微生物发酵动力学

《微生物发酵动力学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微生物发酵动力学（133页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第 三 章 微 生 物 发 酵 动 力 学 研 究 对 象 ： 菌 体 生 长 、 基 质 消 耗 、 产 物 生 成 三 者 间 的动 态 平 衡 及 内 在 规 律 。 研 究 目 的 ： 为 最 佳 发 酵 条 件 控 制 提 供 依 据 。 认 识 发 酵 过 程 的 规 律 优 化 发 酵 工 艺 条 件 ， 确 定 最 优 发 酵 过 程 参 数 ，如 ： 基 质 浓 度 、 温 度 、 pH、 溶 氧 ， 等 等 提 高 发 酵 产 量 、 效 率 和 转 化 率 等 生 化 反 应 ： aA + bB cC + dD反 应 动 态 平 衡 改 变 条 件 破 坏 平 衡如 何

2、能 最 快 最 多 的 获 得 目 的 产 物温 度 酸 碱 度 浓 度催 化 剂如何确定高产高效的最佳条件？采 用 反 应 动 力 学 方 法进 行 定 量 研 究动 力 学 主 要 探 讨 反 应 速 率 问 题 ： 发 酵 动 力 学 研 究 的 几 个 层 次 （ 尺 度 ） 分 子 层 次 （ 酶 催 化 与 生 物 转 化 ） 基 于 关 键 生 化 反 应 （ 限 速 步 ） 及 其 关 键 酶 的 动 力 学 特征 及 其 影 响 因 素 采 用 一 系 列 分 子 水 平 的 方 法 细 胞 层 次 （ 代 谢 网 络 与 细 胞 工 厂 ） 基 于 细 胞 信 号 传 导

3、、 代 谢 网 络 、 细 胞 物 质 运 输 的 系 列关 键 生 化 反 应 的 综 合 表 现 采 用 一 系 列 细 胞 水 平 的 方 法 ， 包 括 细 胞 群 体 行 为 分 析 反 应 器 层 次 （ 过 程 工 程 ） 基 于 细 胞 群 体 生 长 及 产 物 合 成 对 外 部 环 境 综 合 响 应 采 用 一 系 列 优 化 反 应 器 发 酵 条 件 的 方 法 课 程 重 点 ： 主 要 针 对 微 生 物 发 酵 的 表 观 动 力 学 ， 通 过 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

4、宏 观 变 化 速 率 ， 主 要 包括 ： 细 胞 生 长 动 力 学 底 物 消 耗 动 力 学 产 物 合 成 动 力 学 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 。 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 。 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 ；l

5、建 立 细 胞 生 长 、 基 质 消 耗 、 产 物 生 成 模 型 ；l确 定 模 型 参 数 ； l实 验 验 证 模 型 的 可 行 性 与 适 用 范 围 ；l根 据 模 型 实 施 最 优 控 制 。 本 章 主 要 内 容 分 批 发 酵 动 力 学 连 续 发 酵 动 力 学 补 料 分 批 发 酵 动 力 学 第 一 节 分 批 发 酵 动 力 学 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 非 稳 态 过 程 。 细 胞 生 长 动 力 学 基 质 消 耗 动 力 学 产 物 形 成 动 力 学

6、典 型 的 分 批 发 酵 工 艺 流 程 图分 批 发 酵 过 程 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 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 止期 ） 和 衰 亡 期 五 个 时 期 。 1.1 细胞生长动力学 在 细 胞 生 长 的 过 程 中 ， 包 含 两 个 相 互 作 用 的 系 统 ： 分 批 发 酵 动 力 学 -细 胞 生 长 动 力 学 微 生 物 生 长 特 性 通 常 以 单

7、 位 细 胞 浓 度 或 细胞 数 量 在 单 位 时 间 内 的 增 加 量 来 表 示 （ 、 n） ：dtdXX1 dtdNNn 1或tt eXX 0 tt neNN 0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 比 生 长 速 率 ； 以 细 胞 数 量 表 示 的 比 生 长 速 率 。 n 比 生 长 速 率指 数 生 长 方 程分 批 发 酵 动 力 学 -细 胞 生 长 动 力

8、学 分 批 发 酵 动 力 学 -细 胞 生 长 动 力 学 分 批 发 酵 动 力 学 -细 胞 生 长 动 力 学llag: x不 变 t1 t2 t3 t4 t5 现 象 ： 活 菌 数 没 增 加 ， 曲 线 平 行 于 横 轴 。 特 点 ： 生 长 速 率 常 数 = 0； 细 胞 形 态 变 大 （ 长 ） ； 细 胞 内 RNA特 别 是 rRNA含 量 增 高 ； 合 成 代 谢 活 跃 ， 易 产 生 诱 导 酶 ； 对 外 界 不 良 条 件 敏 感 。 原 因 ： 适 应 新 的 环 境 条 件 ， 合 成 新 的 酶 ， 积 累 必 要 的 中 间 产 物 。 影 响

9、 延 迟 期 长 短 的 因 素 ： 菌 种 接 种 物 菌 龄 (对 数 生 长 期 ) 接 种 量 (大 ， 易 形 成 优 势 ) 培 养 基 成 分 (合 成 与 天 然 培 养 基 ) 0,0 dtdx 分 批 发 酵 动 力 学 -细 胞 生 长 动 力 学lexp:(假 定 无 抑 制 作 用 存 在 ) 0 0lnln 1xx txx dtdxx mm m tme lDecline（ 开 始 出 现 一 种 底 物 不 足 的 限 制 ） : (1)若 不 存 在 抑 制 物 时 Monod 模 型 : sK ss m tsK sxx s m 0lnln texx 0 分 批

10、发 酵 动 力 学 -细 胞 生 长 动 力 学减 速 期 式 中 : S限 制 性 基 质 浓 度 ， mol/m3Ks底 物 亲 和 常 数 (也 称 半 饱 和 速 度 常 数 ） ， 表 示 微 生 物 对 底物 的 亲 和 力 , mol/m3 ； Ks越 大 ， 亲 和 力 越 小 ， 越 小 。 当 S较 高 时 ， (对 数 期 满 足 S10Ks)， 此 时 ， = m 当 S较 低 时 ， (减 速 期 ， S10Ks)， 此 时 S， 减 速 期 ， 分 批 发 酵 动 力 学 -细 胞 生 长 动 力 学sK s s m 比生长素率 限 制 性 底 物 残 留 浓 度

11、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 tSK tSms Monod方 程 ： Ks底 物 亲 和 常 数 ， 等 于处 于 1/2 m时 的 底 物 浓 度 ，表 征 微 生 物 对 底 物 的 亲 和 力 ，两 者 成 反 比 。 酶 促 反 应 动 力 学 米 氏 方 程 ：sK s s m sK sVv mm受 单 一 底 物 酶 促 反 应 限 制 的 微 生 物生 长 动 力 学 方 程 Monod方 程 ： mm SKs 111 Monod方 程 应

12、 用 ： 测 定 微 生 物 对 不 同 底 物 的 亲 和 力 大 小 （ Ks值 ） ； 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 微 生 物 对 同 一 底 物 的 竞 争 优 势 ， 确 定 连 续 培 养 的 稀 释 率 lStationary: max01 xxdtdxx ， （ 浓 度 最 大 ） 分 批 发 酵 动 力 学 -细 胞 生 长 动 力 学 ldying: atxx m lnln atmexx 分 批 发 酵 动 力 学 -细 胞 生 长 动 力 学a (比 死

13、 亡 速 率 ， s-1) 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 动力 学 可 用 阶 段 函 数 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)sK ss m 其 它 模 型 1l在 无 抑 制 作 用 情 况 下 （ 但 有 底 物 限 制 存 在 ） Sm KSexp1 nS nm SK S SxK S Sm 分 批 发 酵 动 力 学 -细 胞

14、生 长 动 力 学式 中 n为 常 数x为 细 胞 浓 度 l培 养 液 中 有 抑 制 物 的 情 形 高 浓 度 基 质 抑 制 存 在 的 情 况 下 式 中 ， Kis为 抑 制 常 数 ， 抑 制 作 用 越 强 ， Kis越 小 isS m KSSK /1 分 批 发 酵 动 力 学 -细 胞 生 长 动 力 学其 它 模 型 2 高 浓 度 产 物 抑 制 的 情 况 下 )1( kPSK SSm )exp( kPSK SSm )( 21 kPkSK S Sm 线 性 指 数 产 物 积 累 一 定 量 才 有抑 制 作 用 分 批 发 酵 动 力 学 -细 胞 生 长 动 力

15、学其 它 模 型 2其 中 ： k， k 1， k2为 常 数 CBAX S0初 始 底 物 浓 度菌 体 浓度 分 批 发 酵 中 初 始 底 物 浓 度 对 稳 定 期菌 体 浓 度 的 影 响 A B区 ： 菌 体 浓 度 与 初始 底 物 浓 度 成 正 比 ， 有 ： )( 0/ tSX SSYX X为 菌 体 浓 度 ， 为 针 对 底 物 的细 胞 得 率 ， 初 始 X0为 零 ；S0为 底 物 初 始 浓 度 ；St为 底 物 残 留 浓 度 。 SXY / B C区 ： 随 S0增 加 ，菌 体 浓 度 达 最 高 水 平 ， 再增 加 S0 ， 菌 体 不 再 增 加 。

16、 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 。 X/SY高 浓 度 底 物抑 制 的 情 形 l 当 培 养 基 中 存 在 多 种 限 制 性 营 养 物 时 ， Monod方 程 应 改 为 ？ 122 2211 11max 1inn nn KiSK SKSK SKSK SK 分 批 发 酵 动 力 学 例 题1、 在 一 定 条 件 下 培 养 大 肠 杆 菌 ， 测 得 数 据 如 下 ： 求 ： 该 培 养 条 件 下 ， 大 肠 杆 菌 的 最 大 比 生 长 速 率 m， 饱 和 常

17、 数 Ks， 倍 增 时 间 td。 解 ： 依 据 方 程 s/ =Ks/ m+1/ mS(莫 诺 方 程 变 形 )， 分 别采 用 图 解 和 回 归 法 求 解 。 计 算 与 表 中 S相 对 应 的 S/分 别 为 ： 110、 108、137.5、 129、 148.8、 192.5、 203.3、 231.8、 246.4、 311.3、287.7。 对 S/S作 图 。 由 图 中 可 得 出 斜 率 K为 0.95， 截 距 C为 90， 又 ， m=1/K， Ks/m=C得 m=1.05h-1 Ks=95mg/L=0.095g/L由 方 程 td=ln2/m=0.693/

18、m， 得 td=0.66h l 得 率 系 数 指 消 耗 单 位 营 养 物 所 生 成 的 细 胞 或 产 物 数 量 。 其 大 小 取 决于 生 物 学 参 数 （ ,x ） 和 化 学 参 数 （ DO、 C/N、 磷 含 量 等 ） （ 1） 生 长 得 率 系 数 Yx/s、 Yx/o、 Yx/kcal： 消 耗 每 克 营 养 物 、 每 克 分 子 氧 以 及 每千 卡 能 量 所 生 成 的 细 胞 克 数 ； Yx/c、 Yx/N、 Yx/p、 Yx/Ave- ： 消 耗 每 克 C、 每 克 N、 每 克 P和每 个 有 效 电 子 所 生 成 的 细 胞 克 数 ；

19、Y x/ATP： 消 耗 每 克 分 子 的 三 磷 酸 腺 苷 生 成 的 细 胞 克 数 。 1.2-基质消耗动力学 消 耗 每 克 营 养 物 （ s） 或 每 克 分 子 氧(O2)生 成 的 产 物 (P)、 ATP或 CO2的 克 数 。sCOsATPOP YYY /p/s 22 ,Y分 批 发 酵 动 力 学 -基 质 消 耗 动 力 学（ 2） 产 物 得 率 系 数 ： ： 定 义 ： 表 观 得 率 专 一 性 得 率 *专 一 性 用 于 生 长 的 底 物 量 S不 含 用 于 维 持 能耗 及 产 物 形 成 部 分 的 用 量 。 sxY SX / spY SP /

20、sxYG sPYP 分 批 发 酵 动 力 学 -基 质 消 耗 动 力 学 基 质 消 耗 速 率 与 生 长 、 合 成 关 系 如 下 ： 表 观 ： 专 一 性 ： SXSXSX Y xdtdxYdtdsdtdsYdtdx / 1 dtdpYdtdsdtdsYdtdp SPSP / 1dtdpYmxYxdtds PG 1 分 批 发 酵 动 力 学 -基 质 消 耗 动 力 学 为 了 扣 除 细 胞 量 的 影 响 ，定 义 ： 基 质 比 消 耗 速 率 产 物 比 生 成 速 率 dtdsxqS 1dtdPxqP 1Sq PPG YqmY Sq SXY / 分 批 发 酵 动 力

21、 学 -基 质 消 耗 动 力 学 dtdpYmxYxdtds PG 1 SXSX Y xdtdxYdtds /1 SPps Yqq / dtdpYdtds SP /1 SXY / PPG YqmY SPPYq/=若 生 长 阶 段 产 物 生 成 可 以 忽 略 ， 即 0PPYqmYY GSX 11/分 批 发 酵 动 力 学 -基 质 消 耗 动 力 学则 ， 1/Yx/s 1/ 1/YG ml 图 解 法 求 微 生 物 的 本 征 参 数 YG和 m分 批 发 酵 动 力 学 -基 质 消 耗 动 力 学GSX YmY 11/ 0GYPPSP qmYY 11/ 若 生 产 阶 段 微

22、 生 物 生 长 可 以 忽 略 ， 即分 批 发 酵 动 力 学 -基 质 消 耗 动 力 学SXY / PPG YqmY SPPYq/=则 ， l 图 解 法 求 微 生 物 的 本 征 参 数 Yp和 m1/Yp/s PPSP YqmY 11/ 1/qpm1/YP 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 ：l 与 生 长 相 关 生 长 偶 联 型l 与 生 长 部 分 相 关 生 长 部 分 偶 联 型l 与 生 长 不 相 关 无 关 联1.3-产物形成动力学 相 关 型 部 分 相 关 型 非 相 关 型产

23、物 合 成 相 关 、 部 分 相 关 、 非 相 关 模 型 动 力 学 示 意 图 与 生 长 相 关 生 长 偶 联 型 ： 乙 醇 发 酵 XPPxXP YqdtdxYdtdP /1/ 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 ：乳 酸 、 柠 檬 酸 、 氨 基 酸 发 酵 PqxdtdxdtdP 产 物 间 接 由 能 量 代 谢 生

24、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 生 代 谢 紧 密 关 联 ） 。 分 批 发 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 （ 次 级 代 谢 物 ）pqxdtdP 若 考 虑 到 产 物 可 能 存 在 分 解 时 ， 则 PkxqPkxdtdP dpd 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

25、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 。l 应 用 举 例 分 批 发 酵 的 优 缺 点v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

26、 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 。 l连 续 发 酵 ： 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 培 养 液 。 连 续 发 酵 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

27、 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 酵第 二 节 连 续 发 酵 动 力 学 （ 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 l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

28、 酵 动 力 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 l 两 个 及 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 l 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

29、 恒 定 浓 度 水 平 ， 使 菌 的 比 生 长 速 率 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 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eSF X F)1( eXFcXF, 发 酵 罐 培 养 物流 出无 菌 培 养基 流 入 供

30、给 连 续 接种 再 循 环d连 续 发 酵 动 力 学 -发 酵 装 置 -塞 流 式 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 DT L 1 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -单 级 恒 化 器 连 续 发酵 l 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 ： xxDxDx xdtdxxVFxVFdtdx G 00 xDdtdx 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -单 级 恒 化 器 连 续 发酵积 累 的 细 胞 （ 净

31、增 量 ） = 流 入 的 细 胞 -流 出 的 细 胞 +生 长 的 细 胞 -死 亡 的 细 胞 0dtdx xdtdx ,0 xdtdx ,0连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -单 级 恒 化 器 连 续 发 酵 xDdtdx 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 -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 DC ， 则 会 出 现 ： DDC 由 可 知 负

32、增 长 ， x ， 进 入 非 稳 态 ，菌 体 最 终 被 洗 出 ， 即 x=0 时 ， 达 到 “清 洗 点 ”， 此 时 ， xDdtdx 0dtdx 00SK SD SmC 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -单 级 恒 化 器 连 续 发酵 l 细 胞 浓 度 与 稀 释 率 的 关 联 （ X与 D的 关 系 ） 应 用 Monod方 程 ， 此 时 ， SK SD Sm 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -单 级 恒 化 器 连 续 发酵 l 生 长 模 型 由 两 个 稳 态 方 程 可 以 推 出 D与 X关 联 的 生 长 模 型 当 DKs （ S010Ks）

33、， 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 ， 0/max SYDx mSX mSmc SK SD 00 m 0dtdx l 细 胞 生 产 率 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -单 级 恒 化 器 连 续 发酵 x, s, Dx与 D关 系 总 结 ：D SSYx SX 0/ DDKS m S DDKSDYDx m SSX 0/ 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -单 级 恒 化 器 连 续 发酵 l 产 物 的 物 料 衡 算 产 物 变 化 率 =细 胞 合 成 产 物 速 率 +流 入 -流 出 -

34、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 PkPPDxq PkDPDPdtdPdtdP DP D )( 0 0细 胞 合 成 0)( 总 变 化dtdP00 P xqDP P 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 若 已 知 ： 则 底 物胞 kgkgYhlgS SXm /5.0,1,/10 干 细/10 lgK S /2.0l 实 例连 续 发 酵 动 力

35、 学 -理 论 -单 级 恒 化 器 连 续 发酵 D)-0.2D/(1)/(S D)-0.1D/(1-D5DX D)-0.1D/(1-5 D)-0.2D/(1-0.510)/( 0/ DDK DDKSYX mS mSSX 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 -理 论 -单 级 恒 化 器 连 续 发酵 01 SK KD S Sm 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 体 积 相 同 ， 即V1=V2； 且 第 二 级 不 加 入

36、 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 l 稳 态 时 D1 )( 10/1 SSYx SX DDKS m S 1 )( 0/1 DDKSDYDx m SSX 11 xqDP P 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -多 级 恒 化 器 连 续 发酵 l多 级 恒 化 器 的 第 二 级 动 力 学 模 型1111 1 SKSk S Sms m 2222 1 SKSk S Sms m S1S0 ， S2S1 从 第 二 级 开 始 ， 比 生 长 速 率

37、 不 再 等 于 稀 释 率 D.D 12 n 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -多 级 恒 化 器 连 续 发酵 l 第 二 级 细 胞 物 料 衡 算 第 二 级 稳 态 时 ， 同 理 ,由 稳 态 方 程 可 得 ， 222212 xxDxDxdtdx 2122 1,0 xxDdtdx )1( 1nnn xxD 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 稳 态 时 ， SPPSX Y xqmxY xDSDSdtdS / 22/ 22212 212/212 /2 2 )(0 SSDYSSDYxdtdS SXSX

38、 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -多 级 恒 化 器 连 续 发酵 212 1 xxD 21/12 SSYxx SX 21/10/ 21/12 SSYSSY SSYxx SXSX SX 20/2 SSYx SX 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 212/2 SSDYx SX l S2的 求 解 解 此 方 程 可 得 第 二 级 发 酵 罐 中 稳 态 限 制 性 基质 浓 度 S 2,再 由 式 (2)可 确 定 x2,再 求 出 Dx1,Dx2. 02222022 DDKSDKDDKSSD mSSmSmm

39、 （ 1） （ 3） 212 1 xxD （ 1） 20/2 SSYx SX )( 10/1 SSYx SX （ 2） DDKS m S 1 2s 2m2 Sk S （ 3） 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -多 级 恒 化 器 连 续 发酵 l 细 胞 形 成 产 物 的 速 率 ： DP2 稳 态 时 2212 xqDPDPdtdP P 02 dtdP 21212 xqxqxqDPDP PPP 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -多 级 恒 化 器 连 续 发酵 l 第 二 级 发 酵 罐 产 物 浓 度 同 理 类 推 DxqPP P 212 DxqPP nP nn 1 连 续

40、 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 l 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

41、 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 。 l 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 111101 1 xxxV FaCxVaFxVFdtdx 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 基 无 菌 加 入 （

42、x0=0） D=F/V 由 稳 态 条 件 得 01 dtdx 0 xDxa1aDCx 111 aCa1D 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 S/X 10 YxSV Fa1SVaFSVFdtdS 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -细 胞 回 流 单 级 恒 化 器 连 续 发酵 代 入 有 ： 0dtdS S/X 10 YxDSa1aDSDS SSYDx SX

43、 0/1 SSYaCa1 1x 0S/X1 l x1与 D的 关 系连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -细 胞 回 流 单 级 恒 化 器 连 续 发 酵D=F/V aCa1D 稳 态 时 ， aCa1D aCa1DKSaCa1 Yx mS0S/X1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 aCa1D aCa1DKKSSk S mSm Ss m 又代 入 x1式 , 得 1aCa1 1 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

44、 分 离 器 细 胞 =流 出 分 离 器 细 胞 + 再 循 环 细 胞l 最 终 流 出 的 细 胞 量 xe与 D关 系 1e1 CxaFFxFxa1 1e xaCa1x aCa1D aCa1DKSY m S0S/X 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -细 胞 回 流 单 级 恒 化 器 连 续 发酵 SSY 0S/X l 举 例 :单 级 细 胞 再 循 环 连 续 培 养 的 应 用 D25 D10aCa1D aCa1D.KSaCa1 Yx mS0S/X1 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -细 胞 回 流 单 级 恒 化 器 连 续 发酵 5.0a,2C ,l/g10S,l

45、/g2.0K,l/g5.0Y,h1 0SS/X1m 设 系 统 的对 于 回 流 系 统 有 ： DDDDx 2510 21 aCa1D aCa1D.KSY mS0S/X D210 D5 ex D25 DaCa1D aCa1DKS mS 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 DDSSYx SX 11050/ DDDDx 1105 2 DDDDKS m S 15 eXD210 D5 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 -

46、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 l 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 特 征 。 利 用 细 胞 再 循 环

47、 连 续 发 酵 技 术 进 行 废 水 的 生 化 处 理 、 发 酵 与 产物 分 离 耦 合 。 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 。连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 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 ：DYyYdtdY 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v底 物 浓 度 为 S的 情况 下 杂 菌 Z能 以 比

48、 D大的 比 生 长 速 率 下 生 长 DZZdtdZ Z 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 ZZ XX 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 .

49、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l 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

50、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 PRFmLB ttXXtt 0ln1l 应 用 -提 高 生 产 率 连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 BFCB t xxP 0分 批 发 酵 的 细 胞 生 产 率 为 :连 续 发 酵 动 力 学 -理 论l 应 用 -提 高 生 产 率 PRLFm SX tttxx SY 0 0/ln1 可 见 ,细 胞 的 m越 大 ，辅 助 操 作 时 间 越 长 ，连 续 发 酵 的 优 势 就 越 大 。 SmSXCC KSSYP 0,0/

51、PRLmFCBCC tttxxPP 0lnl 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 ： l 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 少 ? (2) 采 用 同 样 大 小 N个

52、 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 ?1,/50,/2,5.0 01max SXS YLgSLgK 解 ： 代 入 下 式 ：、将 出 口 浓 度 分 别 为） 对 第 一 个 反 应 器 ， 其（ 根 据 11 10SX1 maxmax maxS1 10S SmaxmaxXS L/g8.41)2.850(1)SS(YX ,L/g2.8402.05.0 402.02DDKS2 h402.0502 215.0SK K1D)1( 21222SX12 D XDX ,XY1D1SS

53、212 xx1D 212/2 SSDYx SX L/g7.49X h065.0 CSTR 2N L/g3.0S 01.67S7.228S S2 S5.0SK S 402.0 8.41402.048.22.8 D XDY1D1SS 2 122 222 222S 2max2 22 212SX12 并 求 得串 联 能 满 足 本 题 需 求 。即 两 个 等 体 积，故 采 用故 有 ：又 因 为因 此 323SX23 32X 33SX23 D XDY1D1SS D XDC XY 1D1SS 3N 3 由 上 面 两 式 得 ：时 ， 有若看 一 下 N=3时 的 情 况 ： g/L9.49X h

54、0238.0 Lg/1.0S 046.2S26.261S S2 S5.0402.0 7.49402.0S2 S5.048.23.0S SK S 3 133 323 33333 3S 3max3 解 得 ：整 理 得 ：又 有 l 例 题 l 优 缺 点 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 加 生 物 量 等 ； 在 长 时 间 发 酵 中 ， 菌 种 易 于 发 生 变 异 ， 并 容 易 染上 杂 菌 ； 如 果 操 作 不 当 ， 新 加 入 的 培 养 基 与 原 有 培 养 基 不

55、易 完 全 混 合 。连 续 发 酵 动 力 学 -理 论 第 三 节 补 料 分 批 发 酵 补 料 分 批 培 养 （ Fed-batch culture） ： 在 发 酵 过 程中 ， 不 连 续 地 向 发 酵 罐 内 加 入 培 养 基 ， 但 不 取 出 发酵 液 的 发 酵 方 式 。 特 点 ： 由 于 培 养 基 的 加 入 ， 发 酵 液 体 积 不 断 增 加 。 半 连 续 发 酵 概 念 ： 在 发 酵 过 程 中 ， 每 隔 一 定 时 间 ， 取 出 一 定 体积 的 发 酵 液 ， 同 时 在 同 一 时 间 间 隔 内 加 入 相 等体 积 的 培 养 基 ，

56、 如 此 反 复 进 行 的 发 酵 方 式 。 特 点 ： 稀 释 率 、 比 生 长 速 率 以 及 其 它 与 代 谢 有 关 的参 数 都 将 发 生 周 期 性 的 变 化 。补 料 分 批 发 酵 动 力 学 l 类 型 连 续 流 加 补 料 方 式 不 连 续 流 加 多 周 期 流 加 快 速 流 加 恒 速 流 加 变 速 流 加 单 一 组 分 补 料 多 组 分 补 料 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 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

57、式 表 示 ： xVdtxVd SXYFSdtSVd /0 1 xVqdtPVd P 补 料 分 批 发 酵 动 力 学 dtxVd 细 胞 总 量 的 变 化 率 为 若 为 恒 速 流 加 ， 培 养 基 流 量 为 F， 则 合 并 、 、 式 得 dtdVxdtdxVdtxVd FdtdV xFdtdxVxV xDxVFdtdx )()( 补 料 分 批 发 酵 动 力 学 同 样 可 以 推 导 出 限 制 性 基 质 和 产 物 浓 度 的 变 化 率 ： 合 并 、 式 得 SFdtdSVdtdVSdtdSVdtSVd SXYFS /0 1 dtxVd SFdtdSV 补 料 分

58、 批 发 酵 动 力 学 又 xVdtxVd SXY xSSDdtdS /0 补 料 分 批 发 酵 动 力 学 拟 稳 态 时 这 时 xVqdtdPVFPdtdPVdtdVPdtPVd P PDxqPVFxqdtdP pP 0dtdS,0dtdx D补 料 分 批 发 酵 动 力 学 对 于 恒 速 流 加 ， 细 胞 的 比 生 长 速 率 对 时 间 的变 化 率 为 ： 长 时 间 流 加 培 养 之 后 20 222 FtV FVFVFdtddtd 21tdtd 补 料 分 批 发 酵 动 力 学 可 以 解 除 底 物 的 抑 制 、 产 物 反 馈 抑 制 和 葡 萄 糖 分

59、解 阻 遏 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 ， 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 控 制 细胞 质 量 的 手 段 。 与 连 续 发 酵 相 比 ， 补 料 分 批 发 酵 的 优 点 在 于 ： 无 菌 要 求 低 ； 菌 种 变 异 ， 退 化 少 ； 适 用 范 围 更 广 。补 料 分 批 发 酵 动 力 学l 优 点 本 章 小 结 发 酵 动 力 学 研 究 的

60、主 要 对 象 为 微 生 物 群 体 ， 而 非 单 个 微 生 物菌 体 ， 即 从 宏 观 上 研 究 发 酵 过 程 。 通 过 对 最 简 单 的 封 闭 式 分 批 发 酵 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 联 系 。 基 于 分 批 发 酵 的 优 缺 点 ， 引 申 出 连 续 发 酵 和 补 料 分 批 发 酵 ，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

61、 模 型 。 掌 握 MONOD方 程 ， 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 高 效 、 高 产 和 高 转 化 率 的 发 酵 目 的 。 复 习 思 考 题 根 据 本 章 节 分 批 发 酵 法 和 连 续 发 酵 法 的 优 缺 点 及 其 动 力 学方 程 ， 比 较 连 续 与 分 批 发 酵 的 生 产 率 。 并 判 断 微 生 物 在 什么 情 况 下 宜 用 连 续 培 养 ， 什 么 情 况 下 宜 用 分 批 培 养 ？