补料分批发酵动力学

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1、分批发酵分批发酵连续发酵连续发酵补料分批补料分批发酵发酵一、分批发酵一、分批发酵（Batch fermentation) 1 1、定义、定义：将发酵培养基一次性投入发酵罐，接：将发酵培养基一次性投入发酵罐，接种发酵后再一次性地将发酵液放出的一种间歇种发酵后再一次性地将发酵液放出的一种间歇式发酵操作方式。式发酵操作方式。 准封闭式的系统准封闭式的系统 非稳定的过程非稳定的过程 使用最广泛的方式使用最广泛的方式2、特点、特点菌种菌种活化活化摇瓶摇瓶配料配料灭菌灭菌空气空气除菌除菌种种子子发发酵酵发酵液发酵液（1 1）发酵动力学）发酵动力学研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系，研究微生

2、物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系，定量地描述细胞定量地描述细胞 生长生长 和和 产物形成产物形成 过程规律。过程规律。4、分批发酵动力学、分批发酵动力学（2 2）发酵动力学研究的基本过程）发酵动力学研究的基本过程 寻找过程变化的理化参数。寻找过程变化的理化参数。 分析参数变化与发酵代谢之间的规律。分析参数变化与发酵代谢之间的规律。 建立数学模型描述参数间变化的关系。建立数学模型描述参数间变化的关系。 在线控制，验证和修饰模型。在线控制，验证和修饰模型。 （3 3）分批发酵动力学）分批发酵动力学a. 细胞生长动力学细胞生长动力学b. 基质消耗动力学基质消耗动力学c. 产物形成动力学产物

3、形成动力学a、细胞生长动力学、细胞生长动力学分批发酵微生物典型生长曲线分批发酵微生物典型生长曲线 通常以单位细胞通常以单位细胞浓度浓度或细胞或细胞数量数量在单位时间内的增加量在单位时间内的增加量即比生长速率来表示即比生长速率来表示（或或n）：dtdXX1dtdNNn1或tteXX0ttneNN0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微生物生长速率表示微生物生长速率表示llag: x不变不变, , 即即lexp:(假定无抑制作用存在假定无抑制作

4、用存在)0, 0dtdx00lnln1xxtxxdtdxxmmmtme00XeXXttlDeclineDecline（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）: : 如果不存在抑制物时如果不存在抑制物时 Monod Monod 模型模型: :sKssmtsKsxxsm0lnlntexx0式中: S限制性基质浓度，mol/L Ks底物亲和常数, mol/L ； 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， dtdXX1lStationary（不生长或生长率与死亡率相等）: ldying

5、: atxxm lnlnatmexxmax01xxdtdxx，（浓度最大）（浓度最大）a(比死亡速率比死亡速率 ，s-1)dtdXX1l 假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则分批发酵过程假定整个生长阶段无抑制物作用存在，则分批发酵过程中微生物生长动力学可用阶段函数表示如下：中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= e t (t2tt3) 0 xm (t3tt4) -a xme -a t (t4tt5)sKssml培养液中有抑制物的情形培养液中有抑制物的情形 高浓度高浓度基质抑制基质抑制存在的情况下存在的情况下 式中，式中，K

6、 Kisis为为抑制常数，抑制作用越强，抑制常数，抑制作用越强，K Kisis越小越小 isSmKSSK/1 高浓度高浓度产物抑制产物抑制的情况下的情况下 )1 (kPSKSSm)exp(kPSKSSm)(21kPkSKSSm线性线性 指数指数 产物积累一定量才有抑制产物积累一定量才有抑制作用作用其中：k，k1，k2为常数CBAXS0初 始 底 物 浓 度菌 体 浓 度A:B:C:l 培养基中存在多种限制性营养物培养基中存在多种限制性营养物 Monod方程可修整为122221111max1innnnKiSKSKSKSKSKSK 得率系数得率系数：指消耗单位营养物所生成的细胞或产物数量。其大小取

7、决于生物学参数（, x ）和化学参数（DO,C/N,磷含量等） 生长得率系数生长得率系数 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； Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。 B、基质消耗动力学、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。sCOsATPOPYYY/p/s22,Yl 产物得率系数：产物得率系数： 表观得率表观得率 专一性得率专一性得率 （纯利率）（纯利率

8、） *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。sxYSX/spYSP/ sxYG sPYP 基质消耗速率与生长、合成关系： 表观： 专一性： SXSXSXYxdtdxYdtdsdtdsYdtdx/1dtdpYdtdsdtdsYdtdpSPSP/1dtdpYmxYxdtdsPG1m为维持因子为了扣除细胞量的影响为了扣除细胞量的影响，基质比消耗速率基质比消耗速率 产物比生成速率产物比生成速率 dtdsxqS1dtdPxqP1SqPPGYqmYSqSXY/dtdpYmxYxdtdsPG1SXSXYxdtdxYdtds/1SPpsYqq/dtdpYdtdsSP/1SXY/PPG

9、YqmYSPPYq/=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 0PPYqmYYGSX11/l 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m1/Yx/s1/ 1/YGmGSXYmY11/0GYPPSPqmYY11/ 若生产阶段微生物生长可以忽略，即若生产阶段微生物生长可以忽略，即SXY/PPGYqmYSPPYq/=0GYl 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/sPPSPYqmY11/1/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

10、相关无关联C、产物形成动力学、产物形成动力学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XPPxXPYqdtdxYdtdP/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。化与产物生成速率的变化相平行。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PqxdtdxdtdP产物间接由能量代谢生成，不是底物的直接氧化产物，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（与初生代谢紧密而是菌体内生

11、物氧化过程的主流产物（与初生代谢紧密关联）。关联）。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pqxdtdP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PkxqPkxdtdPdpd 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。 5 5、分批发酵的优缺点、分批发酵的优缺点v优点：优点：操作简单、投资少操作简单、投资少运行周期短运行周期短染菌机会减少染菌机会减少生产过程、产品质量较易控制生产过程、产品质量较易控制v缺点：缺点：不利于测定过程动力学，存在底物限制或抑制问题

12、，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。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不适合用分批发酵抗生素等不适合用分批发酵. .养分耗竭快，无法维持微生物继续生长和生产养分耗竭快，无法维持微生物继续生长和生产非生产时间长，生产率较低非生产时间长，生产率较低 二、补料分批发酵二、补料分批发酵（Fed-batch culture） 1 1、定义：、定义：指在分批发酵过程中，间歇或连续地以某种方式向培养系指在分批发酵过程中，间歇或连续地以某种方式向培养系统中补加一

13、定物料不从发酵体系中排出发酵液，使发酵液的体积随着统中补加一定物料不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的发酵生产技术。发酵时间逐渐增加的发酵生产技术。 2、特点：、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。的变化。3 3、补料分批发酵类型、补料分批发酵类型 补料方式补料方式连续流加连续流加不连续流加不连续流加 多周期流加多周期流加快速流加恒速流加变速流加流加方式流加方式单一组分补料多组分补料补加的培补加的培养基成分养基成分 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式表示：

14、 xVdtxVdSXYFSdtSVd/01xVqdtPVdP4、补料分批发酵动力学、补料分批发酵动力学dtxVdV：补料体积，L；F：补料流量，L/min 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 dtdVxdtdxVdtxVdFdtdVxFdtdxVxVxDxVFdtdx)()(同样可以推导出限制性基质和产物浓度的变化率：SFdtdSVdtdVSdtdSVdtSVdSXYFS/01dtxVdSFdtdSV合并、式 得xVdtxVdSXYxSSDdtdS/0 xVqdtdPVFPdtdPVdtdVPdtPVdP又 拟稳态时这时 对于恒速流加，细胞的比生长速率对时间的

15、变化率为： 长时间流加培养之后 20222FtVFVFVFdtddtd21tdtd 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。 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。5、补料发酵的优点、补料发酵的优点三、连续发酵三、连续发酵(continuous fermentation)l 1 1、定义、定义 当发酵过程启动到一定阶段（产物合成最适时期）一边当发酵过程启动到一定阶段（产物合成最适时期）一边连续补充发酵培养液，一边又以相同的流速放出发酵液，连续补充发酵培养液，

16、一边又以相同的流速放出发酵液，维持发酵液的原先体积的维持发酵液的原先体积的操作方式。操作方式。 2 2、特点、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。 3 3、类型、类型 单级 多级连续发酵l 4 4、连续发酵类型及装置、连续发酵类型及装置l （1） 罐式连续发酵罐式连续发酵l a.单级l b.多级串联l 单级连续发酵示意图单级连续发酵示意图多级罐式连续发酵装置示意图多级罐式连续发酵装置示意图 : 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细胞回流的单级连续发酵示意图lC. 细胞回流式细胞回流式发酵罐培养物流出培养物流出培

17、养基流入培养基流入(2)(2)塞流式塞流式 定义： 稀释率 D=F/V (h-1) F流量（m3/h） V培养液体积（m3） 理论停留时间细胞的物料衡算（和D的关系）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对于单级恒化器：X X0 0 =0 =0 且通常有： xxDxDxxdtdxxVFxVFdtdxG00DTL1单级恒化器连续发酵单级恒化器连续发酵xDdtdx0dtdxxdtdx, 0 xdtdx, 0 xDdtdxA 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

18、要特征）B.B.不稳定时，不稳定时，当当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,m mx x DC ，则会出现：DDC 由 可知 负增长，x，进入非稳态，菌体最终被洗出，即x=0 时，达到“清洗点”，此时， xDdtdx0dtdx00SKSDSmCl 细胞浓度与稀释率的关联（细胞浓度与稀释率的关联（X X与与D D的关系）的关系） 应用Monod方程，此时， SKSDSml 生长模型生长模型 由两个稳态方程可以推出D与X关联的生长模型 当DDDKs （S010Ks）, ,底物供给浓度很大，为非限制性则 此时，最大临界稀释率

19、当DDc= = 时，0/maxSYDxmSXmSmcSKSD00m0dtdxl 细胞生产率细胞生产率 x, s, Dx与D关系总结：DSSYxSX0/DDKSmSDDKSDYDxmSSX0/l 产物的物料衡算产物的物料衡算 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PkPPDxqPkDPDPdtdPdtdPDPD)(00细胞合成0)(总变化dtdP00PxqDPP第二次作业第二次作业 1、Aspergillus niger初始初始发酵发酵培养基为：培养基为：麸皮麸皮6%，蛋白胨，蛋白胨1%，(NH4)2SO4 0.

20、5%，KH2PO4 0.5%，MgSO4 0.3%，CaCL2 0.3%，微量，微量元素元素1 mL。（微量元素：。（微量元素：FeSO47H2O 5.O mg，MnSO4H2O 1.6 mg，ZnSO47H2O 1.4 mg，CoCL2 2.0 mg，定容到，定容到1L）。）。请提出对此培养请提出对此培养基优化的实验思路？基优化的实验思路？ 2、请从、请从“单元名称单元名称”、“工作内容工作内容”、“实现目标实现目标”和和”主主要技术要技术”等方面用列表总结发酵过程建立前需要开展工作？等方面用列表总结发酵过程建立前需要开展工作？ 3、请用动力学方程分别表述典型分批发酵过程中的菌体生、请用动力学方程分别表述典型分批发酵过程中的菌体生长、基质消耗和产物合成的规律？长、基质消耗和产物合成的规律？