补料分批发酵补料分批发酵，并以分批，并以分批发酵动力学为基础，进一步探讨连续和补料分批发酵的动力学模型。发酵动力学为基础，进一步探讨连续和补料分批发酵的动力学模型。掌握掌握MONODMONOD方程方程，熟悉各类发酵动力学的数学模型及其参数的求解，熟悉各类发酵动力学的数学模型及其参数的求解，有利于在发酵过程调控过程中以理论为指导，并理论结合实际，达到有利于在发酵过程调控过程中以理论为指导，并理论结合实际，达到高效、高产和高转化率的发酵目的。高效、高产和高转化率的发酵目的。2021/7/22125
