生物反应动力学幻灯片.ppt

菌体生长 菌体生长速率：单位体积、单位时间生长的菌体量（g/h.L) 碳源+氮源 + 氧 细胞 +产物+CO2+H2O 代谢产物的生成速率vp：单位体积、单位时间内，产物形成的量。 类型Ⅰ 这是一种产物合成与利用糖类有化学计量关系的发酵，糖提供了生长所需的能量。糖消耗速率与产物合成速率的变化是平行的。 类型Ⅱ 产物形成间接与基质消耗有关，即微生物生长与产物形成是分开的，糖既提供细胞生长所需的能量，又充当产物合成的碳源。 类型Ⅲ 产物是微生物的次级代谢产物，产物合成与利用碳源无准量关系，产物合成在菌体生长停止才开始 偶联型 合成的产物通常是分解代谢的直接产物，这类初级代谢产物的生产速率与生长直接相关 或 分批式操作：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后，将全部反应物取出。 半分批式操作：也称流加式操作。是指将一定量底物装入罐内，在适宜条件下接种使反应开始。反应过程中，将特定的限制性底物送入反应器，以控制罐内限制性底物浓度在一定范围，反应终止将全部反应物取出。 分批发酵的不同阶段 微生物分批培养的生长动力学方程 分批培养时基质的消耗速率 分批培养中产物的形成速率 分批培养过程的生产率 1942年，Monod提出了在特定温度、pH、营养物类型、营养物浓度等条件下 μm 微生物的最大比生长速率，h-1。 微生物生长过程的特征通常以得率系数来描述，即生成细胞或产物与消耗的营养物质之间的关系。 YX/O= 产物形成与细胞生长相关 生产率（P）= 单一补料分批培养 其特点是补料一直到培养液达到额定值为止，培养过程中不取出培养液。 当 重复补料分批培养：是指在培养 过程中，每隔一定的时间，取出一定体积的培养液，同时又在同一时间间隔内加入相同体积的培养基，如此反复进行的培养方式。 单罐连续培养的动力学 细胞的物料平衡 当D小时 营养物被细胞利用 c(S)→0，细胞浓度 c(X)=c0(S)YX/S。 D增加 开始c(X)呈线性缓慢下降，随着D的不断增加，当D=Dc=μm时，c(X)下降到0 开始，c(S)随D的增加而缓慢增加 当D=μm时，c(S)→c0(S)。 当c(X)=0时达到“清洗点”，即有： 当D＞μm时，系统不可能达到恒定状态。 D只稍微低于μm,整个系统对外界环境变化非常敏感。随着D的微小变化，c(X)将发生巨大变化。 连续培养生产率与分批培养生产率的比较 P=Dc(X) 产物浓度 发酵时间 t = 1 μm ln ct(X) c0(X) + tc + t1 tf + tc 放罐清洗时间 tf 装料消毒时间 t1 迟滞时间 ct(X) 细胞最终浓度 令 tL= tc + t1 则： tf + P = 1 μm ln ct(X) c0(X) ct(X) - c0(X) + tL c0(S) 初始培养基中限制性营养物质的浓度 F 补料时培养基的流加速度(L·h-1) V 培养基的体积(L) F V 稀释比(D) c(X) = c0(X) + YX/S ［c0(S)-c(S)] 则： c(S) =0时，微生物细胞的最终浓度为cmax(X) 如果 cmax(X) c0(X)， 则 cmax(X) = YX/S c0(S) 在 c(X) = c0(X)时，开始以恒速补加培养基 此时Dμm F μ c (X) ′ YX/S 培养液中微生物细胞总量 c( X) =c(X)V c0(S) ≈ 时间t时培养 基的体积，L F μ c (X) ′ YX/S c0(S) = 由 知 dc(S) dt = 0 dc(X) dt = 0 μ≌D 在准恒定状态下，由 c(S) ≈ DKS μm-D c (X) ′ = c0 (X) ′ + F c0(S) ·t YX/S μ= =D μmc(S) KS+c(S) 流入细胞 流出细胞 生长细胞 死去细胞 - = - + 积累细胞 Fc0(X) V F V c (X) μc(X) kc(X) dc(X) dt - + - = c0(X) 流入发酵罐的细胞浓度，g/L c (X) 流出发酵罐的细胞浓度， g/L k 比死亡速率，h-1 普通单级恒化器 c0(X) =0 μ k F V c (X) μc(X) + dc(X) dt = - dc(X) dt = 0 F V c (X) = μc(X) F V = μ 限制性营养物质的物料平衡 流入的 营养物质 流出的 营养物质 生长消耗 的营养物质 维持 生命需要 的营养物质 - = - - 形成产 物消耗的 营养物质 积累的 营养物质 - = D F V c (S) c0(S) F V μc(X) YX/S ·c(X) m QPc(X) YP/S