典型發(fā)酵過程動力學(xué)及模型

關(guān)于典型發(fā)酵過程動力學(xué)及模型

概論微生物生長動力學(xué)基質(zhì)消耗動力學(xué)代謝產(chǎn)物生成動力學(xué)動力學(xué)模型的建立一、分批發(fā)酵動力學(xué)第2頁,共96頁，2024年2月25日，星期天一、概論

發(fā)酵的實質(zhì)：生物化學(xué)反應(yīng)

發(fā)酵動力學(xué)

微生物生化反應(yīng)動力學(xué)

各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間的相互作用隨時間而變化的規(guī)律

基質(zhì)利用

細(xì)胞生長產(chǎn)物生成第3頁,共96頁，2024年2月25日，星期天

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）發(fā)酵過程反應(yīng)的描述第4頁,共96頁，2024年2月25日，星期天一、概論目的

1)建立發(fā)酵過程中細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度、溫度等工藝參數(shù)和控制方案，確定最佳發(fā)酵工藝條件；2)以發(fā)酵動力學(xué)模型為依據(jù)，利用計算機進(jìn)行合理的發(fā)酵過程的程序設(shè)計，模擬最優(yōu)化的發(fā)酵工藝流程和技術(shù)參數(shù)，使發(fā)酵工藝的過程控制達(dá)到最優(yōu)化；3)動力學(xué)的研究為實驗工廠數(shù)據(jù)的放大、為分批式發(fā)酵過渡到連續(xù)式發(fā)酵提供理論基礎(chǔ)。研究目的：進(jìn)行最佳發(fā)酵工藝條件的控制第5頁,共96頁，2024年2月25日，星期天■發(fā)酵過程按進(jìn)行過程有三種方式：分批發(fā)酵補料分批發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵非穩(wěn)態(tài)恒態(tài)準(zhǔn)恒態(tài)一、概論第6頁,共96頁，2024年2月25日，星期天分批發(fā)酵一、概論反應(yīng)器滅菌培養(yǎng)基接種發(fā)酵培養(yǎng)放罐放罐放罐

發(fā)酵周期空氣、消泡劑、酸堿第7頁,共96頁，2024年2月25日，星期天分批發(fā)酵典型生長曲線時間菌體濃度延遲期：指數(shù)生長期:減速期:靜止期：衰亡期:一、概論第8頁,共96頁，2024年2月25日，星期天二、微生物生長動力學(xué)Yield得率YRate速率RSubstrate底物/基質(zhì)SCell細(xì)胞Xmass質(zhì)量mProduct產(chǎn)物POxygen氧氣OCarbon碳C第9頁,共96頁，2024年2月25日，星期天基本參數(shù)得率系數(shù)對底物YX/S-DmX/(DmS)rX/rS

(rX-rX0)/(rS0-rS)YP/S

-DmP/(DmS)

對氧YX/O-DmX/(DmO)

對碳YX/C-DmXsX/(DmSsS)YX/SsX/sS

反應(yīng)速率細(xì)胞生長速率rX

drX/dt

細(xì)胞比生長速率mrX/rX

基質(zhì)和氧的消耗速率rS

rO-drS/dt

底物消耗比速率qsrS/rX

產(chǎn)物生成速率rP

drP/dt

產(chǎn)物比生成速率qPrP/rX二、微生物生長動力學(xué)第10頁,共96頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞反應(yīng)的得率系數(shù)對底物的細(xì)胞得率：對氧的細(xì)胞得率：二、微生物生長動力學(xué)第11頁,共96頁，2024年2月25日，星期天對底物的產(chǎn)物得率：對碳的細(xì)胞得率：第12頁,共96頁，2024年2月25日，星期天2.反應(yīng)速率的定義絕對反應(yīng)速率：單位時間、單位體積某一成分的變化量細(xì)胞的生長速率：產(chǎn)物的生成速率：基質(zhì)的消耗速率：氧的消耗速率：二、微生物生長動力學(xué)第13頁,共96頁，2024年2月25日，星期天第14頁,共96頁，2024年2月25日，星期天比反應(yīng)速率：單位質(zhì)量的細(xì)胞在單位時間生成或消耗某一成分的量細(xì)胞的比生長速率：產(chǎn)物的比生成速率：基質(zhì)的比消耗速率：比耗氧速率：第15頁,共96頁，2024年2月25日，星期天例題:在有氧條件下，桿菌在甲醇上生長，在進(jìn)行間歇培養(yǎng)時得到結(jié)果如表所示：

時間/hrX/(g/l)rS/(g/l)00.219.2320.229.2140.319.0780.988.03101.776.80123.204.60145.600.92166.150.08186.200試求：在t=10h時比生長速率,基質(zhì)比消耗速率，產(chǎn)物比形成速率第16頁,共96頁，2024年2月25日，星期天第17頁,共96頁，2024年2月25日，星期天3.微生物分批培養(yǎng)動力學(xué)時間菌體濃度延遲期指數(shù)生長期減速期靜止期衰亡期延遲期：指數(shù)生長期:減速期:靜止期：

;衰亡期:圖微生物生長曲線二、微生物生長動力學(xué)第18頁,共96頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共96頁，2024年2月25日，星期天第20頁,共96頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共96頁，2024年2月25日，星期天（6-17）第22頁,共96頁，2024年2月25日，星期天減速期

當(dāng)細(xì)胞大量生長后，培養(yǎng)基中基質(zhì)濃度已下降，加上有害代謝物的累積，使細(xì)胞生長速率開始減慢。細(xì)胞生長速率與細(xì)胞濃度符合一級動力學(xué)關(guān)系：（6-18）穩(wěn)定期

營養(yǎng)物質(zhì)已耗盡或有害物質(zhì)大量累積使細(xì)胞濃度不再增加，細(xì)胞生長速率=細(xì)胞死亡速率，此時細(xì)胞的純生長速率為零。（6-19）第23頁,共96頁，2024年2月25日，星期天

5）死亡期

培養(yǎng)基中營養(yǎng)耗盡，代謝產(chǎn)物大量積累，細(xì)胞繁殖趨于停止，而死亡細(xì)胞越來越多，即活細(xì)胞數(shù)量顯著下降。Kd為比死亡速率常數(shù)第24頁,共96頁，2024年2月25日，星期天4、無抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)

——Monod方程

微生物的比生長速率：

μ＝f(rS,p,T,pH,……,)

在一定條件下(基質(zhì)限制)：

μ＝f(rS)二、微生物生長動力學(xué)第25頁,共96頁，2024年2月25日，星期天第26頁,共96頁，2024年2月25日，星期天第27頁,共96頁，2024年2月25日，星期天rS

限制性基質(zhì)濃度mol/m3第28頁,共96頁，2024年2月25日，星期天Ksμ莫諾方程:當(dāng)限制性營養(yǎng)物質(zhì)的濃度ρS很低的時候（ρS<<Ks)，μ和ρS是線性關(guān)系，μ=(μm/Ks)ρS隨著營養(yǎng)物質(zhì)的濃度增加，比生長速度也相應(yīng)的增加，μ與ρS不成直線關(guān)系，當(dāng)ρS>>Ks時μ≈μm第29頁,共96頁，2024年2月25日，星期天一些典型的μm和Ks值微生物生長限制底物Ks(mg/L)μm（h-1)產(chǎn)朊假絲酵母氧0.0320.44棕色固氮菌氧0.2240.35產(chǎn)朊球擬酵母氧0.450.51釀酒酵母葡萄糖S<=720mg/L需氧0.54S>=720mg/L需氧34.20.65木霉sp.葡萄糖167.40.13纖維二糖118~1190.10曲霉sp.葡萄糖154.80.125半乳糖514.00.10大腸桿菌乳糖20.9甘露糖3.96第30頁,共96頁，2024年2月25日，星期天單基質(zhì)限制的細(xì)胞生長動力學(xué)模型提出者模型備注時間Tessierμ=μm[1-exp(-S/Ks)]葡萄糖，E.coli1942Monodμ=μmS/(Ks+S)1949Moserμ=μm(1+KsS-n)-1普遍化1958Contoisμ=μm(S/X)/(Ks+S/X)菌體生長，基質(zhì)消耗1959藤本μ=μmS/(KsX+S)1963Managoμ=KsSn1972Dabes等S=Aμ+Bμ/(μm＋μ)1973尺田等μ2/K-(Ks+S)μ-μmＳ=01975Baileyμ=μmS/(Ks+S)-D微生物維持代謝1977第31頁,共96頁，2024年2月25日，星期天5、無抑制、多種基質(zhì)限制下的細(xì)胞生長動力學(xué)

實際中，經(jīng)常遇到多于一種基質(zhì)的限制性影響比生長速率的情況，提出多基質(zhì)限制動力學(xué)模型。（1）多種必要基質(zhì)限制：多種基質(zhì)都為細(xì)胞生長所必需，這些基質(zhì)組合在一起決定著細(xì)胞的比生長速率。

a）相關(guān)模型：

b）非相關(guān)模型：μ=min(μi)(2)必要基質(zhì)與生長促進(jìn)型基質(zhì)限制：必要基質(zhì)的存在使細(xì)胞的比生長速率大于零，而另一些基質(zhì)的存在使μ值增大,稱之為生長促進(jìn)型基質(zhì)。累加動力學(xué)方程：非相關(guān)模型---產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長無直接的關(guān)系

二、微生物生長動力學(xué)第32頁,共96頁，2024年2月25日，星期天（3）Tao和Hanson模型：多基質(zhì)限制的動力學(xué)模型--必要基質(zhì)的飽和常數(shù)；--生長促進(jìn)型基質(zhì)的飽和常數(shù)。第33頁,共96頁，2024年2月25日，星期天7.有抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)（1）基質(zhì)抑制動力學(xué)

當(dāng)基質(zhì)濃度很高時，細(xì)胞的濃度反而受到基質(zhì)的抑制作用，同底物對酶催化反應(yīng)的抑制一樣，基質(zhì)對細(xì)胞生長的抑制同樣分為競爭性抑制、非競爭性抑制和反競爭性抑制。--基質(zhì)對細(xì)胞的抑制常數(shù)；

當(dāng)基質(zhì)濃度低時，細(xì)胞比生長速率隨基質(zhì)濃度的提高而增大，并達(dá)到最大值；當(dāng)基質(zhì)濃度繼續(xù)增大時，μ反而下降，當(dāng)μ最大時，--最佳底物濃度；二、微生物生長動力學(xué)第34頁,共96頁，2024年2月25日，星期天競爭性抑制非競爭性抑制6-516-52第35頁,共96頁，2024年2月25日，星期天（2）產(chǎn)物抑制動力學(xué)

在細(xì)胞反應(yīng)過程中，有些代謝產(chǎn)物濃度過高時，也會抑制細(xì)胞的生長及其代謝能力，產(chǎn)物抑制也分為競爭性抑制和非競爭性抑制。

非競爭抑制動力學(xué)表達(dá)式：6-53產(chǎn)物抑制常數(shù)，g/L第36頁,共96頁，2024年2月25日，星期天基本概念SS1

菌體S2

產(chǎn)物S3

維持

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）+維持維持消耗(m)

：指維持細(xì)胞最低活性所需消耗的能量，一般來講，單位重量的細(xì)胞在單位時間內(nèi)用于維持消耗所需的基質(zhì)的量是一個常數(shù)。三、基質(zhì)消耗動力學(xué)第37頁,共96頁，2024年2月25日，星期天攝氧率與呼吸強度第38頁,共96頁，2024年2月25日，星期天第39頁,共96頁，2024年2月25日，星期天第40頁,共96頁，2024年2月25日，星期天相關(guān)型部分相關(guān)型非相關(guān)型四、代謝產(chǎn)物生成動力學(xué)第41頁,共96頁，2024年2月25日，星期天1）偶聯(lián)型也叫產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長關(guān)聯(lián)模式(相關(guān)模型），產(chǎn)物的形成和菌體生長是平行的。在該模式中，產(chǎn)物形成速度與生長速度的關(guān)系可表示為：

rP=YP/X

rx=YP/XμρX=αμρX

qP=αμρP---------產(chǎn)物濃度（g/L）α-------產(chǎn)物相對于細(xì)胞的生成速度（g產(chǎn)物/g細(xì)胞），即：YP/X在上式表示，在微生物的分批培養(yǎng)過程中，產(chǎn)物的形成速度與細(xì)胞的比生成速度成正比。因此，對于符合該模式的培養(yǎng)過程來說，要提高產(chǎn)物的形成速度就應(yīng)當(dāng)爭取獲得高的細(xì)胞的比生長速度。如葡萄糖厭氧發(fā)酵生成乙醇，發(fā)酵生產(chǎn)葡萄糖酸、乳酸等。四、代謝產(chǎn)物生成動力學(xué)第42頁,共96頁，2024年2月25日，星期天2）非偶聯(lián)型產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長無關(guān)模式。在該模式中，產(chǎn)物形成速度與生長速度無關(guān)聯(lián)，而只與細(xì)胞濃度有關(guān)，此時，細(xì)胞具有控制產(chǎn)物形成速度的組成酶系統(tǒng)，這時產(chǎn)物形成與細(xì)胞濃度的關(guān)系可表示為：

rP=βρXβ----------非生長關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物形成常數(shù)(g產(chǎn)物/g細(xì)胞.h)在生長和產(chǎn)物無關(guān)聯(lián)的模式中，產(chǎn)物合成發(fā)生在生長停止之后（即產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物）。大多數(shù)抗生素和微生物毒素都是非生長偶聯(lián)產(chǎn)物。對于這類非生長偶聯(lián)型產(chǎn)物的生物反應(yīng)來說，應(yīng)充分注意菌體在生長期和產(chǎn)物形成期營養(yǎng)的差別?？蛇m當(dāng)調(diào)配快速利用和緩慢利用的營養(yǎng)物的比例，分別滿足不同時期菌體的不同需要。四、代謝產(chǎn)物生成動力學(xué)第43頁,共96頁，2024年2月25日，星期天3）混合型產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長有關(guān)聯(lián)和無關(guān)聯(lián)的復(fù)合模式，也叫產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長部分關(guān)聯(lián)模式。這時產(chǎn)物的形成與細(xì)胞生長的關(guān)系可表達(dá)為：

rP=αμρX+βρX這種動力學(xué)模式存在生長和非生長關(guān)聯(lián)項，如檸檬酸、氨基酸的發(fā)酵生產(chǎn)過程。實際上，此模式對任意的動力學(xué)都是通用的，偶聯(lián)和非偶聯(lián)動力學(xué)模式只是兩種極端形式。四、代謝產(chǎn)物生成動力學(xué)第44頁,共96頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)模型的建立第45頁,共96頁，2024年2月25日，星期天數(shù)學(xué)模型：

根據(jù)研究對象的內(nèi)在規(guī)律而做出一些簡化假設(shè)，運用數(shù)學(xué)工具得出一個數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，該數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)可用來合理、精確反映過程各個變量之間的動態(tài)關(guān)系。

細(xì)胞反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型是一組可以近似地描述或表示細(xì)胞反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)方程式，它可以在一定程度上精確地表示出原過程的特征。

生物反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型的作用：

①根據(jù)反應(yīng)的前期數(shù)據(jù)預(yù)測微生物反應(yīng)過程的進(jìn)程

②數(shù)學(xué)模擬放大

③建立數(shù)學(xué)模型是過程優(yōu)化重要手段

④建立數(shù)學(xué)模型是實現(xiàn)計算機優(yōu)化控制的前提

第46頁,共96頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)小型試驗、中型試驗或生產(chǎn)裝置上實測的數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)代辨識技術(shù)，找出個參量之間的函數(shù)關(guān)系而建立數(shù)學(xué)模型的方法。

一、數(shù)字?jǐn)M合法第47頁,共96頁，2024年2月25日，星期天

機制模型也稱為理論模型，它是從工藝過程中的某些物理、化學(xué)和生物的本質(zhì)出發(fā)，運用現(xiàn)代工程學(xué)的基本理論，建立描述過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

二、機制分析法第48頁,共96頁，2024年2月25日，星期天三、常規(guī)細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)模型“灰箱模型”對細(xì)胞反應(yīng)做定量的、動力學(xué)方面的考察，描述了細(xì)胞隨基質(zhì)濃度或其他環(huán)境條件變化進(jìn)行生長的途徑，及產(chǎn)物合成、基質(zhì)消耗、氧消耗、菌體生長的規(guī)律變化第49頁,共96頁，2024年2月25日，星期天1、提出合理的動力學(xué)模型菌體生長模型m=mmaxrs/[(Ks+rs+rs2/K1)(1+rLA/KIP)]

產(chǎn)物合成模型基質(zhì)消耗模型2、動力學(xué)模型參數(shù)的求解圖解法、回歸法3、對模型的有效性進(jìn)行試驗驗證模型計算值與實驗值比較為發(fā)酵過程優(yōu)化控制提供理論依據(jù)常規(guī)細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)模型的步驟第50頁,共96頁，2024年2月25日，星期天三、補料分批發(fā)酵過程動力學(xué)第51頁,共96頁，2024年2月25日，星期天補料分批發(fā)酵：

也稱為流加發(fā)酵，是在微生物分批培養(yǎng)過程中，向生物反應(yīng)器中間歇或連續(xù)補加供給一種或多種特定的限制性底物，直到反應(yīng)結(jié)束后才一次性排出全部培養(yǎng)液的一種操作方式。

延長微生物的指數(shù)生長期和靜止期的持續(xù)時間增加生物量的積累靜止期細(xì)胞代謝產(chǎn)物的積累第52頁,共96頁，2024年2月25日，星期天補料分批發(fā)酵的類型補料方式連續(xù)流加不連續(xù)流加多周期流加補料成分單一組分流加多組分流加控制方式反饋控制無反饋控制指數(shù)流加變速流加恒速流加第53頁,共96頁，2024年2月25日，星期天（1）相對于分批發(fā)酵：

解除底物、產(chǎn)物的抑制和葡萄糖的阻遏效應(yīng)；避免好氧發(fā)酵時微生物大量繁殖而耗氧過多，致使通風(fēng)設(shè)備不能匹配；某些情況下適當(dāng)控制微生物生成量，有利于提高產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率（2）與連續(xù)培養(yǎng)相比：

不需嚴(yán)格的無菌條件，不會產(chǎn)生菌體老化、變異、污染等問題；最終產(chǎn)物濃度高，易于分離；應(yīng)用廣泛缺點：

反饋控制附屬設(shè)備昂貴；如沒有反饋控制則不能保證微生物生長與預(yù)期一致；對操作技能要求高補料分批發(fā)酵的特點及其適用條件第54頁,共96頁，2024年2月25日，星期天補料分批培養(yǎng)過程主要適用于代謝產(chǎn)物得率或生成速率受底物的影響、細(xì)胞的生長狀態(tài)或培養(yǎng)環(huán)境需要調(diào)節(jié)的過程，一般在一下情況適宜補料分批發(fā)酵：①細(xì)胞的高密度培養(yǎng)②所用底物在高濃度下對菌體生長有抑制作用：乙醇、甲醇、乙酸、芳香族化合物③存在crabtree效應(yīng)的培養(yǎng)系統(tǒng)：糖濃度過高時，在氧充足的條件下發(fā)生糖的無氧氧化④營養(yǎng)缺陷菌株的培養(yǎng)⑤受異化代謝阻遏的系統(tǒng)⑥高黏度的培養(yǎng)系統(tǒng)第55頁,共96頁，2024年2月25日，星期天補料分批發(fā)酵動力學(xué)模型100L發(fā)酵液，菌體濃度20g/l，補料速度100L/h；經(jīng)1h后，菌體濃度18g/l，求次時間段內(nèi)平均菌體生長速率、比生長速率、體積變化速率、菌體濃度變化值生長速率=菌體增加總量/體積/時間第56頁,共96頁，2024年2月25日，星期天第57頁,共96頁，2024年2月25日，星期天r:X、S、P1、反應(yīng)速率計算第58頁,共96頁，2024年2月25日，星期天已知：=0求：2、細(xì)胞生長動力學(xué)公式第59頁,共96頁，2024年2月25日，星期天求：

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）+維持1、2、3、3、底物消耗動力學(xué)公式第60頁,共96頁，2024年2月25日，星期天求：已知：4、產(chǎn)物形成動力學(xué)公式第61頁,共96頁，2024年2月25日，星期天恒速流加操作上述兩式μ和D都是隨時間變化的變量，消除μ，則條件：底物僅用于菌體生長

F恒定要求：計算菌體、基質(zhì)濃度隨時間的變化關(guān)系第62頁,共96頁，2024年2月25日，星期天過程早期:rs=f(t)p133公式6-105第63頁,共96頁，2024年2月25日，星期天過程前期：細(xì)胞濃度較低，流加速率相對較大細(xì)胞以最大比生長速率生長過程后期：細(xì)胞濃度較高，稀釋速率相對較小比生長速率減小生長達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)擬穩(wěn)態(tài)：細(xì)胞濃度恒定底物濃度很小恒速流加法：操作簡單，可用于調(diào)控細(xì)胞的生長速率和狀態(tài)第64頁,共96頁，2024年2月25日，星期天恒定生長參數(shù)

恒定比生長速率：保持限制性基質(zhì)濃度不變，比生長速率保持恒定

恒定生長速率：定值控制

恒pH流加

:

以同時分別流加作為碳源的底物和作為氮源的氨水等堿性物質(zhì)的手段控制培養(yǎng)液的酸堿度底物溶液對堿液的相對流加速率FC/FB

臨界FC/FB：堿液對細(xì)胞生長的貢獻(xiàn)=底物對細(xì)胞生長的貢獻(xiàn)

恒溶解氧流加

通過關(guān)聯(lián)主要細(xì)胞反應(yīng)的碳源代謝與氧的消耗，來進(jìn)行底物流加速率與攝氧率的關(guān)聯(lián)與控制

反復(fù)流加操作模型反復(fù)補料分批培養(yǎng)，每次放料后重新開始恒速流加，提高細(xì)胞的比生長速率其他流加操作第65頁,共96頁，2024年2月25日，星期天三、連續(xù)發(fā)酵過程動力學(xué)第66頁,共96頁，2024年2月25日，星期天一、連續(xù)培養(yǎng)基本概念指以一定的速度向培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)添加新鮮的培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng)液的液量維持恒定，使微生物細(xì)胞能在近似恒定狀態(tài)（基質(zhì)濃度、產(chǎn)物濃度、pH、菌體濃度、比生長速率）下生長的微生物培養(yǎng)方式。連續(xù)培養(yǎng)的特點連續(xù)培養(yǎng)的最大特點是微生物細(xì)胞的生長速度、產(chǎn)物的代謝均處于恒定狀態(tài)，可達(dá)到穩(wěn)定、高速增微生物細(xì)胞或產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物的目的。第67頁,共96頁，2024年2月25日，星期天二、連續(xù)培養(yǎng)設(shè)備的類型按種類（設(shè)備）分：全混流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器

恒化器恒濁器恒化器：使培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度保持恒定恒濁器：

--使培養(yǎng)基中菌體的濃度保持恒定第68頁,共96頁，2024年2月25日，星期天第69頁,共96頁，2024年2月25日，星期天連續(xù)發(fā)酵類型及裝置

罐式連續(xù)發(fā)酵單級多級串聯(lián)細(xì)胞回流式

塞流式連續(xù)發(fā)酵三、連續(xù)發(fā)酵裝置第70頁,共96頁，2024年2月25日，星期天單級連續(xù)發(fā)酵示意圖連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵裝置-單級第71頁,共96頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞回流的單級連續(xù)發(fā)酵示意圖連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵裝置-細(xì)胞回流第72頁,共96頁，2024年2月25日，星期天

兩個及以上的發(fā)酵罐串聯(lián)起來，前一級發(fā)酵罐的出料作為下一級發(fā)酵罐的進(jìn)料。

連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵裝置-多級串聯(lián)第73頁,共96頁，2024年2月25日，星期天培養(yǎng)基輸入培養(yǎng)基進(jìn)入下一級發(fā)酵罐培養(yǎng)基進(jìn)入后處理或到下一級發(fā)酵罐

多級罐式連續(xù)發(fā)酵裝置示意圖

第74頁,共96頁，2024年2月25日，星期天20m3面包酵母連續(xù)培養(yǎng)中，菌體濃度為10kg/m3，菌體生成速率為10kg/h，求流加培養(yǎng)基的速率。第75頁,共96頁，2024年2月25日，星期天

面包酵母連續(xù)培養(yǎng)中，菌體濃度為10kg/m3，菌體生成速率為10kg/h，

YX/S(以細(xì)胞/基質(zhì))=0.5，稀釋率D=0.1h-1，

μmax=0.15h-1，

Ks=0.5kg/m3求流加培養(yǎng)基中基質(zhì)的濃度S、培養(yǎng)液的體積V。

習(xí)題第76頁,共96頁，2024年2月25日，星期天r:X、S、P

反應(yīng)速率計算四、單級恒化器連續(xù)培養(yǎng)的動力學(xué)第77頁,共96頁，2024年2月25日，星期天r:X、S、P積累=流入-流出+生長-死亡1、反應(yīng)速率計算第78頁,共96頁，2024年2月25日，星期天已知：=0求：A.穩(wěn)定狀態(tài)時，此時μ=D（單級連續(xù)發(fā)酵重要特征）意義：可以通過改變供給培養(yǎng)基流量對細(xì)胞比生長速率加以控制B.不穩(wěn)定時，A.穩(wěn)定狀態(tài)時，1）若D<μ，則dρX/dt>0，培養(yǎng)液中微生物細(xì)胞的濃度隨時間而增加。2）若D>μ，則dρX/dt<0，即細(xì)胞濃度因培養(yǎng)物被“洗出”（washout）發(fā)酵罐外而減少。2、細(xì)胞生長動力學(xué)公式第79頁,共96頁，2024年2月25日，星期天D=μ代入到Monod方程中得：Monod方程3、底物消耗動力學(xué)公式第80頁,共96頁，2024年2月25日，星期天

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產(chǎn)物）+維持

XS（底物）─→X（菌體）第81頁,共96頁，2024年2月25日，星期天已知：4、產(chǎn)物形成動力學(xué)公式第82頁,共96頁，2024年2月25日，星期天

臨界稀釋速率，代表恒化器所能運行的最大稀釋速率。通常，故：D=μ代入到Monod方程中得：5、臨界稀釋速率第83頁,共96頁，2024年2月25日，星期天

單位體積的發(fā)酵液在單位時間內(nèi)的細(xì)胞產(chǎn)量由得：時，PX最大6、菌體的生產(chǎn)強度第84頁,共96頁，2024年2月25日，星期天7、稀釋率對菌體濃度、底物濃度及細(xì)胞產(chǎn)率的關(guān)系第85頁,共96頁，2024年2月25日，星期天五、帶有細(xì)胞循環(huán)的單級恒化器單級CSTR