發(fā)酵工程 第七章 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)ppt課件

1、精選ppt第七章第七章發(fā)酵動(dòng)力學(xué)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)精選ppt生物反應(yīng)分類(lèi)生物反應(yīng)分類(lèi)一、通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)，利用細(xì)胞產(chǎn)生的酶系統(tǒng)，把培養(yǎng)基中的物一、通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)，利用細(xì)胞產(chǎn)生的酶系統(tǒng)，把培養(yǎng)基中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成新的質(zhì)轉(zhuǎn)化成新的細(xì)胞細(xì)胞及其及其代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物。 底物底物 新的細(xì)胞新的細(xì)胞 + + 代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物二、在二、在酶的作用酶的作用下，底物反應(yīng)生成產(chǎn)物。下，底物反應(yīng)生成產(chǎn)物。 淀粉淀粉 糊精糊精 + + 低聚糖低聚糖 細(xì)胞細(xì)胞 淀粉酶淀粉酶精選ppt發(fā)酵的目的發(fā)酵的目的 獲得產(chǎn)物獲得產(chǎn)物，提高發(fā)酵生產(chǎn)率，即提高微生物的催化與轉(zhuǎn)化，提高發(fā)酵生產(chǎn)率，即提高微生物的催化與轉(zhuǎn)化能力。能力。 降解有害底物，保護(hù)環(huán)

2、境。降解有害底物，保護(hù)環(huán)境。 降解廢棄底物，形成生物能源產(chǎn)品。降解廢棄底物，形成生物能源產(chǎn)品。 降解長(zhǎng)鏈烴底物形成發(fā)酵產(chǎn)物，促進(jìn)采油。降解長(zhǎng)鏈烴底物形成發(fā)酵產(chǎn)物，促進(jìn)采油。精選ppt發(fā)酵研究的關(guān)鍵問(wèn)題發(fā)酵研究的關(guān)鍵問(wèn)題 提高生物催化與轉(zhuǎn)化能力。提高生物催化與轉(zhuǎn)化能力。 分子水平分子水平 酶催化反應(yīng)活性酶催化反應(yīng)活性 酶基因表達(dá)調(diào)控酶基因表達(dá)調(diào)控 細(xì)胞水平細(xì)胞水平 一系列酶促反應(yīng)的交互一系列酶促反應(yīng)的交互 細(xì)胞水平的綜合細(xì)胞水平的綜合 細(xì)胞生長(zhǎng)、底物消耗、產(chǎn)物合成細(xì)胞生長(zhǎng)、底物消耗、產(chǎn)物合成 反應(yīng)器水平反應(yīng)器水平 一系列細(xì)胞酶促反應(yīng)的集成一系列細(xì)胞酶促反應(yīng)的集成 規(guī)模放大對(duì)細(xì)胞及分子水平的影響及

3、控制規(guī)模放大對(duì)細(xì)胞及分子水平的影響及控制精選ppt優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程達(dá)到高產(chǎn)目標(biāo)的方法優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程達(dá)到高產(chǎn)目標(biāo)的方法 提高轉(zhuǎn)化率和效率的三個(gè)方面。提高轉(zhuǎn)化率和效率的三個(gè)方面。 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究 對(duì)現(xiàn)有微生物對(duì)現(xiàn)有微生物本征本征動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)，弄清不同水平的主要?jiǎng)恿W(xué)認(rèn)識(shí)，弄清不同水平的主要影響因素和控制措施。影響因素和控制措施。 菌種選育菌種選育 改造、修飾和構(gòu)建改造、修飾和構(gòu)建 工程措施工程措施 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及操作性能優(yōu)化，提高混合、傳熱、傳質(zhì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及操作性能優(yōu)化，提高混合、傳熱、傳質(zhì)以及細(xì)胞間的信號(hào)傳遞，調(diào)控細(xì)胞群體的發(fā)酵能力。以及細(xì)胞間的信號(hào)傳遞，調(diào)控細(xì)胞群體的發(fā)酵能力。精選ppt發(fā)

4、酵動(dòng)力學(xué)研究方法發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究方法 基于基于細(xì)胞水平細(xì)胞水平展開(kāi)，包括展開(kāi)，包括活細(xì)胞活細(xì)胞、休眠細(xì)胞休眠細(xì)胞（休止細(xì)胞或（休止細(xì)胞或靜止期細(xì)胞）和靜止期細(xì)胞）和死亡細(xì)胞死亡細(xì)胞形成產(chǎn)物過(guò)程的形成產(chǎn)物過(guò)程的定量研究定量研究。 精選ppt什么是發(fā)酵動(dòng)力學(xué)？什么是發(fā)酵動(dòng)力學(xué)？發(fā)酵動(dòng)力學(xué)：發(fā)酵動(dòng)力學(xué)：研究研究微生物生長(zhǎng)微生物生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成產(chǎn)物合成、底物消耗底物消耗之間之間動(dòng)態(tài)定量關(guān)系動(dòng)態(tài)定量關(guān)系，定量描述定量描述微生物微生物 生長(zhǎng)生長(zhǎng) 和和 產(chǎn)物形成產(chǎn)物形成 過(guò)程。過(guò)程。主要研究主要研究：1、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)特征：微生物生長(zhǎng)速率、發(fā)酵產(chǎn)物合成、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)特征：微生物生長(zhǎng)速率、發(fā)酵產(chǎn)物合成速率、底物

5、消耗速率及其轉(zhuǎn)化率、效率等；速率、底物消耗速率及其轉(zhuǎn)化率、效率等；2、影響發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)的各種理化因子；、影響發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)的各種理化因子；3、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。 精選ppt精選ppt一、認(rèn)識(shí)發(fā)酵過(guò)程的規(guī)律；一、認(rèn)識(shí)發(fā)酵過(guò)程的規(guī)律；二、合理設(shè)計(jì)的發(fā)酵過(guò)程，確定二、合理設(shè)計(jì)的發(fā)酵過(guò)程，確定最優(yōu)發(fā)酵過(guò)程最優(yōu)發(fā)酵過(guò)程參數(shù)參數(shù)，如：基質(zhì)濃度、溫度、，如：基質(zhì)濃度、溫度、pHpH、溶氧，等、溶氧，等等，確定最佳發(fā)酵工藝條件；等，確定最佳發(fā)酵工藝條件；三、提高三、提高發(fā)酵產(chǎn)量發(fā)酵產(chǎn)量、效率和轉(zhuǎn)化率等。、效率和轉(zhuǎn)化率等。精選ppt生化反應(yīng)：生化反應(yīng)： aA + bB cC + d

6、D反應(yīng)動(dòng)態(tài)平衡 改變條件 破壞平衡如何能最快最多的獲得目的產(chǎn)物溫度酸堿度濃度催化劑催化劑如何確定高產(chǎn)高效的最佳條件？采用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法采用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行定量研究進(jìn)行定量研究動(dòng)力學(xué)主要探討動(dòng)力學(xué)主要探討反應(yīng)速率反應(yīng)速率問(wèn)題：?jiǎn)栴}：精選ppt 課程重點(diǎn)：主要針對(duì)微生物發(fā)酵的課程重點(diǎn)：主要針對(duì)微生物發(fā)酵的表觀動(dòng)力學(xué)表觀動(dòng)力學(xué)，通過(guò)，通過(guò)研究微生物群體的生長(zhǎng)、代謝，定量反映細(xì)胞群體酶研究微生物群體的生長(zhǎng)、代謝，定量反映細(xì)胞群體酶促反應(yīng)體系的促反應(yīng)體系的宏觀變化速率宏觀變化速率，主要包括：，主要包括： 細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 底物消耗動(dòng)力學(xué)底物消耗動(dòng)力學(xué) 產(chǎn)物合成動(dòng)力產(chǎn)物合成動(dòng)力 重點(diǎn)定量研究

7、底物消耗與細(xì)胞生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成的動(dòng)重點(diǎn)定量研究底物消耗與細(xì)胞生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成的動(dòng)態(tài)關(guān)系，分析參數(shù)變化速率，優(yōu)化主要影響因素。態(tài)關(guān)系，分析參數(shù)變化速率，優(yōu)化主要影響因素。 但研究過(guò)程中將涉及三個(gè)層次的研究方法，達(dá)到認(rèn)但研究過(guò)程中將涉及三個(gè)層次的研究方法，達(dá)到認(rèn)識(shí)微生物本質(zhì)特征、解決發(fā)酵工業(yè)問(wèn)題的目的。識(shí)微生物本質(zhì)特征、解決發(fā)酵工業(yè)問(wèn)題的目的。精選ppt發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究的基本過(guò)程發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究的基本過(guò)程 l 首先研究微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成限制因子；首先研究微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成限制因子；l 建立細(xì)胞生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成模型；建立細(xì)胞生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物生成模型；l 確定模型參數(shù)確定模型參數(shù)； l 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)

8、證模型的可行性與適用范圍；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的可行性與適用范圍；l 根據(jù)模型實(shí)施最優(yōu)控制根據(jù)模型實(shí)施最優(yōu)控制。 精選ppt本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)補(bǔ)料分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)精選ppt什么是分批發(fā)酵？ 分批發(fā)酵：準(zhǔn)封閉培養(yǎng)，指一次性投料、接分批發(fā)酵：準(zhǔn)封閉培養(yǎng)，指一次性投料、接種直到發(fā)酵結(jié)束，屬典型的種直到發(fā)酵結(jié)束，屬典型的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。 分批發(fā)酵過(guò)程中，微生物生長(zhǎng)通常要經(jīng)歷延分批發(fā)酵過(guò)程中，微生物生長(zhǎng)通常要經(jīng)歷延滯期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、衰減期、穩(wěn)定期（靜止滯期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、衰減期、穩(wěn)定期（靜止期）和衰亡期五個(gè)時(shí)期。期）和衰亡期

9、五個(gè)時(shí)期。精選ppt典型的分批發(fā)酵工藝流程圖分批發(fā)酵過(guò)程精選ppt t1 t2 t3 t4 t5 分批發(fā)酵時(shí)典型的微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線 菌體濃度X時(shí)間 t分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)精選ppt 微生物細(xì)胞倍增時(shí)間與群體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)微生物細(xì)胞倍增時(shí)間與群體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 細(xì)菌：典型倍增時(shí)間細(xì)菌：典型倍增時(shí)間1hr1hr 酵母：典型倍增時(shí)間酵母：典型倍增時(shí)間2hr2hr 放線菌和絲狀真菌：典型倍增時(shí)間放線菌和絲狀真菌：典型倍增時(shí)間4 48hr8hr 微生物細(xì)胞群體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)是反映微生物細(xì)胞群體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)是反映整個(gè)群體整個(gè)群體的生長(zhǎng)的生長(zhǎng)特征，而不是單個(gè)微生物生長(zhǎng)倍增的特征。特征，而不是單個(gè)微生物生長(zhǎng)倍

10、增的特征。 因此，因此，菌齡是指一個(gè)群體的表觀狀態(tài)菌齡是指一個(gè)群體的表觀狀態(tài)。關(guān)于關(guān)于菌齡菌齡的描述的描述精選ppt 分批發(fā)酵動(dòng)分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)力學(xué) 細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué) 產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)精選ppt 微生物生長(zhǎng)特性通常以單位細(xì)胞濃度或細(xì)胞數(shù)量在單位時(shí)間內(nèi)的增加量來(lái)表示（、n）：dtdXX1dtdNNn1或tteXX0ttneNN0或X細(xì)胞濃度（g/L）；N細(xì)胞個(gè)數(shù)； t生長(zhǎng)時(shí)間；X0、Xt初始微生物濃度和t時(shí)細(xì)胞濃度；N0、Nt初始細(xì)胞個(gè)數(shù)和t時(shí)細(xì)胞個(gè)數(shù)； 以細(xì)胞濃度表示的比生長(zhǎng)速率； 以細(xì)胞數(shù)量表示的比生長(zhǎng)速率。 n分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力

11、學(xué)精選pptllag: x不變不變, , 即即lexp:(假定無(wú)抑制作用存在假定無(wú)抑制作用存在)0, 0dtdx00lnln1xxtxxdtdxxmmmtme分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)精選pptlDeclineDecline（開(kāi)始出現(xiàn)一種底物不足的限制）（開(kāi)始出現(xiàn)一種底物不足的限制）: : (1) (1)若不存在抑制物時(shí)若不存在抑制物時(shí) Monod Monod 模型模型: : sKssm分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)S限制性基質(zhì)濃度限制性基質(zhì)濃度，mol/m3Ks底物親和常數(shù)底物親和常數(shù)(也稱(chēng)半飽和速度常數(shù)），表示微也稱(chēng)半飽和速度常數(shù)），表示微生物對(duì)底物的親和力生物對(duì)底物的親和力 , mo

12、l/m3 ； Ks越大，親和力越大，親和力越小，越小， 越小。越小。 當(dāng)當(dāng)S較高時(shí)，較高時(shí)，(對(duì)數(shù)期滿足對(duì)數(shù)期滿足S10Ks)，此時(shí)，此時(shí)，= m 當(dāng)當(dāng)S較低時(shí)較低時(shí)，(減速期減速期， S10Ks)，此時(shí)此時(shí)S， 減速期，減速期， 精選ppt分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)sKssmtsKsxxsm0lnlntexx0精選ppt比生長(zhǎng)素率限制性底物殘留濃度St 殘留的限制性底物濃度對(duì)微生物 比生長(zhǎng)率的影響 表征與培養(yǎng)基中殘留的生長(zhǎng)限制性底物St的關(guān)系 tSKtSmsMonod方程： Ks底物親和常數(shù)，等于處于1/2m時(shí)的底物濃度，表征微生物對(duì)底物的親和力，兩者成反比。酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)米氏方程：酶促

13、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)米氏方程：sKssm sKsVvmmmmSKs 111受單一底物酶促反應(yīng)限制的微生物受單一底物酶促反應(yīng)限制的微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程Monod方程：方程：精選ppt MonodMonod方程應(yīng)用方程應(yīng)用： 測(cè)定微生物對(duì)不同底物的親和力大?。y(cè)定微生物對(duì)不同底物的親和力大?。↘ Ks s值）值） 實(shí)驗(yàn)確定適于微生物生長(zhǎng)的最佳底物（實(shí)驗(yàn)確定適于微生物生長(zhǎng)的最佳底物（ ？）？） 比較不同底物發(fā)酵最終殘留的大?。ū容^不同底物發(fā)酵最終殘留的大小（ ？）？） 比較不同微生物對(duì)同一底物的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，確定連續(xù)培比較不同微生物對(duì)同一底物的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，確定連續(xù)培養(yǎng)的稀釋率養(yǎng)的稀釋率精選pptlSt

14、ationary（不生長(zhǎng)或生長(zhǎng)率與死亡率相等）: ldying: atxxm lnlnatmexxmax01xxdtdxx，（濃度最大）（濃度最大）分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)a(比死亡速率比死亡速率 ，s-1)精選ppt分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)l 假定整個(gè)生長(zhǎng)階段無(wú)抑制物作用存在，則微生物生長(zhǎng)動(dòng)假定整個(gè)生長(zhǎng)階段無(wú)抑制物作用存在，則微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)可用力學(xué)可用階段函數(shù)階段函數(shù)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)sKssm精選ppt其它

15、模型其它模型1 1l在無(wú)抑制作用情況下（但有底物限制存在） SmKSexp1nSnmSKSSxKSSm分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)式中式中n為常數(shù)為常數(shù) x為細(xì)胞濃度為細(xì)胞濃度精選pptl培養(yǎng)液中有抑制物的情形培養(yǎng)液中有抑制物的情形 高濃度基質(zhì)抑制存在的情況下高濃度基質(zhì)抑制存在的情況下 式中，式中，K Kisis為抑制常數(shù)，抑制作用越強(qiáng)，為抑制常數(shù)，抑制作用越強(qiáng)，K Kisis越小越小 isSmKSSK/1分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)其它模型其它模型2精選ppt 高濃度產(chǎn)物抑制的情況下高濃度產(chǎn)物抑制的情況下 )1 (kPSKSSm)exp( kPSKSSm)(21kPkSKSSm線性線性

16、指數(shù)指數(shù) 產(chǎn)物積累一定量才有產(chǎn)物積累一定量才有抑制作用抑制作用分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)其它模型其它模型2其中：k，k1，k2為常數(shù)CBAXS0初 始 底 物 濃 度菌 體 濃 度分批發(fā)酵中初始底物濃度對(duì)穩(wěn)定期分批發(fā)酵中初始底物濃度對(duì)穩(wěn)定期菌體濃度的影響菌體濃度的影響 AB區(qū)：菌體濃度與初始底物濃度成正比，有： )(0/tSXSSYXX X為菌體濃度，為菌體濃度， 為針對(duì)底物為針對(duì)底物的細(xì)胞得率，初始的細(xì)胞得率，初始X X0 0為零；為零；S S0 0為底物初始濃度；為底物初始濃度；S St t為底物殘留濃度。為底物殘留濃度。 SXY/ BC區(qū)：隨S0增加，菌體濃度達(dá)最高水平，再增加S0

17、，菌體不再增加。 C區(qū)：菌體活性受初始高濃度底物及高滲作用抑制，菌體濃度與初始底物濃度成反比。 X/SY高濃度底物高濃度底物抑制的情形抑制的情形精選pptl 當(dāng)培養(yǎng)基中存在多種限制性營(yíng)養(yǎng)物時(shí)， Monod方程應(yīng)改為？122221111max1innnnKiSKSKSKSKSKSK分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)精選pptl 得率系數(shù)得率系數(shù) 指消耗單位營(yíng)養(yǎng)物所生成的細(xì)胞或產(chǎn)物數(shù)量。其大小取指消耗單位營(yíng)養(yǎng)物所生成的細(xì)胞或產(chǎn)物數(shù)量。其大小取決于生物學(xué)參數(shù)決于生物學(xué)參數(shù)（,x ）和化學(xué)參數(shù)和化學(xué)參數(shù)（DO,C/N,磷含量等磷含量等） （1）生長(zhǎng)得率系數(shù)生長(zhǎng)得率系數(shù) Y Yx/s/s、Y Yx/ox/o、Yx/kcal

18、：消耗每克營(yíng)養(yǎng)物、每克分子氧以及消耗每克營(yíng)養(yǎng)物、每克分子氧以及每千卡能量所生成的細(xì)胞克數(shù)每千卡能量所生成的細(xì)胞克數(shù)； Y Yx/cx/c、 Y Yx/x/N N、 Yx/p、Yx/Ave- ：消耗每克消耗每克C、每克每克N、每克每克P和和每個(gè)有效電子所生成的細(xì)胞克數(shù)每個(gè)有效電子所生成的細(xì)胞克數(shù)； Y Yx/ATPx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的細(xì)胞克數(shù)。消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的細(xì)胞克數(shù)。 分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-基質(zhì)基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)精選ppt 消耗每克營(yíng)養(yǎng)物消耗每克營(yíng)養(yǎng)物（s）或每克分或每克分子氧子氧(O2)生成的產(chǎn)物生成的產(chǎn)物(P)、ATP或或CO2的克數(shù)。的克數(shù)。sCOsATPOPY

19、YY/p/s22,Y分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)l 產(chǎn)物得率系數(shù)：產(chǎn)物得率系數(shù)： ：精選ppt 定義：表觀得率定義：表觀得率 專(zhuān)一性得率專(zhuān)一性得率 *專(zhuān)一性用于生長(zhǎng)的底物量專(zhuān)一性用于生長(zhǎng)的底物量S不含用于維持能耗不含用于維持能耗及產(chǎn)物形成部分的用量。及產(chǎn)物形成部分的用量。sxYSX/spYSP/ sxYG sPYP分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)精選ppt 基質(zhì)消耗速率與生長(zhǎng)、合成關(guān)系如下：基質(zhì)消耗速率與生長(zhǎng)、合成關(guān)系如下： 表觀：表觀： 專(zhuān)一性：專(zhuān)一性： SXSXSXYxdtdxYdtdsdtdsYdtdx/1dtdpYdtdsdtdsYdtdpSPSP/1dtdpYmxYxdtdsPG1分

20、批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)精選ppt為了扣除細(xì)胞量的影響為了扣除細(xì)胞量的影響，定義：基質(zhì)比消耗速率定義：基質(zhì)比消耗速率 產(chǎn)物比生成速率產(chǎn)物比生成速率 dtdsxqS1dtdPxqP1SqPPGYqmYSqSXY/分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)dtdpYmxYxdtdsPG1SXSXYxdtdxYdtds/1SPpsYqq/dtdpYdtdsSP/1精選pptSXY/PPGYqmYSPPYq/=若生長(zhǎng)階段產(chǎn)物生成可以忽略，即若生長(zhǎng)階段產(chǎn)物生成可以忽略，即 0PPYqmYYGSX11/分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)精選ppt1/Yx/s1/ 1/YGml 圖解法求微生物的本征參數(shù)圖解法求微生物的

21、本征參數(shù)YG和和m分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)GSXYmY11/精選ppt0GYPPSPqmYY11/ 若生產(chǎn)階段微生物生長(zhǎng)可以忽略，若生產(chǎn)階段微生物生長(zhǎng)可以忽略，分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)SXY/PPGYqmYSPPYq/=精選pptl 圖解法求微生物的本征參數(shù)圖解法求微生物的本征參數(shù)Yp和和mPPSPYqmY11/1/Yp/s1/qpm1/YP精選ppt 根據(jù)發(fā)酵時(shí)間過(guò)程分析，微生根據(jù)發(fā)酵時(shí)間過(guò)程分析，微生物生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成存在以下三種關(guān)系：物生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成存在以下三種關(guān)系：l與生長(zhǎng)相關(guān)與生長(zhǎng)相關(guān)生長(zhǎng)偶聯(lián)型生長(zhǎng)偶聯(lián)型l與生長(zhǎng)部分相關(guān)與生長(zhǎng)部分相關(guān)生長(zhǎng)部分偶聯(lián)型生長(zhǎng)部分偶聯(lián)型l與生長(zhǎng)不相

22、關(guān)與生長(zhǎng)不相關(guān)無(wú)關(guān)聯(lián)無(wú)關(guān)聯(lián)分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)精選ppt相關(guān)型部分相關(guān)型非相關(guān)型產(chǎn)物合成相關(guān)、部分相關(guān)、非相關(guān)模型動(dòng)力學(xué)示意圖 精選ppt與生長(zhǎng)相關(guān)與生長(zhǎng)相關(guān)生長(zhǎng)偶聯(lián)型：生長(zhǎng)偶聯(lián)型：乙醇發(fā)酵乙醇發(fā)酵XPPxXPYqdtdxYdtdP/1/ 產(chǎn)物的生成是微生物細(xì)胞主要能量代謝的直產(chǎn)物的生成是微生物細(xì)胞主要能量代謝的直接結(jié)果，菌體生長(zhǎng)速率的變化與產(chǎn)物生成速率的接結(jié)果，菌體生長(zhǎng)速率的變化與產(chǎn)物生成速率的變化相平行。變化相平行。分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)精選ppt與生長(zhǎng)部分相關(guān)與生長(zhǎng)部分相關(guān)生長(zhǎng)部分偶聯(lián)型：生長(zhǎng)部分偶聯(lián)型：檸檬酸、氨基酸發(fā)酵檸檬酸、氨基酸發(fā)酵PqxdtdxdtdP 產(chǎn)物間

23、接由能量代謝生成，不是底物的產(chǎn)物間接由能量代謝生成，不是底物的直接氧化產(chǎn)物，而是菌體內(nèi)生物氧化過(guò)程的直接氧化產(chǎn)物，而是菌體內(nèi)生物氧化過(guò)程的主流產(chǎn)物（與初生代謝緊密關(guān)聯(lián)）。主流產(chǎn)物（與初生代謝緊密關(guān)聯(lián)）。 分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)精選ppt與生長(zhǎng)不相關(guān)與生長(zhǎng)不相關(guān)無(wú)關(guān)聯(lián)：無(wú)關(guān)聯(lián)：抗生素發(fā)酵抗生素發(fā)酵pqxdtdP若考慮到產(chǎn)物可能存在分解時(shí)，則若考慮到產(chǎn)物可能存在分解時(shí)，則PkxqPkxdtdPdpd 產(chǎn)物生成與能量代謝不直接相關(guān)，通過(guò)細(xì)胞產(chǎn)物生成與能量代謝不直接相關(guān)，通過(guò)細(xì)胞進(jìn)行的獨(dú)特的生物合成反應(yīng)而生成。進(jìn)行的獨(dú)特的生物合成反應(yīng)而生成。 分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)精選ppt分批發(fā)酵動(dòng)

24、力學(xué)殺假絲菌素分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)分析 殺假絲菌素分批發(fā)酵中的葡萄糖消耗、DNA含量和殺假絲菌素合成的變化 。l 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例精選ppt分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)v優(yōu)點(diǎn)： 操作簡(jiǎn)單、投資少 運(yùn)行周期短 染菌機(jī)會(huì)減少 生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品質(zhì)量較易控制v缺點(diǎn)： 不利于測(cè)定過(guò)程動(dòng)力學(xué)，存在底物限制或抑制問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)底物分解阻遏效應(yīng)?及二次生長(zhǎng)?現(xiàn)象。 對(duì)底物類(lèi)型及初始高濃度敏感的次級(jí)代謝物如一些抗生素等就不適合用分批發(fā)酵（生長(zhǎng)與合成條件差別大） 養(yǎng)分會(huì)耗竭快，無(wú)法維持微生物繼續(xù)生長(zhǎng)和生產(chǎn) 非生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)率較低 精選ppt連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)精選ppt什么是連續(xù)發(fā)酵？l 連續(xù)發(fā)酵概念：連續(xù)發(fā)酵概念： 在發(fā)酵

25、過(guò)程中，連續(xù)向發(fā)酵罐流加培養(yǎng)基，在發(fā)酵過(guò)程中，連續(xù)向發(fā)酵罐流加培養(yǎng)基，同時(shí)以相同流量從發(fā)酵罐中取出培養(yǎng)液。同時(shí)以相同流量從發(fā)酵罐中取出培養(yǎng)液。 連續(xù)發(fā)酵特點(diǎn)：連續(xù)發(fā)酵特點(diǎn)： 添加培養(yǎng)基的同時(shí)，放出等體積發(fā)酵液，添加培養(yǎng)基的同時(shí)，放出等體積發(fā)酵液，形成連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，獲得形成連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，獲得相對(duì)穩(wěn)定相對(duì)穩(wěn)定的連續(xù)發(fā)酵狀的連續(xù)發(fā)酵狀態(tài)態(tài)。 連續(xù)發(fā)酵類(lèi)型連續(xù)發(fā)酵類(lèi)型： 單級(jí)單級(jí)連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵 多級(jí)連續(xù)發(fā)酵多級(jí)連續(xù)發(fā)酵精選ppt（一）連續(xù)發(fā)酵類(lèi)型及裝置（一）連續(xù)發(fā)酵類(lèi)型及裝置（二）連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型（二）連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型1.1.單級(jí)單級(jí)恒化器恒化器連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵2.2.多級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵多級(jí)恒化

26、器連續(xù)發(fā)酵3.3.進(jìn)行進(jìn)行細(xì)胞回流細(xì)胞回流的單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵的單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵（三）連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)理論的應(yīng)用（三）連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)理論的應(yīng)用 主要內(nèi)容精選pptl 連續(xù)發(fā)酵類(lèi)型及裝置連續(xù)發(fā)酵類(lèi)型及裝置 罐式連續(xù)發(fā)酵罐式連續(xù)發(fā)酵 單級(jí)單級(jí) 多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián) 細(xì)胞回流式細(xì)胞回流式 塞流式連續(xù)發(fā)酵塞流式連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置精選ppt單級(jí)連續(xù)發(fā)酵示意圖單級(jí)連續(xù)發(fā)酵示意圖連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置-單級(jí)精選pptl 兩兩個(gè)個(gè)及以上的及以上的發(fā)酵罐串聯(lián)起來(lái)，前一級(jí)發(fā)酵罐的出發(fā)酵罐串聯(lián)起來(lái)，前一級(jí)發(fā)酵罐的出 料作為下一級(jí)發(fā)酵罐的進(jìn)料料作為下一級(jí)發(fā)酵罐的進(jìn)料。 連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置-多級(jí)串聯(lián)兩

27、級(jí)連續(xù)發(fā)酵示意圖兩級(jí)連續(xù)發(fā)酵示意圖精選pptl罐式連續(xù)發(fā)酵罐式連續(xù)發(fā)酵實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方法恒濁法：恒濁法：通過(guò)調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物的流加速度，利用濁度計(jì)檢通過(guò)調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物的流加速度，利用濁度計(jì)檢測(cè)細(xì)胞濃度，使之測(cè)細(xì)胞濃度，使之恒定恒定。恒化法：恒化法：保持某一限制性基質(zhì)在一保持某一限制性基質(zhì)在一恒定恒定濃度水平，使?jié)舛人?，使菌的比生長(zhǎng)速率菌的比生長(zhǎng)速率保持一定。保持一定。培養(yǎng)基輸入培養(yǎng)基進(jìn)入下一級(jí)發(fā)酵罐培養(yǎng)基進(jìn)入后處理或到下一級(jí)發(fā)酵罐 多級(jí)罐式連續(xù)發(fā)酵裝置示意圖 連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置-多級(jí)串聯(lián)精選ppt a: 再循環(huán)比率（回流比）再循環(huán)比率（回流比） c: 濃縮因子濃縮因子 細(xì)胞回流細(xì)胞回流的單級(jí)連續(xù)發(fā)

28、酵示意圖的單級(jí)連續(xù)發(fā)酵示意圖連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置-細(xì)胞回流式eSFXF)1 (eXFcXF,精選ppt發(fā)酵罐培養(yǎng)物流出無(wú)菌培養(yǎng)基流入供給連續(xù)接種再循環(huán)d連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-發(fā)酵裝置-塞流式精選ppt 定義定義： 稀釋率稀釋率 D=F/V (h-1) F流量流量（m3/h） V培養(yǎng)液體積培養(yǎng)液體積（m3） 理論停留時(shí)間理論停留時(shí)間 DTL1連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選pptl 細(xì)胞的物料衡算細(xì)胞的物料衡算（和和D的關(guān)系的關(guān)系）對(duì)于對(duì)于單級(jí)單級(jí)恒化器恒化器：X0 =0 且通常有：且通常有： xxDxDxxdtdxxVFxVFdtdxG00 xDdtdx連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化

29、器連續(xù)發(fā)酵積累的細(xì)胞（凈增量）積累的細(xì)胞（凈增量）= = 流入的細(xì)胞流入的細(xì)胞- -流出的細(xì)胞流出的細(xì)胞+ +生長(zhǎng)的細(xì)生長(zhǎng)的細(xì) 胞胞- -死亡的細(xì)胞死亡的細(xì)胞精選ppt0dtdxxdtdx, 0 xdtdx, 0連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵xDdtdxA A. .穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)， 此時(shí)此時(shí) =D（單級(jí)連續(xù)發(fā)酵重要特征單級(jí)連續(xù)發(fā)酵重要特征）B.B.不穩(wěn)定時(shí)，不穩(wěn)定時(shí)，當(dāng)當(dāng)D，精選ppt積累的營(yíng)養(yǎng)組分積累的營(yíng)養(yǎng)組分= =流入量流入量- -流出量流出量- -生長(zhǎng)消耗量生長(zhǎng)消耗量- - 維持生命需要量維持生命需要量- -形成產(chǎn)物消耗量形成產(chǎn)物消耗量穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)， =0=0,一般條件下

30、一般條件下, ,mx DC ，則會(huì)出現(xiàn)：則會(huì)出現(xiàn)：DDC 由由 可知可知 負(fù)增長(zhǎng)負(fù)增長(zhǎng)，x，進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)，進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)，菌體最終被洗出菌體最終被洗出，即即x=0 時(shí)時(shí)，達(dá)到達(dá)到“清洗點(diǎn)清洗點(diǎn)”，此時(shí)，此時(shí)， xDdtdx0dtdx00SKSDSmC連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選pptl 細(xì)胞濃度與稀釋率的關(guān)聯(lián)（細(xì)胞濃度與稀釋率的關(guān)聯(lián)（X X與與D D的關(guān)系）的關(guān)系） 應(yīng)用應(yīng)用Monod方程，此時(shí)，方程，此時(shí)， SKSDSm連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選pptl 生長(zhǎng)模型生長(zhǎng)模型 由兩個(gè)穩(wěn)態(tài)方程可以推出由兩個(gè)穩(wěn)態(tài)方程可以推出D D與與X X關(guān)聯(lián)的生長(zhǎng)模型關(guān)聯(lián)的生長(zhǎng)模型 當(dāng)

31、當(dāng)DKs （S010Ks）,底物供給濃度很大，為非限制性底物供給濃度很大，為非限制性則則 此時(shí)，最大臨界稀釋率此時(shí)，最大臨界稀釋率 當(dāng)當(dāng) DDc= 時(shí)時(shí)，0/maxSYDxmSXmSmcSKSD00m0dtdx連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵20000/SKSSKSYDxSSmSXm精選pptl 產(chǎn)物的物料衡算產(chǎn)物的物料衡算 產(chǎn)物變化率產(chǎn)物變化率= =細(xì)胞合成產(chǎn)物速率細(xì)胞合成產(chǎn)物速率+ +流入流入- -流出流出- -分解項(xiàng)分解項(xiàng) 當(dāng)連續(xù)發(fā)酵處于穩(wěn)態(tài)當(dāng)連續(xù)發(fā)酵處于穩(wěn)態(tài)， ， 且加料中不含產(chǎn)物，即且加料中不含產(chǎn)物，即 ，P分解速率可忽略分解速率可忽略。 得得PkPPDxqPkDPDPdtd

32、PdtdPDPD)(00細(xì)胞合成0)(總變化dtdP00PxqDPP連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選ppt x, s, Dx與與D關(guān)系總結(jié)：關(guān)系總結(jié)：DSSYxSX0/DDKSmSDDKSDYDxmSSX0/連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵xqDPP精選pptl 實(shí)實(shí) 例例 幾個(gè)假設(shè)幾個(gè)假設(shè)： 只受單一底物限制只受單一底物限制 Yx/s對(duì)一定的對(duì)一定的來(lái)講，為常數(shù)來(lái)講，為常數(shù) DDC若已知若已知：考察：稀釋率（考察：稀釋率（D D）對(duì)細(xì)胞濃度）對(duì)細(xì)胞濃度(X)(X)、細(xì)胞生產(chǎn)率、細(xì)胞生產(chǎn)率(DX)(DX)和和底物濃度底物濃度(S)(S)的影響？的影響？ 底物胞kgkgYhl

33、gSSXm/5.0,1,/10干 細(xì)/10lgKS/2.0連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵D)-0.2D/(1)/(SD)-0.1D/(1-D5DXD)-0.1D/(1-5D)-0.2D/(1-0.510)/(0/DDKDDKSYXmSmSSX精選ppt 稀釋率（稀釋率（D）對(duì)底物濃度對(duì)底物濃度(S)、細(xì)胞濃度細(xì)胞濃度(x)和和細(xì)胞生產(chǎn)率細(xì)胞生產(chǎn)率(DX)的影響。的影響。連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵01SKKDSSm精選pptl多級(jí)恒化器的第一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型多級(jí)恒化器的第一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型 假設(shè)兩級(jí)發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)體積相同，假設(shè)兩級(jí)發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)體積相同，即即V1=V2；且第二級(jí)不加入

34、新鮮培養(yǎng)基，；且第二級(jí)不加入新鮮培養(yǎng)基，則對(duì)于第一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（方程）與單則對(duì)于第一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（方程）與單級(jí)相同。級(jí)相同。連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-多級(jí)多級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選pptl 穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)D1)(10/1SSYxSXDDKSmS1)(0/1DDKSDYDxmSSX11xqDPP連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-多級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選pptl多級(jí)恒化器的第二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型多級(jí)恒化器的第二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型11111SKSkSSmsm22221SKSkSSmsm S1S0 ， S2S1 從第二級(jí)開(kāi)始，比生長(zhǎng)速率從第二級(jí)開(kāi)始，比生長(zhǎng)速率 不再等于稀釋率不再等于稀釋率D.D12n連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-多級(jí)恒化器連續(xù)

35、發(fā)酵精選pptl 第二級(jí)細(xì)胞物料衡算第二級(jí)細(xì)胞物料衡算 第二級(jí)穩(wěn)態(tài)時(shí)第二級(jí)穩(wěn)態(tài)時(shí)， 同理同理, ,由穩(wěn)態(tài)方程可得，由穩(wěn)態(tài)方程可得， 222212xxDxDxdtdx21221, 0 xxDdtdx)1 (1nnnxxD連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-多級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選pptl 第二級(jí)基質(zhì)物料衡算第二級(jí)基質(zhì)物料衡算 穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)， SPPSXYxqmxYxDSDSdtdS/22/22212212/212/22)(0SSDYSSDYxdtdSSXSX連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-多級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選ppt2121xxD21/12SSYxxSX21/10/21/12SSYSSYSSYxxSXSXSX20/2SS

36、YxSX連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-多級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵l 第二級(jí)基質(zhì)物料衡算第二級(jí)基質(zhì)物料衡算 212/2SSDYxSX精選pptl S S2 2的求解的求解 解此方程可得第二級(jí)發(fā)酵罐中穩(wěn)態(tài)限制性基解此方程可得第二級(jí)發(fā)酵罐中穩(wěn)態(tài)限制性基質(zhì)濃度質(zhì)濃度S2,再由式再由式(2)可確定可確定x2,再求出再求出Dx1,Dx2.02222022DDKSDKDDKSSDmSSmSmm（1）（3）2121xxD（1）20/2SSYxSX)(10/1SSYxSX（2）DDKSmS12s2m2SkS（3）連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-多級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選pptl 細(xì)胞形成產(chǎn)物的速率：細(xì)胞形成產(chǎn)物的速率：DPDP2 2 穩(wěn)態(tài)時(shí)

37、穩(wěn)態(tài)時(shí) 22122212xqDPDPkPdtdPDPDPdtdPP細(xì)胞合成02dtdP21212xqxqxqDPDPPPP連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-多級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選pptl 第二級(jí)發(fā)酵罐產(chǎn)物濃度第二級(jí)發(fā)酵罐產(chǎn)物濃度 同理類(lèi)推同理類(lèi)推 DxqPPP212DxqPPnPnn1連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-多級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選pptl 例題 已知某一微生物反應(yīng)，其細(xì)胞生長(zhǎng)符合Monod動(dòng)力學(xué)模型， 其 ，試問(wèn)： (1)在單一CSTR（連續(xù)攪拌式反應(yīng)器）進(jìn)行反應(yīng)，穩(wěn)態(tài)下操作且無(wú)細(xì)胞死亡，欲達(dá)到最大的細(xì)胞生產(chǎn)率，其最佳稀釋率是多少? (2)采用同樣大小N個(gè)CSTR相串聯(lián)，其D值相同，若要求最終反應(yīng)基質(zhì)濃度降

38、至1g/L以下，試求N至少應(yīng)為多少級(jí)?1,/50,/2,5.001maxSXSYLgSLgK精選ppt 解：代入下式：、將出口濃度分別為）對(duì)第一個(gè)反應(yīng)器，其（根據(jù)1110SX1maxmaxmaxS110SSmaxmaxXSL/g8 .41)2 . 850(1)SS(YX,L/g2 . 8402. 05 . 0402. 02DDKS2h402. 0502215 . 0SKK1D) 1 (21222SX12DXDX ,XY1D1SS精選pptL/g7 .49X h065. 0 CSTR 2NL/g3 . 0S 01 .67S7 .228S S2S5 . 0SKS 402. 08 .41402. 0

39、48. 22 . 8 DXDY1D1SS 2122222222S2max222212SX12并求得串聯(lián)能滿足本題需求。即兩個(gè)等體積，故采用故有：又因?yàn)橐虼司xppt32323323 332311 由上面兩式得： 11 時(shí)，有3若DXDYDSSDXDXXYDSSNSXSX看一下N=3時(shí)的情況：精選pptg/L9 .49X h0238. 0 Lg/1 . 0S 046. 2S26.261S S2S5 . 0402. 07 .49402. 0S2S5 . 048. 23 . 0S SKS 3133323333333S3max3解得：整理得：又有精選ppt 二級(jí)連續(xù)發(fā)二級(jí)連續(xù)發(fā)酵中不同稀釋率酵中不同稀

40、釋率下的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞濃下的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞濃度、限制性基質(zhì)度、限制性基質(zhì)濃度和細(xì)胞生產(chǎn)濃度和細(xì)胞生產(chǎn)率的變化。率的變化。連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-多級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選pptl 進(jìn)行細(xì)胞回流的單級(jí)連續(xù)發(fā)酵進(jìn)行細(xì)胞回流的單級(jí)連續(xù)發(fā)酵 概念：進(jìn)行單級(jí)連續(xù)發(fā)酵時(shí)，把發(fā)酵罐流出的發(fā)酵概念：進(jìn)行單級(jí)連續(xù)發(fā)酵時(shí)，把發(fā)酵罐流出的發(fā)酵液進(jìn)行分離，經(jīng)濃縮的細(xì)胞懸浮液送回發(fā)酵罐中。液進(jìn)行分離，經(jīng)濃縮的細(xì)胞懸浮液送回發(fā)酵罐中。 a: a: 再循環(huán)比（回流比）（再循環(huán)比（回流比）（a1a1c1）連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵 優(yōu)點(diǎn)：提高了發(fā)酵罐中優(yōu)點(diǎn)：提高了發(fā)酵罐中的細(xì)胞濃度和底物的轉(zhuǎn)的細(xì)胞濃度和底物的轉(zhuǎn)化率，也有

41、利于提高系化率，也有利于提高系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性。統(tǒng)的操作穩(wěn)定性。精選pptl 細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程程 細(xì)胞的物料衡算細(xì)胞的物料衡算( (與與D D的關(guān)系的關(guān)系) ) 積累的細(xì)胞積累的細(xì)胞= =進(jìn)入培養(yǎng)液中的細(xì)胞進(jìn)入培養(yǎng)液中的細(xì)胞+ +再循環(huán)流入的細(xì)胞再循環(huán)流入的細(xì)胞 - -流出的細(xì)胞流出的細(xì)胞+ +生長(zhǎng)的細(xì)胞生長(zhǎng)的細(xì)胞- -死亡的細(xì)胞死亡的細(xì)胞111101xxxVFa1CxVaFxVFdtdx連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選ppt假定假定: : 細(xì)胞死亡很少（細(xì)胞死亡很少（ =0） 培養(yǎng)基無(wú)菌加入（培養(yǎng)基無(wú)菌加入（x0=0） D=F/V由穩(wěn)態(tài)條件由穩(wěn)態(tài)條件 得得

42、 01dtdx0 xDxa1aDCx111aCa1D連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵D111101xxxVFa1CxVaFxVFdtdx精選ppt 限制性基質(zhì)的物料衡算（限制性基質(zhì)的物料衡算（x x1 1與與D D的關(guān)系）的關(guān)系）積累的基質(zhì)積累的基質(zhì) = = 進(jìn)入基質(zhì)進(jìn)入基質(zhì)+ +循環(huán)流入基質(zhì)循環(huán)流入基質(zhì)- -流出基質(zhì)流出基質(zhì)- -消耗的基質(zhì)消耗的基質(zhì) S/X10YxSVFa1SVaFSVFdtdS連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵精選pptl x x1 1與與D D的關(guān)系的關(guān)系代入代入有：有：0dtdSS/X10YxDSa1aDSDSSSYDxSX0/1SSYa

43、Ca11x0S/X1連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵D=F/VaCa1D穩(wěn)態(tài)時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，XSSYSX0/S/X10YxSVFa1SVaFSVFdtdS精選pptaCa1DaCa1DKSaCa1YxmS0S/X1連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵 x1比單級(jí)無(wú)再循環(huán)的比單級(jí)無(wú)再循環(huán)的x要大大aCa1DaCa1DKKSSkSmSmSsm又又代入代入x1式式, 得得1aCa11精選pptl 最終流出的細(xì)胞量最終流出的細(xì)胞量x xe e與與 D D關(guān)關(guān)系系 假定分離器無(wú)細(xì)胞生長(zhǎng)和基質(zhì)消耗，則有細(xì)胞物料衡算式： 流入分離器細(xì)胞流入分離器細(xì)胞= =流出分離器細(xì)胞流出分離器細(xì)胞

44、+ + 再循環(huán)細(xì)胞再循環(huán)細(xì)胞1e1CxaFFxFxa1111xxaCaxeaCa1DaCa1DKSYmS0S/X連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵SSYaCa11x0S/X1精選pptl 舉例舉例 : :單級(jí)細(xì)胞再循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用單級(jí)細(xì)胞再循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用D25D10aCa1DaCa1D.KSaCa1YxmS0S/X1連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵5 . 0a, 2C, l /g10S, l /g2 . 0K, l /g5 . 0Y,h10SS/X1m設(shè)系統(tǒng)的設(shè)系統(tǒng)的對(duì)于回流系統(tǒng)有：對(duì)于回流系統(tǒng)有：精選pptDDDDxe21052D25DaCa1DaCa1D

45、KSmS連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵DDDDx251021aCa1DaCa1D.KSYmS0S/XD210D5ex精選ppt 對(duì)于無(wú)回流系統(tǒng)有對(duì)于無(wú)回流系統(tǒng)有：連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵DDSSYxSX11050/DDDDx11052DDDDKSmS15eXD210D5精選ppt連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論-細(xì)胞回流單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵 細(xì)胞回流與不回流的單級(jí)連續(xù)發(fā)酵比較細(xì)胞回流與不回流的單級(jí)連續(xù)發(fā)酵比較A-細(xì)胞回流時(shí)的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞回流時(shí)的穩(wěn)態(tài)X；B-細(xì)胞回流時(shí)的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞回流時(shí)的穩(wěn)態(tài)DX；C-細(xì)胞回流時(shí)的細(xì)胞回流時(shí)的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)Xe；D-細(xì)胞不回流時(shí)的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞不回流時(shí)的

46、穩(wěn)態(tài)X；E-細(xì)胞不回流時(shí)的穩(wěn)態(tài)細(xì)胞不回流時(shí)的穩(wěn)態(tài)DX精選pptl 應(yīng)用應(yīng)用 有助于了解和研究細(xì)胞生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗有助于了解和研究細(xì)胞生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，從而優(yōu)化發(fā)和產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，從而優(yōu)化發(fā)酵工藝。酵工藝。 便于研究細(xì)胞在不同比生長(zhǎng)速率下的特便于研究細(xì)胞在不同比生長(zhǎng)速率下的特征。征。連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論精選ppt 利用細(xì)胞再循環(huán)連續(xù)發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行廢利用細(xì)胞再循環(huán)連續(xù)發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行廢水的生化處理、發(fā)酵與產(chǎn)物分離耦合，水的生化處理、發(fā)酵與產(chǎn)物分離耦合，解除負(fù)反饋抑制，提高產(chǎn)量。解除負(fù)反饋抑制，提高產(chǎn)量。 利用連續(xù)培養(yǎng)的選擇性進(jìn)行富集培養(yǎng)利用連續(xù)培養(yǎng)的選擇性進(jìn)行富集培養(yǎng)菌種選擇及防

47、污染處理。菌種選擇及防污染處理。l 應(yīng)用應(yīng)用 連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論精選ppt連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論v在底物濃度為S情況下雜菌Y的生長(zhǎng)速率y比系統(tǒng)的稀釋速率D要小v Y的積累速率 ：DYyYdtdY 結(jié)果是負(fù)值，表明雜菌不能在系統(tǒng)中存留 精選ppt連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論v底物濃度為S的情況下雜菌Z能以比D大的比生長(zhǎng)速率下生長(zhǎng) DZZdtdZZ 比D大的多，故 dZ/dt是正的，雜菌Z積累，系統(tǒng)中底物濃度下降到S，此時(shí) D，建立新的穩(wěn)態(tài)。此時(shí)生產(chǎn)菌X的比生長(zhǎng)速率 比原有的小。 D，故將生產(chǎn)菌從系統(tǒng)中淘汰 ZZXX精選ppt連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論v雜菌W 入侵的成敗取決于系統(tǒng)的稀釋速率。v由圖可見(jiàn)，在稀釋

48、速率為0.25Dc（臨界稀釋速率）下，W競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)X而被沖走 . 連續(xù)培養(yǎng)中雜菌能否積累取決于它在培養(yǎng)系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力 精選pptl 應(yīng)用應(yīng)用 遺傳穩(wěn)定性研究遺傳穩(wěn)定性研究 連續(xù)發(fā)酵提高生產(chǎn)率連續(xù)發(fā)酵提高生產(chǎn)率連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論精選ppt分批發(fā)酵：生產(chǎn)周期分批發(fā)酵：生產(chǎn)周期 式中式中：tL-延遲期所占用時(shí)間延遲期所占用時(shí)間； tR放料時(shí)間放料時(shí)間 tP清洗發(fā)酵罐、培養(yǎng)基、滅菌、冷卻所需時(shí)間清洗發(fā)酵罐、培養(yǎng)基、滅菌、冷卻所需時(shí)間 xF發(fā)酵終點(diǎn)細(xì)胞濃度發(fā)酵終點(diǎn)細(xì)胞濃度； x0接種后細(xì)胞濃度接種后細(xì)胞濃度 假定分批發(fā)酵的指數(shù)生長(zhǎng)期延續(xù)到限制性基質(zhì)耗假定分批發(fā)酵的指數(shù)生長(zhǎng)期延續(xù)到限制性基質(zhì)耗盡，這時(shí)達(dá)

49、到最大細(xì)胞濃度盡，這時(shí)達(dá)到最大細(xì)胞濃度xFPRFmLBttXXtt0ln1l 應(yīng)用應(yīng)用-提高生產(chǎn)率提高生產(chǎn)率 連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論精選pptBFCBtxxP0分批發(fā)酵的細(xì)胞生產(chǎn)率為分批發(fā)酵的細(xì)胞生產(chǎn)率為:連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論l 應(yīng)用應(yīng)用-提高生產(chǎn)率提高生產(chǎn)率 PRLFmSXtttxxSY00/ln1精選ppt 可見(jiàn)可見(jiàn), ,細(xì)胞的細(xì)胞的m m越大，輔助操作時(shí)間越長(zhǎng)，越大，輔助操作時(shí)間越長(zhǎng)，連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)就越大。連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)就越大。 SmSXCCKSSYP0, 0/PRLmFCBCCtttxxPP0lnl 應(yīng)用應(yīng)用 -單級(jí)連續(xù)發(fā)酵最大生產(chǎn)率單級(jí)連續(xù)發(fā)酵最大生產(chǎn)率連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論單級(jí)連續(xù)發(fā)酵

50、與分批發(fā)酵最大生產(chǎn)率之比為：?jiǎn)渭?jí)連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵最大生產(chǎn)率之比為：精選ppt 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：t 24h (生長(zhǎng)罐生長(zhǎng)罐） 48h （生產(chǎn)罐生產(chǎn)罐） 60h P1=0.07g/L P2=0.4g/L P3=0.62g/L X1=7g/L 求操作參數(shù)求操作參數(shù)D D？并比較連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵的生產(chǎn)率？并比較連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵的生產(chǎn)率。hLgdtdP/018. 02hLgdtdP/012. 03hL/g415. 0dtdxl 應(yīng)用應(yīng)用-青霉素連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵對(duì)比青霉素連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵對(duì)比 精選ppt計(jì)算：采用連續(xù)發(fā)酵時(shí)計(jì)算：采用連續(xù)發(fā)酵時(shí)第一罐第一罐： 第二罐：由第二罐：由111

51、110593. 0415. 0711hdtdxxD2212VdtdPFPFPdtdPPPD2122)(120545. 007. 04 . 0018. 0hD精選ppt 為了保證串聯(lián)穩(wěn)定，兩罐稀釋率差異用體積為了保證串聯(lián)穩(wěn)定，兩罐稀釋率差異用體積差差異進(jìn)行調(diào)節(jié)異進(jìn)行調(diào)節(jié)。 F相同相同 產(chǎn)物在串聯(lián)系統(tǒng)停留時(shí)間產(chǎn)物在串聯(lián)系統(tǒng)停留時(shí)間 產(chǎn)物形成速率產(chǎn)物形成速率 2211,DFVDFVhDDtn3 .351121hLgtPDPn/011. 03 .354 . 022精選ppt而分批發(fā)酵時(shí)， tn=48h, P=0.4g/L故產(chǎn)物形成速率 DP=0.4/48=0.0083g/Lh （比連續(xù)發(fā)酵低）（比連續(xù)

52、發(fā)酵低）為充分利用基質(zhì)，再加一罐(第三罐)(相當(dāng)于60h)132330545. 0)(1hdtdPPPD精選ppttn=1/D1+ 1/D2+ 1/D3=53.7h產(chǎn)物形成速率 P3/tn=0.0115g/L h分批發(fā)酵 P3/t3=0.62/60=0.0103g /L h精選pptl 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) 添加新鮮培養(yǎng)基，克服養(yǎng)分不足所導(dǎo)致的添加新鮮培養(yǎng)基，克服養(yǎng)分不足所導(dǎo)致的發(fā)酵過(guò)程過(guò)早結(jié)束，延長(zhǎng)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，增發(fā)酵過(guò)程過(guò)早結(jié)束，延長(zhǎng)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，增加生物量等加生物量等； 在長(zhǎng)時(shí)間發(fā)酵中，菌種易于發(fā)生變異，并在長(zhǎng)時(shí)間發(fā)酵中，菌種易于發(fā)生變異，并容易染上雜菌；容易染上雜菌； 如果操作不當(dāng)，新加入的培養(yǎng)基與原有培如果操作不當(dāng)，新加入的培養(yǎng)基與原有培養(yǎng)基不易完全混合。養(yǎng)基不易完全混合。連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-理論精選ppt什么是補(bǔ)料分批發(fā)酵？ 補(bǔ)料分批培養(yǎng)（補(bǔ)料分批培養(yǎng)（Fed-batch cultureFed-batch culture）：）： 分批發(fā)酵過(guò)程中補(bǔ)充培養(yǎng)基，不分批發(fā)酵過(guò)程中補(bǔ)充培養(yǎng)基，不從發(fā)酵體系中排出發(fā)酵液，使發(fā)酵液的體從