第7章-分批发酵、补料分批发酵与高密度发酵.pptVIP

三. 高密度发酵（High cell-density fermentation） 在排除所有发酵条件限制的情况下，Riesenberg从理论上计算了大肠杆菌发酵所能达到的最高菌体密度为400g干重/L，而Markl等则认为最高的发酵密度应为200g干重/L，此时发酵液黏度很高，几乎丧失了流动性。非重组E.coli W3110和生产聚羟基丁酸的重组菌为最高密度发酵的两个实例，其密度（以干重计）分别为174g/L和175.4g/L。 (一) 概述 1. 高细胞密度发酵的定义 高细胞密度发酵是一个相对概念，是指应用一定的培养技术和装置提高菌体的发酵密度，使菌体密度比普通发酵培养有显著的提高，最终提高特定产物的比生产率。用以描述的单位是干细胞重量/升( DCW/ L) 。从大面上来讲，凡是细胞密度比较高，以至接近其理论值的培养均可称为高密度培养，一般认为其上限值为160～200g ( DCW/ L)，下限值为20～30g (DCW/ L) 事实上，不同发酵产品不同的发酵菌种之间差异是很大的。 ** 反馈控制分为：直接法和间接法； a. 直接法：以限制性底物（C，N，C/N）浓度为反馈控制参数； b. 间接法：以DO，pH，呼吸商，排气中CO2分压，代谢产物浓度为反馈参数。 **反馈控制系统的组成：传感器，控制器，驱动器，补料系统等； 10. 不同培养基组成采用各种自动流加控制指标： 工业上所用的培养基组成是各种各样的，见下表。 2. 补料分批发酵动力学 1） 补料分批发酵 通常用下列方程式来定量地表示连续补料工艺的参数变化： 线性补料：Fin (t) =α1t+β1 指数补料：Fin (t) =α2e β2t 培养液体积：V（t）=V0+Fin · t dV/dt = Fin(t) ---------------------------------------------------------------------------------(H1) α和β是常数，当用恒定流速补料时，α1= 0，V0为起始培养液体积。 如果：连续补料系统具有以下特征：（1）充分混合的反应器；（2）单一限制性底物；（3）平衡生长 （4）恒定的得率系统（Y）；（5）符合Monod动力学方程。 那么：菌体总量的瞬时变化可表示为： d(VX)/dt = (dV/dt)X + (dX/dt)V =μXV -------------------------------------------------------------(H2) 从 H1 和 H2可得到： dX/dt =μX – (Fin/V)X = [(μmax·S)/(ks+S)]X - (Fin/V)X ----------------------------------------------------(H3) Note：-(Fin/V)X代表由于物料流入引起体积变化而造成的菌体浓度的降低。 由于： μX = rx 所以：rs= - (1/Y) rx 那么：dS/dt=(Sin-S)(Fin/V)-[(μmax·S)/（kS+S）]·X/Y --------------------------------------------------------------(H4) Note：Sin为补料液的底物浓度。 连续发酵中，稀释率（D = F/V）是一常数； 恒定流速的补料分批发酵中，连续补料引起体积（V）增加，稀释率 (Fin / V) 相应地减小。由于 H3 和 H4 与恒化器的动力学方程相同，恒定流速体积增加的补料分批发酵相当于体积恒定流速降低的恒化器培养 准稳态：当补料速度非常低，使得比生长速率μ约等于稀释率Fin / V的动力学稳定态现象。准稳态时μ约等 于D，但不是固定不变的，而是以相同的速率下降。由于：μ=Fin / V 根据方程 H3，此时X为恒值 (dX/dt=0)，但是 dS/dt = 0 S随时间而下降， S=(Fin/V)·Ks/[(μmax·（Fin/V) ]=DKs/(μmax·D) 对恒定流速的补料分批发酵而言： d(V·X)dt=Fin·X=常数 准稳态时的总菌体量的变化速率为常数，微生物表现为线性生长。 dX/dt =μX – (Fin/V)X = [(μ