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發酵過程_圖文

發酵過程_圖文

第二節 分批發酵動力學

分批發酵動力學
細胞生長動力學 基質消耗動力學 產物形成動力學

分批發酵動力學-產物形成動力學
根據發酵時間過程分析,微生物生長與產物 合成存在以下三種關系:
? 與生長相關→生長偶聯型 ? 與生長部分相關→生長部分偶聯型 ? 與生長不相關→無關聯

相關型

部分相關型

非相關型

產物合成相關、部分相關、非相關模型動力學示意圖

分批發酵動力學-產物形成動力學
與生長相關→生長偶聯型:乙醇發酵
dP dx 1/ x ? YP / X ??? qP ? YP / X ? ? dt dt
產物的生成是微生物細胞主要能量代謝的直 接結果,菌體生長速率的變化與產物生成速率的 變化相平行。

分批發酵動力學-產物形成動力學
與生長部分相關→生長部分偶聯型: 檸檬酸、氨基酸發酵
dP dx ?? ? ?x ? qP ? ?? ? ? ?? dt dt

產物間接由能量代謝生成,不是底物的直接氧化產物, 而是菌體內生物氧化過程的主流產物(與初級代謝緊 密關聯)。

分批發酵動力學-產物形成動力學
與生長不相關→無關聯:抗生素發酵
dP ? ?x dt

qp ? ?

若考慮到產物可能存在分解時,則

dP ? ?x ? kd P ? q p x ? kd P dt
產物生成與能量代謝不直接相關,通過細胞

進行的獨特的生物合成反應而生成。

分批發酵動力學
? 應用舉例
殺假絲菌 素分批發酵 中的葡萄糖 消耗、DNA 含量和殺假 絲菌素合成 的變化 。
殺假絲菌素分批發酵動力學分析

分批發酵的優缺點
? 優點:

? 操作簡單、投資少
? 運行周期短 ? 染菌機會減少

? 生產過程、產品質量較易控制

?缺點:

? 不利于測定過程動力學,存在底物限制或抑制問

題,會出現底物分解阻遏效應?及二次生長?現象。
? 對底物類型及初始高濃度敏感的次級代謝物如一

些抗生素等就不適合用分批發酵(生長與合成條 件差別大)
? 養分會耗竭快,無法維持微生物繼續生長和生產
? 非生產時間長,生產率較低

第三節 連續發酵動力學

什么是連續發酵?
?

概念:在發酵過程中,連續向發酵罐流加培養基,

同時以相同流量從發酵罐中取出發酵液。
?

特點: 添加培養基的同時,放出等體積發酵液,形 成連續生產過程,獲得相對穩定的連續發酵狀態。

?

連續發酵類型: 單級、 多級連續發酵

主要內容
(一)連續發酵類型及裝置

(二)連續發酵動力學模型
1.單級恒化器連續發酵

2.多級恒化器連續發酵
3.進行細胞回流的單級恒化器連續發酵

(三)連續發酵動力學理論的應用

連續發酵動力學-發酵裝置
?

連續發酵類型及裝置
?

罐式連續發酵
? 單級 ? 多級串聯 ? 細胞回流式

?塞流式連續發酵

連續發酵動力學-發酵裝置-單級

單級連續發酵示意圖

連續發酵動力學-發酵裝置-多級串聯
?

兩個及兩個以上的發酵罐串聯起來,前一級發酵罐的出 料作為下一級發酵罐的進料。

兩級連續發酵示意圖

連續發酵動力學-發酵裝置-多級串聯
培養基輸入 培養液進入 下一級發酵罐

多級罐式連續發酵裝置示 意圖
? 罐式連續發酵實現方法

培養液進入 后處理或到 下一級發酵罐

?恒濁法:通過調節營養物的流加速度,利用濁

度計檢測細胞濃度,使之恒定。 ?恒化法:保持某一限制性基質在一恒定濃度水 平,使菌的比生長速率?保持一定。

連續發酵動力學-發酵裝置-細胞回流式
F Se

(1 ? ? ) F X

F Xe

?F, cX
細胞回流的單級連續發酵示意圖
a: 再循環比率(回流比) c: 濃縮因子

連續發酵動力學-發酵裝置-塞流式

無菌培養 基流入

發酵罐 d 供給連續接 種再循環

培養物 流出

單級恒化器連續發酵

o

連續反應器: 流入速度=流出速度= F
反應器內(V)全混流,溶質濃度處處相等

連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵
定義: ① 稀釋率 D=F/V (h-1)
F—流量(m3/h) V—培養液體積(m3) ② 理論停留時間
TL 1 ? D

連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵
?
細胞的物料衡算(?和D的關系)
積累的細胞(凈增量)= 流入的細胞-流出的細胞+生長的細 胞-死亡的細胞

dx F F ? dx ? ? x0 ? x ? ? ? ? ?x dt V V ? dt ? G ? Dx0 ? Dx ? ?x ? ?x
對于單級恒化器:X0 =0 且通常有: ? ?? ?

dx ? ? ?? ? D ?x dt

連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵
dx ? ?? ? D ?x dt
A.穩定狀態時,

dx ?0 dt

此時 ?=D(單級連續發酵重要特征)
B.不穩定時,

當?>D,
當?<D,

dx ? 0, x ? dt

dx ? 0, x ? dt

連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵
?
限制性基質的物料衡算
積累的營養組分=流入量-流出量-生長消耗量維持生命需要量-形成產物消耗量

ds F F ?x qP x ? S0 ? S ? ? mx ? dt V V YX / S YP / S

ds ?x 穩態時, =0,一般條件下,mx << dt YX / S

qP x ?0 產物相對菌體生長量較少, YP / S
? D?S0 ? S ? ?

?x

YX / S

連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵
?

x, s, Dx與D關系總結:
??D

x ? YX / S ?S0 ? S ?
KS D S? ?m ? D
? KS D ? ? Dx ? DYX / S ? S 0 ? ? ?m ? D ? ? ?

連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵
? 細胞生產率
? KS D ? ? ? 細胞生產率 Dx ? DY X / S ? S 0 ? ? ?m ? D ? ? ? dDx ? 0, 當 dD
? KS D ? ? m ?1 ? 即 ? K S ? S0 ? ? ? ? ?



可獲得最大的細胞生產率,為

?Dx ?m

? K S ? S0 KS ? ? ? YX / S ?m S0 ? ? ? S0 S0 ? ? ?

2

? 細胞生產率
?

連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵
?Dx ?m
? K S ? S0 KS ? ? ? YX / S ?m S0 ? ? ? S0 S0 ? ? ?
2

若S0>>Ks (S0>10Ks),底物供給濃度很大,為非限制性 則 Dx ?Y ? S

? ?max

X /S

m

0

此時,最大臨界稀釋率
∴當D>Dc= ? m 時, dx ?0 dt

Dc ?

?m S0
K S ? S0

? ?m

連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵
? 產物的物料衡算
?

產物變化率=細胞合成產物速率+流入-流出-分解項

dP ? dP ? ?? ? ? DP0 ? DP ? k D P dt ? dt ?細胞合成 ? qP x ? D ( P0 ? P ) ? k D P
?

dP 當連續發酵處于穩態, ( )總變化 ? 0 , dt

且加料中不含產物,即 P0 得

? 0 ,P分解速率可忽略。

DP ? qP x

連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵
?

幾個假設:
① ?只受單一底物限制 ② Yx/s對一定的?來講,為常數 ③ D<DC

連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵
稀釋率(D) 對底物濃度(S)、 細胞濃度(x)和 細胞生產率(DX) 的影響。
? KS D ? ? m ?1 ? ? K S ? S0 ? ? ? ? ?

?

在甘露醇中培養大腸桿菌,其動力學方程為

1.2CxCs rx ? 2 ? Cs

g ( L *min)

已知S0=6g/L,Yx/s=0.1,Um=0.6g/(l*min)試求:(1)當甘露醇濃 度以1L/min的流量進入體積為5L的CSTR中進行反應時,其反 應器內細胞濃度及生長速率為多少?(2)如果要求大腸桿菌在 CSTR內的生長速率達到最大,稀釋速率應為多少?(3)若將 流入的培養基濃度減少一半,過程能否平衡,若能,X,S穩態 時分別為多少?

(1)x=0.56g/l, rx=0.112g/(l*min) (2)0.394(l/min) (3)能,x=0.26g/l,s=0.4g/l

連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵
?多級恒化器的第一級動力學模型

假設兩級發酵罐內培養體積相同,即V1=V2;且第二級不加入 新鮮培養基,則對于第一級動力學模型(方程)與單級相同。

連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵
?

穩態時

?1 ? D

x1 ? YX / S ( S0 ? S1 )
KS D S1 ? ?m ? D
KS D Dx1 ? DYX / S ( S 0 ? ) ?m ? D

DP1 ? qP x1

多級恒化器連續發酵 ? 第二級細胞物料衡算
dx2 ? Dx1 ? Dx2 ? ? 2 x2 ? ?x2 dt
第二級穩態時, dx2 ? 0,? ? ? D?1 ? x1 ? ? ? 2 ? ?

dt

?

x2 ?

同理,由穩態方程可得, ? ? D(1 ? n

xn ?1 ) xn

連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵
?多級恒化器的第二級動力學模型
?1 ? ? m S1
k s ? S1 ?

?m
1 ? K S S1

?2 ?

?m S2
ks ? S2

?

?m
1 ? K S S2

∵ S1<S0 , S2<S1

? ? 2 ? ?1 ? D

從第二級開始,比生長速率 ? n 不再等于稀釋率D.

連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵
? 第二級基質物料衡算
dS2 ? 2 x2 q P x2 ? DS1 ? DS 2 ? ? mx2 ? dt YX / S YP / S

dS2 ? 0 忽略m, qp ? 穩態時, dt DYX / S D ?S1 ? S 2 ? x2 ? ( S1 ? S 2 ) ? YX / S

?2

?2

連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵
? 第二級基質物料衡算
? x1 ? ? 2 ? D ?1 ? ? ? x ? 2 ? ?

x2 ? YX / S

D

?2

?S1 ? S 2 ?

x2 ? x1 ? YX / S ?S1 ? S 2 ?
x2 ? x1 ? YX / S ?S1 ? S 2 ? ? YX / S ?S 0 ? S1 ? ? YX / S ?S1 ? S 2 ?

? x2 ? YX / S ?S 0 ? S 2 ?

連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵
? S2的求解
KS D S1 ? x1 ? YX / S ( S0 ? S1 ) ? x ? ?m ? D ?1 ? 1 ? ? 2 ? D? (1) (2) x2 ? ? mS2 (3) ? ? ?2 ? x2 ? YX / S ?S0 ? S 2 ? k s ? S2

(1)=(3)

2 ? ? KS D2 KS D2 ?? m ? D ?S ? ? ? m S0 ? ? K S D ?S2 ? ?0 ? ? ?m ? D ?m ? D ? ? 2 2

解此方程可得第二級發酵罐中穩態限制性基質濃度S2,再由 式(2)可確定x2,再求出Dx1,Dx2.

連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵
? 細胞形成產物的速率:DP2
dP2 ? dP2 ? ? DP1 ? DP2 ? ? ? kP ? 2 dt ? dt ?細胞合成 ? DP1 ? DP2 ? q P x2
?

穩態時

dP2 ?0 dt

? DP2 ? DP ? qP x2 ? qP x1 ? qP x2 1

連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵
? 第二級發酵罐產物濃度

q P x2 P2 ? P ? 1 D
同理類推

qP xn Pn ? Pn?1 ? D

連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵

二級連續發

酵中不同稀釋率
下的穩態細胞濃 度、限制性基質

濃度和細胞生產
率的變化。

? 例題
?

已知某一微生物反應,其細胞生長符合Monod動
? max ? 0.5?1 , K S ? 2 g / L, S0 ? 50 g / L, YX , 1 S ?

力學模型, 其
試問:

(1)在單一CSTR(連續攪拌式反應器)進行反 應,穩態下操作且無細胞死亡,欲達到最大的細胞 生產率,其最佳稀釋率是多少? (2)采用同樣大小N個CSTR相串聯,其D值相同, 若要求最終反應基質濃度降至1g/L以下,試求N至 少應為多少級?

? ? KS ? 2 ? ?1 (1)根據 D max ? ? max ?1 ? ? ? 0.5?1 ? ? ? 0.402 h K S ? S0 ? 2 ? 50 ? ? 解: ? ? (2)對第一個反應器,其 出口濃度分別為 S1 ? K S ? D max 2 ? 0.402 ? ? 8.2g / L, ? max ? D max 0.5 ? 0.402

X1 ? YX S (S0 ? S1 ) ? 1? (50 ? 8.2) ? 41 .8g / L 將S1、X1代入下式:

1 1 D ? X1 S2 ? S1 ? ? 2 X 2, X 2 ? D YX S D ? ?2
x2 ? YX / S D

?2

?S1 ? S 2 ?

? x ? ? 2 ? D? 1 ? 1 ? ? x ? 2 ? ?

因此

S2 ? S1 ?

1 1 D ? X1 ?2 D YX S D ? ?2 0.402 ? 41 .8 0.402 ? ? 2

? 8.2 ? 2.48? 2 又因為 故有: ? 2 ? ? max
2

S2 0 .5 ? S 2 ? K S ? S2 2 ? S2

S2 ? 228 .7S2 ? 67 .1 ? 0 S2 ? 0.3g / L

故采用 N ? 2, 即兩個等體積 CSTR 串聯能滿足本題需求。 并求得 ? 2 ? 0.065 h ?1 X2 ? 49 .7g / L

看一下N=3時的情況:
若N ? 3時,有 1 1 S3 ? S 2 ? ?3X3 D YX S C X3 由上面兩式得: 1 1 D ? X2 S3 ? S 2 ? ?3 D YX S D ? ? 3 D ? X2 ? D ? ?3

? max S3 又有 ? 3 ? K S ? S3 S3 ? 0.3 ? 2.48
2

0.5S3 0.402 ? 49 .7 2 ? S3 0.402 ? 0.5S3 2 ? S3

整理得: S3 ? 261 .26S3 ? 2.46 ? 0 解得: S3 ? 0.1g/L ? 3 ? 0.0238 h ?1 X3 ? 49 .9g/L

連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵
? 進行細胞回流的單級連續發酵
?

概念:進行單級連續發酵時,把發酵罐流出的發酵液 進行分離,經濃縮的細胞懸浮液送回發酵罐中。 優點:提高了發酵罐中的 細胞濃度,也有利于 提高系統的操作穩定 性。

連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵
? 細胞生長動力學方程
?

細胞的物料衡算(μ與D的關系)

積累的細胞=進入培養液中的細胞+再循環流入的細胞 -流出的細胞+生長的細胞-死亡的細胞

?1 ? a ?F x ? ?x ? ?x dx1 F aF ? x 0 ? ? Cx 1 ? 1 1 1 dt V V V

連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵
假定: 細胞死亡很少( ?=0) 培養基無菌加入(x0=0) D=F/V 由穩態條件

dx1 ?0 dt aDCx1 ? ?1 ? a ?Dx1 ? ?x1 ? 0
?? ? D?1 ? a ? aC?



連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵
?

限制性基質的物料衡算(x1與D的關系)

積累的基質 = 進入基質+循環流入基質-流出基質消耗的基質

?1 ? a ?F S ? ?x1 dS F aF ? S0 ? ? S ? dt V V V YX / S

連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵
? x1與D的關系

D=F/V
穩態時,dS ? 0
dt

?1 ? a ?F S ? ?x1 dS F aF ? S0 ? ? S ? dt V V V YX / S

?x1 ? DS0 ? aDS ? ?1 ? a ?DS ? YX / S

x1 ?
代入μ有:

D

?

YX / S ?S0 ? S ?

? ? D?1 ? a ? aC?

1 x1 ? ? YX / S ?S0 ? S? 1 ? a ? aC

連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵
1 ? ?1 1 ? a ? aC
∴ x1比單級無再循環的x要大 又

K S? ? mS D?1 ? a ? aC? ?? ?S? ? KS ? ks ? S ?m ? ? ? m ? D?1 ? a ? aC?

代入x1式, 得
YX / S ? D?1 ? a ? aC? ? ? S0 ? K S ? ? x1 ? ? 1 ? a ? aC ? ? m ? D?1 ? a ? aC? ? ?

連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵
? 最終流出的細胞量xe與 D關系
?

假定分離器無細胞生長和基質消耗,則有細胞物料衡算式: 流入分離器細胞=流出分離器細胞+ 再循環細胞

?1 ? a ?Fx1

? Fx e ? aF ? Cx 1
? YX / S ?S0 ? S?

? x e ? ?1 ? a ? aC?x1

? K S D?1 ? a ? aC? ? ? YX / S ?S0 ? ? ? m ? D?1 ? a ? aC? ? ?

連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵
? 舉例 :單級細胞再循環連續培養的應用
設系統的 ? m ? 1h ?1 , YX / S ? 0.5g / l, K S ? 0.2g / l, S0 ? 10 g / l,

C ? 2, a ? 0.5
?對于回流系統有:

YX / S ? K S .D?1 ? a ? aC? ? D x1 ? ?S0 ? ? ? 10 ? 1 ? a ? aC ? ? m ? D?1 ? a ? aC? ? 5?2 ? D ?

連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵
D2 Dx1 ? 10 D ? 5?2 ? D ?

xe ?

? K S .D?1 ? a ? aC? ? D ? 5? YX / S ?S0 ? ? 10?2 ? D ? ? m ? D?1 ? a ? aC? ? ?

D?1 ? a ? aC? D S ? KS ? ? m ? D?1 ? a ? aC? 5?2 ? D ?

連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵
?

對于無回流系統有:

D D x ? YX / S ?S0 ? S ? ? 5 ? ? 5? ? Xe 10?1 ? D ? 10 ?2 ? D ?

D2 Dx ? 5 D ? 10 ?1 ? D ?

KS D D S? ? ? m ? D 5?1 ? D ?

連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵

細胞回流與不回流的單級連續發酵比較
A-細胞回流時的穩態X;B-細胞回流時的穩態DX;C-細胞回流時的 穩態Xe;D-細胞不回流時的穩態X;E-細胞不回流時的穩態DX

連續發酵動力學-理論
? 應用
? 有助于了解和研究細胞生長、基質消耗和產物

生成的動力學規律,從而優化發酵工藝。
? 便于研究細胞在不同比生長速率下的特征。

連續發酵動力學-理論
? 應用
? 利用連續培養的選擇性進行富集培養菌

種選擇及防污染處理。

連續發酵動力學-理論
?

在底物濃度為S情

況下雜菌Y的生長速
率μy比系統的稀釋 速率D要小
?

Y的積累速率 :
dY ? dt

?yY ? DY

結果是負值,表明雜菌 不能在系統中存留

連續發酵動力學-理論
底物濃度為S的情 況下雜菌Z能以比D大 的比生長速率下生長 dZ ? ? Z Z ? DZ dt
?

? Z 比D大的多,故 dZ/dt是正的,雜菌Z積累,系統中底物濃 度下降到S’,此時? Z =D,建立新的穩態。此時生產菌X的比生 長速率? X 比原有的小。 X <D,故將生產菌從系統中淘汰 ?

連續發酵動力學-理論
雜菌W 入侵的成敗取決于系統的稀釋速率。 ? 由圖可見,在稀釋速率為0.25Dc(臨界稀 釋速率)下,W競爭不過X而被沖走 .
?

連續培養中雜菌能否 積累取決于它在培養系 統中的競爭能力

連續發酵動力學-理論
? 應用
? ?

遺傳穩定性研究 選擇適當的物質作為限制性基質,可使連續發酵中細 胞代謝產物的生產大大提高。 連續發酵提高生產率

?

連續發酵動力學-理論
? 應用-提高生產率
XF ? tR ? tP ?分批發酵:生產周期 t B ? t L ? ln ?m X 0
式中:tL--延遲期所占用時間; tR—放料時間 tP—清洗發酵罐、培養基、滅菌、冷卻所需時間

1

xF—發酵終點細胞濃度; x0—接種后細胞濃度

假定分批發酵的指數生長期延續到限制性基質 耗盡,這時達到最大細胞濃度xF

連續發酵動力學-理論
? 應用-提高生產率

分批發酵的細胞生產率為:

PCB

xF ? x0 ? ? 1 tB ?

YX / S S 0 xF ln ? tL ? tR ? tP x0 m

連續發酵動力學-理論
? 應用 -單級連續發酵最大生產率
?Dx ?m
? K S ? S0 KS ? ? ? YX / S ?m S0 ? ? ? S0 S0 ? ? ?
2

PCC ? YX / S ? m S0, ?S0 ?? K S ?

單級連續發酵與分批發酵最大生產率之比為:

PCC xF ? ln ? ? m ?t L ? t R ? t P ? PCB x0
可見,細胞的μ m越大,輔助操作時間越長, 連續發酵的優勢就越大。

? 應用-青霉素連續發酵與分批發酵對比
?

實驗數據如下:

t

24h (生長罐)
P1=0.07g/L X1=7g/L

48h (生產罐)
P2=0.4g/L
dP 2 ? 0.018 g / L ? h dt

60h
P3=0.62g/L
dP 3 ? 0.012 g / L ? h dt

求操作參數D?并比較連續發酵與分批發酵的生產率。

? dx ? ? ? ? 0.415 g / L ? h ? dt ?

計算:采用連續發酵時
1 dx1 1 D1 ? ?1 ? ? ? 0.415 ? 0.0593 h ?1 第一罐: x1 dt 7

dP 第二罐:由 FP2 ? FP ? 2 V2 1 dt

dP D2 ( P2 ? P ) ? 2 1 dt

0.018 ? D2 ? ? 0.0545 h ?1 0.4 ? 0.07

為了保證串聯穩定,兩罐稀釋率差異用體積差 異進行調節。 ∵F相同

F F ?V1 ? ,V2 ? D1 D2
1 1 tn ? ? ? 35.3h D1 D2

產物在串聯系統停留時間
產物形成速率

P2 0.4 DP2 ? ? ? 0.011 g / L ? h tn 35.3

而分批發酵時, tn=48h, P=0.4g/L

故產物形成速率 DP=0.4/48=0.0083g/L· h
(比連續發酵低)

為充分利用基質,再加一罐(第三罐)(相當于60h)
dP 1 ?1 3 D3 ? ( ) ? 0.0545 h P3 ? P2 dt

tn=1/D1+ 1/D2+ 1/D3=53.7h

產物形成速率 P3/tn=0.0115g/L · h
分批發酵 P3/t3=0.62/60=0.0103g /L · h

連續發酵動力學-理論
? 優缺點
? 添加新鮮培養基,克服養分不足所導致的發酵過

程過早結束,延長對數生長期,增加生物量等;
? 在長時間發酵中,菌種易于發生變異,并容易染

上雜菌;
? 如果操作不當,新加入的培養基與原有培養基不

易完全混合。

什么是補料分批發酵?
?

補料分批培養(Fed-batch culture):

分批發酵過程中補充培養基,不從發酵
體系中排出發酵液,使發酵液的體積隨著發

酵時間逐漸增加 。

補料分批發酵動力學
? 概念:在發酵過程中,不連續地向發酵

罐內加入培養基,但不取出發酵液的發 酵方式。
? 特點:由于培養基的加入,發酵液體積

不斷增加。

補料分批發酵動力學
?

半連續發酵概念:

在發酵過程中,每隔一定時間,取出 一定體積的發酵液,同時在同一時間間隔 內加入相等體積的培養基,如此反復進行 的發酵方式。
?

特點:

稀釋率、比生長速率以及其它與代謝 有關的參數都將發生周期性的變化。

補料分批發酵動力學
? 類型
?

補料方式

連續流加 不連續流加 多周期流加 快速流加 恒速流加 變速流加

? 流加方式

?以補加的培養基成分來區分 單一組分補料 多組分補料

補料分批發酵動力學
?

整個發酵罐中細胞、限制性基質和產物總量的變化速 率可用下式表示:

d ?xV ? ? ?xV dt
d ?SV ? 1 d ? xV ? ? ? FS0 ? dt dt YX / S





d ?PV ? ? qP xV dt



補料分批發酵動力學
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細胞總量的變化率為

d ?xV ? dx dV ?V ?x dt dt dt



dV 若為恒速流加,培養基流量為F, 則 ?F ⑤ dt
合并①、④、⑤式 得

dx ?xV ? V ? xF dt

dx F ? ( ? ? ) x ? ( ? ? D) x dt V

補料分批發酵動力學
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同樣可以推導出限制性基質和產物濃度的變化率:
d ?SV ? dS dV dS ?V ?S ?V ? SF dt dt dt dt


合并②、⑥式 得

FS0 ?

1 YX / S

dS d ? xV ? ?V ? SF ? dt dt

補料分批發酵動力學
又∵

d ?xV ? ? ?xV dt



dS ?x ? D?S0 ? S ? ? dt YX / S

補料分批發酵動力學
d ?PV ? dV dP dP ?P ?V ? FP ? V ? qP xV dt dt dt dt

dP F ? qP x ? P ? q p x ? PD dt V
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dx dS 擬穩態時 ? 0, ?0 dt dt

這時 ? ? D

補料分批發酵動力學
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對于恒速流加,細胞的比生長速率對時間的 變化率為:
d? d ? F ? F2 F2 ? ? ??? 2 ?? 2 dt dt ? V ? V ?V0 ? Ft ?

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長時間流加培養之后 d? ? ? 1 dt t2

補料分批發酵動力學
? 優點
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可以解除底物的抑制、產物反饋抑制和葡萄糖分解阻遏效 應。 避免在分批發酵中因一次性投糖過多造成細胞大量生長, 耗氧過多,以至通風攪拌設備不能匹配的狀況。 菌體可被控制在一系列連續的過渡態階段,可用來作為控 制細胞質量的手段。 與連續發酵相比,補料分批發酵的優點在于:①無菌要求 低;②菌種變異,退化少;③適用范圍更廣。

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本章小結
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發酵動力學研究的主要對象為微生物群體,而非單個微生物菌體,即 從宏觀上研究發酵過程。

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通過對最簡單的封閉式分批發酵的微生物生長動力學、底物消耗動力 學及產物合成動力學單獨建立數學模型開始,找到三個動力學之間的 聯系。

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基于分批發酵的優缺點,引申出連續發酵和補料分批發酵,并以分批 發酵動力學為基礎,進一步探討連續和補料分批發酵的動力學模型。

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掌握MONOD方程,熟悉各類發酵動力學的數學模型及其參數的求解, 有利于在發酵過程調控過程中以理論為指導,并理論結合實際,達到 高效、高產和高轉化率的發酵目的。


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