微生物反应动力学 (2)课件.ppt

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1、关于微生物反应动力学(2)第1页，此课件共78页哦目的目的：微生物工程的基本任务是高效地利用微生物所具有的内在生产力，以较低的能耗和物耗最大限度地生产生物产品，因此必须对微生物反应的整个过程实现有效的控制。微生物动力学为这一目的提供了部分理论依据。第十二章第十二章 微生物反应动力学微生物反应动力学第2页，此课件共78页哦内容：微生物反应动力学是研究生物反应速度的规律，即细胞生长速率、基质利用速率和产物生成速率的变化规律。基质（碳源）细胞产物第3页，此课件共78页哦方法：用数学模型定量地描述生物反应过程中细胞生长速率、基质利用速率和产物生成速率等因素变化，达到对反应过程有效控制。已发展出好几种动

2、力学模型，我们介绍一种“发酵过程动力学分型发酵过程动力学分型”。第4页，此课件共78页哦一、微生物发酵过程分型一、微生物发酵过程分型二、分批培养动力学二、分批培养动力学 1.1.细胞生长动力学细胞生长动力学 2.2.基质消耗动力学基质消耗动力学 3.3.产物生成动力学产物生成动力学三、连续培养动力学三、连续培养动力学 1.1.单级连续培养动力学单级连续培养动力学 2.2.多级串联连续培养动力学多级串联连续培养动力学 3.3.细胞循环使用单级连续培养动力学细胞循环使用单级连续培养动力学四、连续培养的实施四、连续培养的实施第5页，此课件共78页哦12.1 发酵动力学分型这种动力学分型方法讨论的是产

3、物形成产物形成与底物利用的关系与底物利用的关系,即产物形成速度与碳源利用关系。它将微生物发酵过程分为三个类型：.产物形成直接直接与碳源利用有关.产物形成间接间接与碳源利用有关.产物形成表面上表面上与碳源利用无关第6页，此课件共78页哦12.1.1 第型（与生长相关型）菌体生长、碳源利用和产物形成几乎同时出现高峰。产物形成、碳源利用、菌体生长同时出现高峰1.细菌生长类型(指终产物就是菌体本身);如酵母、蘑菇菌丝、苏云金杆菌等的培养。细菌产量/碳源消耗“产量常数”2.代谢产物类型；指产物积累与菌体增长相平行，并与碳源消耗有准量关系。如酒精、乳酸、山梨糖、葡萄糖酸、-酮戊二酸等。3.氯霉素、杆菌肽第

4、7页，此课件共78页哦发酵第一类型 比生长速率，g/(g.h);碳源利用比速率，g/(g.h)；产物形成比速率，g/(g.h)。时间h第8页，此课件共78页哦12.1.2 第型（与部分生长相关型）第一时期：细菌迅速生长，产物很少或全无；第二时期：产物高速形成，生长也可能出现 第二个高峰，碳源利用在这两个 时期都很高。特点：从生源来看，发酵产物不是碳源的直接 氧化，而是细菌代谢的主流产物。可分两种类型：1.产物形成是经过连锁反应的过程。丙酮丁醇，先形成乙酸丙酮丁醇，先形成乙酸和丁酸，再形成丙酮和丁醇。和丁酸，再形成丙酮和丁醇。2.产物形成不经过中间产物的积累。菌体生长与产物积累明显分在两个时期。

5、如柠檬酸。第9页，此课件共78页哦发酵第二类型 比生长速率，g/(g.h);碳源利用比速率，g/(g.h)；产物形成比速率，g/(g.h)。时间h第10页，此课件共78页哦12.1.3 第型(与生长不相关型)特点:产物形成一般在菌体生长接近或达到最 高生长时期,即稳定期。产物形成与碳源利用无准量关系。产量远低于碳源的消耗。（最高产量一般不超过碳源消耗量的10%。如抗生素、维生素属此类。第11页，此课件共78页哦发酵第三类型 比生长速率，g/(g.h);碳源利用比速率，g/(g.h)；产物形成比速率，g/(g.h)。时间h第12页，此课件共78页哦一、微生物发酵过程分型一、微生物发酵过程分型二、

6、分批培养动力学二、分批培养动力学 1.细胞生长动力学细胞生长动力学 2.基质消耗动力学基质消耗动力学 3.产物生成动力学产物生成动力学三、连续培养动力学三、连续培养动力学 1.单级连续培养动力学单级连续培养动力学 2.多级串联连续培养动力学多级串联连续培养动力学 3.细胞循环使用单级连续培养动力学细胞循环使用单级连续培养动力学四、连续培养的实施四、连续培养的实施第13页，此课件共78页哦二、分批发酵动力学二、分批发酵动力学 1、几个基本概念：、几个基本概念：菌体生长速率菌体生长速率 比生长速率比生长速率 底物消耗速率底物消耗速率 产物生产速率产物生产速率 比产物生产速率比产物生产速率 得率因子

7、得率因子第14页，此课件共78页哦二、分批发酵动力学二、分批发酵动力学 菌体浓度、生长速率和比生长速率菌体浓度、生长速率和比生长速率(cell density,growth rate and specific growth rate)菌体浓度菌体浓度(cell density,or cell concentration,X,g/L)干重：干重：105烘干至恒重烘干至恒重;比色法：在一定的菌体浓度范围内，菌体浓度与培养液的吸光比色法：在一定的菌体浓度范围内，菌体浓度与培养液的吸光值成正比值成正比;DNA或或RNA含量测定含量测定;离心法近似测定离心法近似测定;发酵液粘度。发酵液粘度。第15页，此

8、课件共78页哦二、分批发酵动力学二、分批发酵动力学 生长速率生长速率(rX)：单位时间内菌体浓度的增加量单位时间内菌体浓度的增加量 比生长速率比生长速率()：单位时间内单位菌体量所产生的单位时间内单位菌体量所产生的菌体增加量菌体增加量dtdXrXXdtdX1第16页，此课件共78页哦二、分批发酵动力学二、分批发酵动力学 在常规培养条件下一些微生物的最大比在常规培养条件下一些微生物的最大比生长速率生长速率(max/h):产黄青霉：产黄青霉：0.12 甲烷单孢菌：甲烷单孢菌：0.53 构巢曲霉：构巢曲霉：0.36 贝内克氏菌：贝内克氏菌：4.24第17页，此课件共78页哦二、分批发酵动力学二、分批

9、发酵动力学 底物浓度、底物消耗速率和比底物消耗速率底物浓度、底物消耗速率和比底物消耗速率(substrate concentration,S;substrate consumption rate,rS,and specific s.c.r.)碳源碳源 总糖总糖(total sugar)，斐林滴定法或，斐林滴定法或DNS法法 还原糖还原糖(reducing sugar)，斐林滴定法或，斐林滴定法或DNS法法 氮源氮源 氨基氮氨基氮(amino-nitrogen)，甲醛滴定法，甲醛滴定法 总氮总氮 限制性底物或限制性基质限制性底物或限制性基质第18页，此课件共78页哦二、分批发酵动力学二、分批发酵

10、动力学 底物消耗速率底物消耗速率(rS)：单位体积发酵液在单位时间单位体积发酵液在单位时间内所消耗的底物量。内所消耗的底物量。比底物消耗速率比底物消耗速率(qS)：单位菌体量在单位时间内所单位菌体量在单位时间内所消耗的底物量。消耗的底物量。dtdSrSXdtdSqS1第19页，此课件共78页哦二、分批发酵动力学二、分批发酵动力学 产物浓度、产物生产速率与比产物生成速率产物浓度、产物生产速率与比产物生成速率(product,P；product formation rate and specific p.f.r.)化学分析化学分析 比色法，化学反应后比色比色法，化学反应后比色 气相色谱气相色谱(g

11、as chromatography,GC)液相色谱液相色谱(high performanced liquid chromatography,HPLC)生物分析方法生物分析方法 生物效价（如抗生素含量的测定）生物效价（如抗生素含量的测定）酶活性测定酶活性测定 酶联免疫分析等酶联免疫分析等第20页，此课件共78页哦二、分批发酵动力学二、分批发酵动力学 产物生成速率产物生成速率(rP)：单位体积发酵液在单位时单位体积发酵液在单位时间内所生成的产物量。间内所生成的产物量。比产物生成速率比产物生成速率(qP)：单位量的菌体在单位时单位量的菌体在单位时间内所生成的产物量。间内所生成的产物量。dtdPrPX

12、dtdPqP1第21页，此课件共78页哦12.2分批培养动力学 分批培养指的是一次投料，一次接种，分批培养指的是一次投料，一次接种，一次收获的间歇式培养方式。一次收获的间歇式培养方式。这种培养方式操作简单。发酵液中的细胞浓度、基质浓度和产物浓度均随时间变化。第22页，此课件共78页哦12.2.1分批培养中细胞的生长动力学在分批培养中细胞浓度X要经历延迟期、对数生长期、减速期、稳定期和衰亡期五个阶段。第23页，此课件共78页哦分批培养中细胞浓度的变化1.延迟期；2.对数生长期；3.减速期；4.稳定期；5.衰亡期12345tlnX第24页，此课件共78页哦12.2.1.1 12.2.1.1 延迟期

13、延迟期 微生物接种后，细胞在新环境中有一个适应期。适应期的长短与菌龄、接种量、辅助酶（活化剂）、以及一些小分子、离子有关。与培养基浓度无关。与培养基浓度无关。第25页，此课件共78页哦12.2.1.2 对数生长期 在这阶段中，由于培养基中营养丰富，有毒物质少，细胞迅速生长，其生长速率与细胞浓度成正比：XdtdX式中：X细胞浓度(kg/m3);t时间(s);-比生长速率(s-1)。积分：teXtXdtXdXdtXdXln第26页，此课件共78页哦XdtdX式中比生长速率与微生物种类、培养温度、培养基成分及限制性基质浓度等因素有关。(是一个变量！）是一个变量！）在对数生长阶段，细胞的生长不受限制因

14、此比生长速率达到最大值m，XdtdXm如在时间t1时的细胞浓度为X1，则在t2时的细胞浓度为X2 )(exp1212ttXXm第27页，此课件共78页哦12212112121212lnlnlnttmttmXXmmmeXXttXXXXdtXdXdtXdXXdtdX第28页，此课件共78页哦 细胞浓度随时间呈指数生长，细胞浓度增长一倍所需时间称倍增时间（doubling time,td),)(exp1212ttXXmmmdt693.02ln细菌倍增时间：0.251h酵母:1.152h霉菌:26.9h第29页，此课件共78页哦12.2.1.3减速期经过对数生长期细胞的大量繁殖，培养基中营养物质迅速消

15、耗，有害物质逐渐积累，细胞的比生长速率逐渐下降，进入减速期。无抑制性基质时 式中:S 限制性基质浓度;Km饱和常数。该式称Monod方程式，是经验公式。当限制性基质浓度很低时，增加基质浓度可以提高细胞的比生长速率；但，若限制性基质浓度接近Km时，再增加其浓度 就不能提高比生长速率。SKSmm第30页，此课件共78页哦2.有抑制性基质时，发生抑制现象。如以醋酸为基质培养产阮假丝酵母，用亚硝酸盐培养硝化杆菌等。这时细胞比生长速率：ismmKSKS1式中：Kis抑制常数。211kPkkPEXPSKSkPSKSmsmSm还有一些产物抑制经验公式：式中：P产物浓度；k,k1,k2-是常数。第31页，此课

16、件共78页哦12.2.1.4 静止期 营养物质耗尽，有害物质大量积累，细胞浓度达到最大值，不再增加。此时细胞比生长速率为零。12.2.1.5 衰亡期细胞开始死亡，atXXmexp式中：Xm静止期细胞浓度；细胞比死亡率；t进入衰亡期时间a第32页，此课件共78页哦课程的叙述方法：课程的叙述方法：一、微生物发酵过程分型一、微生物发酵过程分型二、分批培养动力学二、分批培养动力学 1.细胞生长动力学细胞生长动力学 2.基质消耗动力学基质消耗动力学 3.产物生成动力学产物生成动力学三、连续培养动力学三、连续培养动力学 1.单级连续培养动力学单级连续培养动力学 2.多级串联连续培养动力学多级串联连续培养动

17、力学 3.细胞循环使用单级连续培养动力学细胞循环使用单级连续培养动力学四、连续培养的实施四、连续培养的实施第33页，此课件共78页哦12.2.2 分批培养中基质的消耗动力学12.2.2.1 得率系数 微生物细胞内的生化反应极为复杂，总的反应可以用下式表示：碳源+氮源+氧 细胞+产物+CO2+H2O 菌体生长量相对于基质消耗量的收得率称生得率,其定义为：sxY/SXYsx/sxY/式中 相对于基质消耗的实际生长实际生长得率(g/g,g/mol)；干细胞的生长量(g)；基质消耗量(mol,g)。对于氧，细胞得率系数为：XS2/OXYox第34页，此课件共78页哦在培养过程中，细胞产生除二氧化碳和水

18、之外，还产出产物。以消耗基质的产物得率系数为SPYSP/式中,相对于基质消耗的实际产物得率(g/mol,g/g)；产物生成量(mol,g)。SPY/P12.2.2.2基质消耗速率分批培养时，基质的减少是因为细胞和产物的生成。根据物料衡算有sxYXdtdS/第35页，此课件共78页哦如果限制性基质是碳源，所消耗掉的碳源中一部分形成细胞物质，一部分产生能量，一部分形成产物，则dtdPYmXYXdtdSPG1式中 细胞生长得率系数(g/mol)；(只用于细胞生长所消耗基质）细胞的维持系数(mol/g.h)；产物得率系数(mol/mol)。(只用于产物生成所消耗基质）维持系数是微生物菌株的一种特征值。

19、对于特定的菌株、特定的基质和特定的环境因素（如温度、Ph值等）是一个常数，故又称维持常数。维持系数越低，菌体的能量代谢效率越高。其定义：单位质量干菌体在单位时间内，因维持代谢消耗的基质量：GYmPY第36页，此课件共78页哦MdtdSXm 1式中，以基质消耗为基准的维持系数(mol/g.h)；细胞干重(g)；限制性基质浓度(mol,g)；发酵时间(h)；表示维持(maintain)。mXStMM维持常数 定义：单位质量干菌体在单位时间内，因维持代谢消耗的基质量：m第37页，此课件共78页哦 和 是对基质(碳源)的总消耗而言，和 则分别对用于(只用于只用于)生长和产物生成所消耗的基质而言。如果用

20、比速率来表示基质消耗和产物生成，则GYPYSXY/SPY/dtdSXqs1dtdPXqp1 和 分别为基质比消耗速率和产物比生成速率，因此上两个式子可改写成：sxsYq/PPGsYqmYqsqpq第38页，此课件共78页哦若产物生成可以忽略不计，则可以合并，得mYYGSX11/细胞生长得率 和细胞维持系数 是很难直接测量，而 是很容易测出(利用连续培养法，很容易求出 与 关系）。只要测出细胞在不同比生长速率下的 就可以求出 和GYmsxY/sxY/GYmsxY/方程组应用的一个例子sxsYq/PPGsYqmYq第39页，此课件共78页哦 h1SXY/1DNA重组的大肠杆菌与，m 关系SXY/1

21、GY第40页，此课件共78页哦课程的叙述方法：课程的叙述方法：一、微生物发酵过程分型一、微生物发酵过程分型二、分批培养动力学二、分批培养动力学 1.细胞生长动力学细胞生长动力学 2.基质消耗动力学基质消耗动力学 3.产物生成动力学产物生成动力学三、连续培养动力学三、连续培养动力学 1.单级连续培养动力学单级连续培养动力学 2.多级串联连续培养动力学多级串联连续培养动力学 3.细胞循环使用单级连续培养动力学细胞循环使用单级连续培养动力学四、连续培养的实施四、连续培养的实施第41页，此课件共78页哦12.2.3 产物生成动力学 产物生成情况比较复杂，对于三种发酵类型必须分别加以讨论。.产物生成与细

22、胞相关，产物生成速率为：dtdXYdtdPXP/式中，是以细胞为基准的产物得率系数。.产物生成与细胞生长部分相关，XdtdXdtdPXPY/与生长关联的细胞生产能力；非生长关联的比生长速率。第42页，此课件共78页哦.产物生成与细胞生长不相关联。在细胞处于生长期，无产物积累，当细胞生长停止时，产物开始大量积累，其生成速率：若用比速率表示，则上式可写成：pqkPXqdtdPp式中，k 是不稳定产物的失活常数（限制性基质特性）。第43页，此课件共78页哦以上由细胞生长、基质消耗和产物生成的微分方程构成的微分方程组。小结XdtdXsxYXdtdS/dtdPYmXYXdtdSPG1sxsYq/PPGs

23、YqmYq细胞生长：细胞生长：基质消耗：基质消耗：或或 用基质比消耗用基质比消耗速率和产物比生速率和产物比生成速率表示：成速率表示：第44页，此课件共78页哦dtdXYdtdPXP/XdtdXdtdPpqkPXqdtdPp产物生成产物生成：.第45页，此课件共78页哦小结 上述方程反映了分批发酵过程中细胞、基质和产物浓度的变化。对各种不同的微生物分批发酵过程，通过实验实验研究这三参量的变化规律，建立适合的微分方程组，就可以对分批发酵过程进行模拟，进行优化控制，最终达到大大提高生产效率。第46页，此课件共78页哦课程的叙述方法：课程的叙述方法：一、微生物发酵过程分型一、微生物发酵过程分型二、分批

24、培养动力学二、分批培养动力学 1.细胞生长动力学细胞生长动力学 2.基质消耗动力学基质消耗动力学 3.产物生成动力学产物生成动力学三、连续培养动力学三、连续培养动力学 1.单级连续培养动力学单级连续培养动力学 2.多级串联连续培养动力学多级串联连续培养动力学 3.细胞循环使用单级连续培养动力学细胞循环使用单级连续培养动力学四、连续培养的实施四、连续培养的实施第47页，此课件共78页哦12.3连续培养动力学连续培养（连续发酵）是指在培养过程中，连续地向发酵罐中加入培养基，同时以相同流速从发酵罐排出含有产品的培养基。有两种方式：罐式（或搅拌发酵罐）；1.管式反应器。第48页，此课件共78页哦12.

25、3.1连续培养的优点分批培养中，微生物细胞群体都经过五个阶段：延迟期、对数生长期、减速期、稳定期和衰亡期。其实对特定微生物发酵过程，目标产物只仅仅在某一个期间合成。如第型的发酵，产物积累出现在对数生长期；而属于第型的发酵，产物积累则在稳定期。其它几期是多余的，浪费时间。同时分批培养中辅助时间很长，所以设计了连续培养。优点如下：提高设备利用率和单位时间产量，只保持一个稳定状态稳定状态。发酵中各参数趋于稳定，便于自动控制。易于分期控制。可以在不同的罐中控制不同的条件。还有多种分类：（以设备分类或控制方法分类）恒成分培养；恒浓度培养、循环式、非循环式、单级和多级连续培养等。第49页，此课件共78页哦

26、12.3.2单级连续培养 在进行任何连续培养的开始，都要先进行分批培养，让微生物在接种后生长繁殖达到一定细胞浓度，并进入产物合成时期，然后才开始以恒定的流量向发酵罐加入培养液，同时以同样的流量排放出培养液，使发酵罐内培养液的体积保持恒定，微生物能持续生长并合成产物。如果在发酵罐中进行充分搅拌，则培养液中各处的组分均匀，与流出液的组分相同，即为连续流动搅拌发酵罐。第50页，此课件共78页哦各种物质的物料平衡按下式计算：流入速率=流出速率+消耗速率+积累速率由于加入的培养基中不含有细胞，因此有dtdXVdtdXVXFG0式中：液体流量(m3/s)；发酵罐培养液体积(m3)；因细胞生长造成的细胞浓度

27、变化率；培养液中细胞浓度变化率。FVGdtdX/dtdX/第51页，此课件共78页哦三、连续培养动力学三、连续培养动力学单级连续培养单级连续培养 达到稳态后，对上述微生物反应体系进行物料衡算达到稳态后，对上述微生物反应体系进行物料衡算细胞流出的速率细胞的生长速率流入速率速率细胞在反应器内的变化FXXVdtdXV0第52页，此课件共78页哦上式可以整理成：XVFdtdX式中流量与培养液体积比称为稀释率，用D表示VFD 单位为1/s,其含义是单位时间内加入的培养基体积占发酵罐内培养基体积的分率；D的倒数t表示培养液在发酵罐内的平均停留时间（s）。因此XDdtdX第53页，此课件共78页哦开始连续培

28、养一段时间，（大约为平均停留时间的35倍）以后，过程进入稳态。培养液中的细胞、基质和产物浓度保持恒定，不再随时间变化。所以连续培养亦称恒化培养。达到稳态时，。0/dtdXD第54页，此课件共78页哦单级连续培养的一个重要特性，就是进入稳定状态单级连续培养的一个重要特性，就是进入稳定状态后，细胞的比生长速率与稀释率相等。后，细胞的比生长速率与稀释率相等。此外分批培养时，细胞的比生长速率是无法人为控制的；而连续培养时，稳态下细胞的比生长速率可以通过改变培养基的流量速率而加以改变。但稀释率的大小有一定的限制。即有一个临界稀释率。0/dtdXDXDdtdX第55页，此课件共78页哦前面讲分批培养中细胞

29、动力学时，进入“减速期”,即接近稳定态时有一个Monod方程(或米氏方程)第56页，此课件共78页哦9.2.1.3减速期经过对数生长期细胞的大量繁殖，培养基中营养物质迅速消耗，有害物质逐渐积累，细胞的比生长速率逐渐下降，进入减速期。无抑制性基质时 式中:S 限制性基质浓度;Km饱和常数。该式称Monod方程式，是经验公式。当限制性基质浓度很低时，增加基质浓度可以提高细胞的比生长速率；但，若限制性基质浓度接近Km时，再增加其浓度 就不能提高比生长速率。SKSmm第57页，此课件共78页哦若假设加入的限制性基质浓度为S0，则临界稀释率：00SKSDSC若稀释率超过临界稀释率，细胞的比生长速率小于稀

30、释率，随着时间的延续，细胞的浓度不断降低，最后细胞从发酵罐中被洗清。当 时，发酵罐中限制性基质的稳态浓度为CDD DDKSmS第58页，此课件共78页哦关于限制性基质，可以有以下物料平衡关系：dtdSVdtdSVFSFSC0式中 因细胞消耗造成的限制性基质浓度变化率；培养液中限制性基质变化率。经整理得：CdtdS/dtdS/SXCYXSSDdtdSSSDdtdS/00SXYXdtdS/第59页，此课件共78页哦三、连续培养动力学三、连续培养动力学流出的速率底物的消耗速率底物的流入速率速率底物在反应器内的变化SDYXSDdtdSSX/0SXCYXSSDdtdSSSDdtdS/00第60页，此课件

31、共78页哦细胞的生产速率为：DDKSDYDXmSSX0/稳态时 ，发酵罐中的细胞浓度为：0/dtdSDDKSYSSYXmSSXSX0/0/方程组应用的一个例子（9.35）此时（即稳态时），D=第61页，此课件共78页哦三、连续培养动力学三、连续培养动力学 在连续培养过程中细胞的生产速率为在连续培养过程中细胞的生产速率为)(0/DDKSYDXDmSSX得到最大细胞生产速率的稀释速率为得到最大细胞生产速率的稀释速率为01SKKDSSm第62页，此课件共78页哦三、连续培养动力学三、连续培养动力学 在连续培养过程中所能得到的最大细胞在连续培养过程中所能得到的最大细胞产率为产率为20000/)(SKS

32、SKSYDXSSmSXm0/)(SYDXmSXm当当S0远大于远大于KS时时第63页，此课件共78页哦第64页，此课件共78页哦有的微生物连续培养的结果会与图9-5所示情况发生差异。例如，当限制性基质为碳源时，消耗的碳源中有一部分用于能量释放以供细胞维持生命活动之需，因此在低稀释率时，细胞浓度明显偏低（图9-6(a)）。以氮或硫为限制性基质时，细胞在低稀释率下可能积累多糖、脂肪或-羟基丁酸，细胞浓度会偏高（图9-6(b)）。以镁、磷或钾作为限制性基质时，与上述情况类似，只是起因不一样（图9-6（c）。在复合培养基时，往往难以确定哪一种是限制性基质，并且随着比生长速率的变化，限制性基质可能发生改

33、变。因此细胞浓度随稀释率增大而下降（图9-6(d)）。第65页，此课件共78页哦第66页，此课件共78页哦关于产物，有如下物料恒算式：00PPDXqPPDdtdPdtdPPPdtdPVdtdPVFPFPP0式中 由细胞合成产物引起的产物浓度变化率kg/(m3s);培养液中产物浓度变化速率kg/(m3s);PdtdP/dtdP/当连续培养处于稳态时,且加料中不含产物P0=0时XqDPp第67页，此课件共78页哦三、连续培养动力学三、连续培养动力学 产物的形成产物的形成 对产物进行物料衡算对产物进行物料衡算FPqXVdtdPVP0流出的速率产物的生成速率产物的流入速率速率产物在反应器内的变化XqD

34、PP第68页，此课件共78页哦12.3.3多级串联连续培养动力学多级串联连续培养动力学把多个发酵罐串联起来,第一罐的情况与单罐培养相同,以后下一罐的进料便是前一发酵罐的出料,这样就组成了多级串联连续培养。第69页，此课件共78页哦多级串联连续培养动力学多级串联连续培养动力学多级串联连续培养可提高生产能力。多级串联连续培养可提高生产能力。二级连续培养的细胞浓度二级连续培养的细胞浓度X1、X2，限制性基质，限制性基质S1、S2，细胞生产速率，细胞生产速率DX1 DX2与稀释率与稀释率D的关系的关系DDC时，一、二级罐中细胞被洗光。时，一、二级罐中细胞被洗光。DDC时，时，X2 X1；S2 S1。第

35、70页，此课件共78页哦如果各级发酵罐的培养体积相同,并且第二级以后的各级发酵罐中不加新培养基,那么根据各级发酵罐的物料平衡,可得出稳态下个发酵罐中的细胞浓度、比生长速率、限制性基质浓度和产物浓度。DXqPPDYXSSXXDDDXXnpnnSXnnnnnnnmnn1/1111nnnnGnnnnnGnnnXDXDXdtdXdtdXVFXXdtdXdtdXVdtdXVFXFX111当达到稳态时当达到稳态时:0,dtdXnm第71页，此课件共78页哦12.3.4细胞循环使用的单级连续培养动力学 进行单级连续培养时，有细胞循环使用和不循环使用两种方法。经连续培养后，流出的培养液进行固液分离，经浓缩后的

36、细胞悬浮液再被送回发酵罐中，也称为细胞回流的连续培养（图9.8）。第72页，此课件共78页哦FS0(1+)FXFF,cX图9.8细胞回流的单级连续培养示意图第73页，此课件共78页哦图中还给出了不进行细胞回流时，X、DX与D的关系对比。可以看出，进行回流时，临界稀释率增大，发酵罐可在高于细胞比生长速率的稀释率下操作，从而提高了细胞的生产速率，同时也加快了基质消耗率。在废水处理中常被采用。BEACD第74页，此课件共78页哦 连续培养比分批培养有许多优越性：效率高，易长期稳定控制，易实现自动化等等。注意问题：防止杂菌污染、防止菌种的变异、防止菌种的衰老等等。9.3.5连续培养的实施连续培养的实施

37、第75页，此课件共78页哦连续培养与分批培养的比较连续培养与分批培养的比较 如果用单级连续培养，细胞最大生产速率与同样限制性基质初浓度S0下分批发酵培养时的细胞的生产速率相比，就可以看到连续培养的优越性：假设分批发酵的指数生长期延续到限制性基质耗尽，这时达到的最大细胞浓度为XF，接种后的细胞浓度为X0，则每一个生产周期为：PRFmLBttXXtt0ln1tB-分批培养一个生产周期所用时间;tL -延迟期所占时间;tR-放出培养液所用时间;tP -清洗发酵罐、重新加入培养基、灭菌、冷却等辅助操作所需时间。FXXdtXdX0第76页，此课件共78页哦因此分批培养的细胞生产率 为：PRLFSXBFCBtttXXSYtXXP00/0ln1CBP设连续培养的细胞最大生产率 Pcc ，将式（9.39），即连续培养的细胞最大生产率 与式（9.62）相除，得 （9.62）0/SYDXmSXmPRLmFCBCCtttXXPP0ln由此可见，细胞的比生长速率越大，辅助操作时间越长，连续培养的优势就越大。例如抗生素连续培养的稀释率一般较小，但较分批培养仍具有较大的生产能力。像青霉素连续发酵的生产量是分批发酵的1.65倍。第77页，此课件共78页哦感谢大家观看感谢大家观看第78页，此课件共78页哦