1、生物反應分類生物反應分類一、一、通過細胞培養，利用細胞產生的酶系統，把培養基中的物通過細胞培養，利用細胞產生的酶系統，把培養基中的物質轉化成新的質轉化成新的細胞細胞及其及其代謝產物代謝產物。 底物底物 新的細胞新的細胞 + + 代謝產物代謝產物二二、在、在酶的作用酶的作用下，底物反應生成產物。下，底物反應生成產物。 淀粉淀粉 糊精糊精 + + 低聚糖低聚糖 細胞細胞 淀粉酶淀粉酶發酵的目的發酵的目的 獲得產物獲得產物，提高發酵生產率，即提高微生物的催化與轉化，提高發酵生產率，即提高微生物的催化與轉化能力。能力。 降解有害底物，保護環境。降解有害底物，保護環境。 降解廢棄底物，形成生物能源產品。

2、降解廢棄底物，形成生物能源產品。 降解長鏈烴底物形成發酵產物，促進采油。降解長鏈烴底物形成發酵產物，促進采油。發酵研究的關鍵問題發酵研究的關鍵問題 提高生物催化與轉化能力。提高生物催化與轉化能力。 分子水平分子水平 酶催化反應活性酶催化反應活性 酶基因表達調控酶基因表達調控 細胞水平細胞水平 一系列酶促反應的交互一系列酶促反應的交互 細胞水平的綜合細胞水平的綜合 細胞生長、細胞生長、底物消耗、底物消耗、產物合成產物合成 反應器水平反應器水平 一系列細胞酶促反應的集成一系列細胞酶促反應的集成 規模放大對細胞及分子水平的影響及控制規模放大對細胞及分子水平的影響及控制優化發酵過程達到高產目標的方法優

3、化發酵過程達到高產目標的方法 提高轉化率和效率的三個方面。提高轉化率和效率的三個方面。 發酵動力學研究發酵動力學研究 對現有微生物對現有微生物本征本征動力學認識，弄清不同水平的主要影動力學認識，弄清不同水平的主要影響因素和控制措施。響因素和控制措施。 菌種選育菌種選育 改造、修飾和構建改造、修飾和構建 工程措施工程措施 反應器結構及操作性能優化，提高混合、傳熱、傳質以反應器結構及操作性能優化，提高混合、傳熱、傳質以及細胞間的信號傳遞，調控細胞群體的發酵能力。及細胞間的信號傳遞，調控細胞群體的發酵能力。發酵動力學研究方法發酵動力學研究方法 基于基于細胞水平細胞水平展開，包括展開，包括活細胞活細胞

4、、休眠細胞休眠細胞（休止細胞或（休止細胞或靜止期細胞）和靜止期細胞）和死亡細胞死亡細胞形成產物過程的形成產物過程的定量研究定量研究。 什么是發酵動力學？什么是發酵動力學？發酵動力學：發酵動力學：研究研究微生物生長微生物生長、產物合成產物合成、底物消耗底物消耗之間之間動態定量關系動態定量關系，定量描述定量描述微生物微生物 生長生長 和和 產物形成產物形成 過程。過程。主要研究主要研究：1、發酵動力學參數特征：微生物生長速率、發酵產物合成、發酵動力學參數特征：微生物生長速率、發酵產物合成速率、底物消耗速率及其轉化率、效率等；速率、底物消耗速率及其轉化率、效率等；2、影響發酵動力學參數的各種理化因子

5、；、影響發酵動力學參數的各種理化因子；3、發酵動力學的數學模型。、發酵動力學的數學模型。 一、認識發酵過程的規律；一、認識發酵過程的規律；二、合理設計的發酵過程，確定二、合理設計的發酵過程，確定最優發酵過程最優發酵過程參數參數，如：基質濃度、溫度、，如：基質濃度、溫度、pHpH、溶氧，等、溶氧，等等，確定最佳發酵工藝條件；等，確定最佳發酵工藝條件；三、提高三、提高發酵產量發酵產量、效率和轉化率等。、效率和轉化率等。生化反應：生化反應： aA + bB cC + dD反應動態平衡 改變條件 破壞平衡如何能最快最多的獲得目的產物溫度酸堿度濃度催化劑催化劑如何確定高產高效的最佳條件？采用反應動力學方

6、法采用反應動力學方法進行定量研究進行定量研究動力學主要探討動力學主要探討反應速率反應速率問題：問題： 課程重點：主要針對微生物發酵的課程重點：主要針對微生物發酵的表觀動力學表觀動力學，通過，通過研究微生物群體的生長、代謝，定量反映細胞群體酶研究微生物群體的生長、代謝，定量反映細胞群體酶促反應體系的促反應體系的宏觀變化速率宏觀變化速率，主要包括：，主要包括： 細胞生長動力學細胞生長動力學 底物消耗動力學底物消耗動力學 產物合成動力產物合成動力 重點定量研究底物消耗與細胞生長、產物合成的動態關重點定量研究底物消耗與細胞生長、產物合成的動態關系，分析參數變化速率，優化主要影響因素。系，分析參數變化速

7、率，優化主要影響因素。 但研究過程中將涉及三個層次的研究方法，達到認識微但研究過程中將涉及三個層次的研究方法，達到認識微生物本質特征、解決發酵工業問題的目的。生物本質特征、解決發酵工業問題的目的。發酵動力學研究的基本過程發酵動力學研究的基本過程 l 首先研究微生物生長和產物合成限制因子；首先研究微生物生長和產物合成限制因子；l 建立細胞生長、基質消耗、產物生成模型；建立細胞生長、基質消耗、產物生成模型；l 確定模型參數確定模型參數； l 實驗驗證模型實驗驗證模型的可行性與適用范圍；的可行性與適用范圍；l 根據模型實施最優控制根據模型實施最優控制。 本章主要內容本章主要內容 分批發酵動力學分批發

8、酵動力學 連續發酵動力學連續發酵動力學 補料分批發酵動力學補料分批發酵動力學什么是分批發酵？ 分批發酵：準封閉培養，指一次性投料、接分批發酵：準封閉培養，指一次性投料、接種直到發酵結束，屬典型的種直到發酵結束，屬典型的非穩態過程非穩態過程。 分批發酵過程中，微生物生長通常要經歷延分批發酵過程中，微生物生長通常要經歷延滯期、對數生長期、衰減期、穩定期（靜止滯期、對數生長期、衰減期、穩定期（靜止期）和衰亡期五個時期。期）和衰亡期五個時期。典型的分批發酵工藝流程圖分批發酵過程 t1 t2 t3 t4 t5 分批發酵時典型的微生物生長動力學曲線 菌體濃度X時間 t分批發酵動力學-細胞生長動力學 微生物

9、細胞倍增時間與群體生長動力學微生物細胞倍增時間與群體生長動力學 細菌：典型倍增時間細菌：典型倍增時間1hr 酵母：典型倍增時間酵母：典型倍增時間2hr 放線菌和絲狀真菌：典型倍增時間放線菌和絲狀真菌：典型倍增時間48hr 微生物細胞群體生長動力學是反映微生物細胞群體生長動力學是反映整個群體整個群體的生長特征，而的生長特征，而不是單個微生物生長倍增的特征。不是單個微生物生長倍增的特征。 因此，因此，菌齡是指一個群體的表觀狀態菌齡是指一個群體的表觀狀態。關于關于菌齡菌齡的描述的描述 分批發酵動力學分批發酵動力學 細胞生長動力學細胞生長動力學 基質消耗動力學基質消耗動力學 產物形成動力學產物形成動力

10、學 微生物生長特性通常以單位細胞濃度或細胞數量在單位時間內的增加量來表示（、n）：dtdXX1dtdNNn1或tteXX0ttneNN0或X細胞濃度（g/L）；N細胞個數； t生長時間；X0、Xt初始微生物濃度和t時細胞濃度；N0、Nt初始細胞個數和t時細胞個數； 以細胞濃度表示的比生長速率； 以細胞數量表示的比生長速率。 n分批發酵動力學-細胞生長動力學llag: x不變不變, , 即即lexp:(假定無抑制作用存在假定無抑制作用存在)0, 0dtdx00lnln1xxtxxdtdxxmmmtme分批發酵動力學-細胞生長動力學lDeclineDecline（開始出現一種底物不足的限制）（開始

11、出現一種底物不足的限制）: : (1) (1)若不存在抑制物時若不存在抑制物時 Monod Monod 模型模型: : sKssm分批發酵動力學-細胞生長動力學S限制性基質濃度限制性基質濃度，mol/m3Ks底物親和常數底物親和常數(也稱半飽和速度常數），表示微也稱半飽和速度常數），表示微生物對底物的親和力生物對底物的親和力 , mol/m3 ； Ks越大，親和力越大，親和力越小，越小， 越小。越小。 當當S較高時，較高時，(對數期滿足對數期滿足S10Ks)，此時，此時，= m 當當S較低時較低時，(減速期減速期， S10Ks)，此時此時S， 減速期，減速期， 分批發酵動力學-細胞生長動力學s

12、KssmtsKsxxsm0lnlntexx0比生長素率限制性底物殘留濃度St 殘留的限制性底物濃度對微生物 比生長率的影響 表征與培養基中殘留的生長限制性底物St的關系 tSKtSmsMonod方程： Ks底物親和常數，等于處于1/2m時的底物濃度，表征微生物對底物的親和力，兩者成反比。酶促反應動力學米氏方程：酶促反應動力學米氏方程：sKssm sKsVvmmmmSKs 111受單一底物酶促反應限制的微生物受單一底物酶促反應限制的微生物生長動力學方程生長動力學方程Monod方程：方程： Monod方程應用方程應用： 測定微生物對不同底物的親和力大?。y定微生物對不同底物的親和力大小（Ks值）值

13、） 實驗確定適于微生物生長的最佳底物（實驗確定適于微生物生長的最佳底物（ ？）？） 比較不同底物發酵最終殘留的大?。ū容^不同底物發酵最終殘留的大小（ ？）？） 比較不同微生物對同一底物的競爭優勢，確定連續培比較不同微生物對同一底物的競爭優勢，確定連續培養的稀釋率養的稀釋率lStationary（不生長或生長率與死亡率相等）: ldying: atxxm lnlnatmexxmax01xxdtdxx，（濃度最大）（濃度最大）分批發酵動力學-細胞生長動力學a(比死亡速率比死亡速率 ，s-1)分批發酵動力學l 假定整個生長階段無抑制物作用存在，則微生物生長動假定整個生長階段無抑制物作用存在，則微生物

14、生長動力學可用力學可用階段函數階段函數表示如下：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其它模型其它模型1l在無抑制作用情況下（但有底物限制存在） SmKSexp1nSnmSKSSxKSSm分批發酵動力學-細胞生長動力學式中式中n為常數為常數 x為細胞濃度為細胞濃度l培養液中有抑制物的情形培養液中有抑制物的情形 高濃度基質抑制存在的情況下高濃度基質抑制存在的情況下 式中，式中，K Kisis為抑制常數，抑制作用越強，為抑制常數，抑

15、制作用越強，K Kisis越小越小 isSmKSSK/1分批發酵動力學-細胞生長動力學其它模型其它模型2 高濃度產物抑制的情況下高濃度產物抑制的情況下 )1 (kPSKSSm)exp( kPSKSSm)(21kPkSKSSm線性線性 指數指數 產物積累一定量才有產物積累一定量才有抑制作用抑制作用分批發酵動力學-細胞生長動力學其它模型其它模型2其中：k，k1，k2為常數CBAXS0初 始 底 物 濃 度菌 體 濃 度分批發酵中初始底物濃度對穩定期分批發酵中初始底物濃度對穩定期菌體濃度的影響菌體濃度的影響 AB區：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

16、度， 為針對底物為針對底物的細胞得率，初始的細胞得率，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：隨S0增加，菌體濃度達最高水平，再增加S0 ，菌體不再增加。 C區：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l 當培養基中存在多種限制性營養物時， Monod方程應改為？122221111max1innnnKiSKSKSKSKSKSK分批發酵動力學l 得率系數得率系數 指消耗單位營養物所生成的細胞或產物數量。其大小取指消耗單位營

17、養物所生成的細胞或產物數量。其大小取決于生物學參數決于生物學參數（,x ）和化學參數和化學參數（DO,C/N,磷含量等磷含量等） （1）生長得率系數生長得率系數 Yx/s、Yx/o、Yx/kcal：消耗每克營養物、每克分子氧以及每消耗每克營養物、每克分子氧以及每千卡能量所生成的細胞克數千卡能量所生成的細胞克數； Yx/c、 Yx/N、 Yx/p、Yx/Ave- ：消耗每克消耗每克C、每克每克N、每克每克P和每和每個有效電子所生成的細胞克數個有效電子所生成的細胞克數； Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的細胞克數。消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的細胞克數。 分批發酵動力學-基質基質消耗動力

18、學 消耗每克營養物消耗每克營養物（s）或每克分或每克分子氧子氧(O2)生成的產物生成的產物(P)、ATP或或CO2的克數。的克數。sCOsATPOPYYY/p/s22,Y分批發酵動力學-基質消耗動力學l 產物得率系數：產物得率系數： ： 定義：表觀得率定義：表觀得率 專一性得率專一性得率 *專一性用于生長的底物量專一性用于生長的底物量S不含用于維持能不含用于維持能耗及產物形成部分的用量。耗及產物形成部分的用量。sxYSX/spYSP/ sxYG sPYP分批發酵動力學-基質消耗動力學 基質消耗速率與生長、合成關系如下：基質消耗速率與生長、合成關系如下： 表觀：表觀： 專一性：專一性： SXSX

19、SXYxdtdxYdtdsdtdsYdtdx/1dtdpYdtdsdtdsYdtdpSPSP/1dtdpYmxYxdtdsPG1分批發酵動力學-基質消耗動力學為了扣除細胞量的影響為了扣除細胞量的影響，定義：基質比消耗速率定義：基質比消耗速率 產物比生成速率產物比生成速率 dtdsxqS1dtdPxqP1SqPPGYqmYSqSXY/分批發酵動力學-基質消耗動力學dtdpYmxYxdtdsPG1SXSXYxdtdxYdtds/1SPpsYqq/dtdpYdtdsSP/1SXY/PPGYqmYSPPYq/=若生長階段產物生成可以忽略，即若生長階段產物生成可以忽略，即 0PPYqmYYGSX11/分

20、批發酵動力學-基質消耗動力學1/Yx/s1/ 1/YGml 圖解法求微生物的本征參數圖解法求微生物的本征參數YG和和m分批發酵動力學-基質消耗動力學GSXYmY11/0GYPPSPqmYY11/ 若生產階段微生物生長可以忽略，若生產階段微生物生長可以忽略，分批發酵動力學-基質消耗動力學SXY/PPGYqmYSPPYq/=l 圖解法求微生物的本征參數圖解法求微生物的本征參數Yp和和mPPSPYqmY11/1/Yp/s1/qpm1/YP 根據發酵時間過程分析，微生物生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：長與產物合成存在以下三種關系：l與生長相關與生長相關生長偶聯型生長偶聯型

21、l與生長部分相關與生長部分相關生長部分偶聯型生長部分偶聯型l與生長不相關與生長不相關無關聯無關聯分批發酵動力學-產物形成動力學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 與生長相關與生長相關生長偶聯型：生長偶聯型：乙醇發酵乙醇發酵XPPxXPYqdtdxYdtdP/1/ 產物的生成是微生物細胞主要能量代謝的直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。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與生長部分相關生長部分偶聯型：生長部分偶聯型：檸檬酸、氨基酸發酵檸檬酸、

22、氨基酸發酵PqxdtdxdtdP 產物間接由能量代謝生成，不是底物的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直接氧化產物，而是菌體內生物氧化過程的主流產物（與初生代謝緊密關聯）。主流產物（與初生代謝緊密關聯）。 分批發酵動力學-產物形成動力學與生長不相關與生長不相關無關聯：無關聯：抗生素發酵抗生素發酵pqxdtdP若考慮到產物可能存在分解時，則若考慮到產物可能存在分解時，則PkxqPkxdtdPdpd 產物生成與能量代謝不直接相關，通過細胞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。進行的獨特的生物合成反應而生成。 分批發酵動力學-產物

23、形成動力學分批發酵動力學殺假絲菌素分批發酵動力學分析 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 。l 應用舉例應用舉例分批發酵的優缺點v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v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 連續發酵動力學連續發酵動力學什么是連續發酵？l 連續發酵概念：連續發酵概念： 在發酵過程中，連

24、續向發酵罐流加培養基，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培養液。同時以相同流量從發酵罐中取出培養液。 連續發酵特點：連續發酵特點： 添加培養基的同時，放出等體積發酵液，形成添加培養基的同時，放出等體積發酵液，形成連續生產過程，獲得連續生產過程，獲得相對穩定相對穩定的連續發酵狀態的連續發酵狀態。 連續發酵類型連續發酵類型： 單級單級連續發酵連續發酵 多級連續發酵多級連續發酵（一）連續發酵類型及裝置（一）連續發酵類型及裝置（二）連續發酵動力學模型（二）連續發酵動力學模型1.1.單級單級恒化器恒化器連續連續發酵發酵2.2.多級恒化器連續多級恒化器連續發酵發酵3.3.進

25、行進行細胞回流細胞回流的單的單級級恒化器恒化器連續連續發酵發酵（三）（三）連續連續發酵動力學理論的發酵動力學理論的應用應用 主要內容l 連續發酵類型及裝置連續發酵類型及裝置 罐式連續發酵罐式連續發酵 單級單級 多級串聯多級串聯 細胞回流式細胞回流式 塞流式連續發酵塞流式連續發酵連續發酵動力學-發酵裝置單級連續發酵示意圖單級連續發酵示意圖連續發酵動力學-發酵裝置-單級l 兩兩個個及以上的及以上的發酵罐串聯起來，前一級發酵罐的出發酵罐串聯起來，前一級發酵罐的出 料作為下一級發酵罐的進料料作為下一級發酵罐的進料。 連續發酵動力學-發酵裝置-多級串聯兩級連續發酵示意圖兩級連續發酵示意圖l罐式連續發酵罐

26、式連續發酵實現方法實現方法恒濁法：恒濁法：通過調節營養物的流加速度，利用濁度計檢通過調節營養物的流加速度，利用濁度計檢測細胞濃度，使之測細胞濃度，使之恒定恒定。恒化法：恒化法：保持某一限制性基質在一保持某一限制性基質在一恒定恒定濃度水平，使濃度水平，使菌的比生長速率菌的比生長速率保持一定。保持一定。培養基輸入培養基進入下一級發酵罐培養基進入后處理或到下一級發酵罐 多級罐式連續發酵裝置示意圖 連續發酵動力學-發酵裝置-多級串聯 a: 再循環比率（回流比）再循環比率（回流比） c: 濃縮因子濃縮因子 細胞回流細胞回流的單級連續發酵示意圖的單級連續發酵示意圖連續發酵動力學-發酵裝置-細胞回流式eSF

27、XF)1 (eXFcXF,發酵罐培養物流出無菌培養基流入供給連續接種再循環d連續發酵動力學-發酵裝置-塞流式 定義定義： 稀釋率稀釋率 D=F/V (h-1) F流量流量（m3/h） V培養液體積培養液體積（m3） 理論停留時間理論停留時間 DTL1連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵l 細胞的物料衡算細胞的物料衡算（和和D的關系的關系）對于對于單級單級恒化器恒化器：X0 =0 且通常有：且通常有： xxDxDxxdtdxxVFxVFdtdxG00 xDdtdx連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵積累的細胞（凈增量）積累的細胞（凈增量）= = 流入的細胞流入的細胞- -流出的細胞流出的

28、細胞+ +生長的細生長的細 胞胞- -死亡的細胞死亡的細胞0dtdxxdtdx, 0 xdtdx, 0連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵xDdtdxA A. .穩定狀態時穩定狀態時， 此時此時 =D（單級連續發酵重要特征單級連續發酵重要特征）B.B.不穩定時，不穩定時，當當D，積累的營養組分積累的營養組分= =流入量流入量- -流出量流出量- -生長消耗量生長消耗量- - 維持生命需要量維持生命需要量- -形成產物消耗量形成產物消耗量穩態時穩態時， =0=0,一般條件下一般條件下, ,mx DC ，則會出現：則會出現：DDC 由由 可知可知 負增長負增長，x，進入非穩態，進入非穩態，菌體

29、最終被洗出菌體最終被洗出，即即x=0 時時，達到達到“清洗點清洗點”，此時，此時， xDdtdx0dtdx00SKSDSmC連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵l 細胞濃度與稀釋率的關聯（細胞濃度與稀釋率的關聯（X X與與D D的關系）的關系） 應用應用Monod方程，此時，方程，此時， SKSDSm連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵l 生長模型生長模型 由兩個穩態方程可以推出由兩個穩態方程可以推出D D與與X X關聯的生長模型關聯的生長模型 當當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，最大臨界稀釋率此時，最大臨界稀釋率 當當 D

30、Dc= 時時，0/maxSYDxmSXmSmcSKSD00m0dtdx連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵20000/SKSSKSYDxSSmSXml 產物的物料衡算產物的物料衡算 產物變化率產物變化率= =細胞合成產物速率細胞合成產物速率+ +流入流入- -流出流出- -分解項分解項 當連續發酵處于穩態當連續發酵處于穩態， ， 且加料中不含產物，即且加料中不含產物，即 ，P分解速率可忽略分解速率可忽略。 得得PkPPDxqPkDPDPdtdPdtdPDPD)(00細胞合成0)(總變化dtdP00PxqDPP連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵 x, s, Dx與與D關系總結：關系總結

31、：DSSYxSX0/DDKSmSDDKSDYDxmSSX0/連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵xqDPPl 實實 例例 幾個假設幾個假設： 只受單一底物限制只受單一底物限制 Yx/s對一定的對一定的來講，為常數來講，為常數 DDC若已知若已知：考察：稀釋率（考察：稀釋率（D D）對細胞濃度）對細胞濃度(X)(X)、細胞生產率、細胞生產率(DX)(DX)和和底物濃度底物濃度(S)(S)的影響？的影響？ 底物胞kgkgYhlgSSXm/5.0,1,/10干 細/10lgKS/2.0連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵D)-0.2D/(1)/(SD)-0.1D/(1-D5DXD)-0.1D

32、/(1-5D)-0.2D/(1-0.510)/(0/DDKDDKSYXmSmSSX 稀釋率（稀釋率（D）對底物濃度對底物濃度(S)、細胞濃度細胞濃度(x)和和細胞生產率細胞生產率(DX)的影響。的影響。連續發酵動力學-理論-單級恒化器連續發酵01SKKDSSml多級恒化器的第一級多級恒化器的第一級動力學模型動力學模型 假設兩級發酵罐內培養體積相同，假設兩級發酵罐內培養體積相同，即即V1=V2；且第二級不加入新鮮培養基，；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）與單則對于第一級動力學模型（方程）與單級相同。級相同。連續發酵動力學-理論-多級多級恒化器連續發酵l 穩態時穩態時D1)

33、(10/1SSYxSXDDKSmS1)(0/1DDKSDYDxmSSX11xqDPP連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵l多級恒化器的第二級動力學模型多級恒化器的第二級動力學模型11111SKSkSSmsm22221SKSkSSmsm S1S0 ， S2S1 從第二級開始從第二級開始，比生長速率，比生長速率 不再等于稀釋率不再等于稀釋率D.D12n連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵l 第二級細胞物料衡算第二級細胞物料衡算 第二級穩態時第二級穩態時， 同理同理, ,由穩態方程可得，由穩態方程可得， 222212xxDxDxdtdx21221, 0 xxDdtdx)1 (1nnnxxD連

34、續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵l 第二級基質物料衡算第二級基質物料衡算 穩態時穩態時， SPPSXYxqmxYxDSDSdtdS/22/22212212/212/22)(0SSDYSSDYxdtdSSXSX連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵2121xxD21/12SSYxxSX21/10/21/12SSYSSYSSYxxSXSXSX20/2SSYxSX連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵l 第二級基質物料衡算第二級基質物料衡算 212/2SSDYxSXl S2的求解的求解 解此方程可得第二級發酵罐中穩態限制性基解此方程可得第二級發酵罐中穩態限制性基質濃度質濃度S2,再由式再由

35、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）連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵l 細胞形成產物的速率：細胞形成產物的速率：DP2 穩態時穩態時 22122212xqDPDPkPdtdPDPDPdtdPP細胞合成02dtdP21212xqxqxqDPDPPPP連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵l 第二級發酵罐產物濃度第二級發酵罐產物濃度 同理類推同理類推 DxqPPP212DxqPPnPnn1連續發酵動力

36、學-理論-多級恒化器連續發酵l 例題 已知某一微生物反應，其細胞生長符合Monod動力學模型， 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?1,/50,/2,5.001maxSXSYLgSLgK 解：代入下式：、將出口濃度分別為）對第一個反應器，其（根據1110SX1maxmaxmaxS110SSmaxmaxXSL/g8 .41)2 . 850(1)SS(YX,L/g2 . 8402. 05 .

37、 0402. 02DDKS2h402. 0502215 . 0SKK1D) 1 (21222SX12DXDX ,XY1D1SSL/g7 .49X h065. 0 CSTR 2NL/g3 . 0S 01 .67S7 .228S S2S5 . 0SKS 402. 08 .41402. 048. 22 . 8 DXDY1D1SS 2122222222S2max222212SX12并求得串聯能滿足本題需求。即兩個等體積，故采用故有：又因為因此32323323 332311 由上面兩式得： 11 時，有3若DXDYDSSDXDXXYDSSNSXSX看一下N=3時的情況：g/L9 .49X h0238.

38、0 Lg/1 . 0S 046. 2S26.261S S2S5 . 0402. 07 .49402. 0S2S5 . 048. 23 . 0S SKS 3133323333333S3max3解得：整理得：又有 二級連續發二級連續發酵中不同稀釋率酵中不同稀釋率下的穩態細胞濃下的穩態細胞濃度、限制性基質度、限制性基質濃度和細胞生產濃度和細胞生產率的變化。率的變化。連續發酵動力學-理論-多級恒化器連續發酵l 進行細胞回流的單級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。液進行分

39、離，經濃縮的細胞懸浮液送回發酵罐中。 a: 再循環比（回流比）（再循環比（回流比）（a1）連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵 優點：提高了發酵罐優點：提高了發酵罐中的細胞濃度和底物中的細胞濃度和底物的轉化率，也有利于的轉化率，也有利于提高系統的操作穩定提高系統的操作穩定性。性。l 細胞生長動力學方程細胞生長動力學方程 細胞的物料衡算細胞的物料衡算(與與D的關系的關系) 積累的細胞積累的細胞= =進入培養液中的細胞進入培養液中的細胞+ +再循環流入的細胞再循環流入的細胞 - -流出的細胞流出的細胞+ +生長的細胞生長的細胞- -死亡的細胞死亡的細胞111101xxxVFa1CxVa

40、FxVFdtdx連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵假定假定: 細胞死亡很少（細胞死亡很少（ =0） 培養基無菌加入（培養基無菌加入（x0=0） D=F/V由穩態條件由穩態條件 得得 01dtdx0 xDxa1aDCx111aCa1D連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵D111101xxxVFa1CxVaFxVFdtdx 限制性基質的物料衡算（限制性基質的物料衡算（x1與與D的關系）的關系）積累的基質積累的基質 = = 進入基質進入基質+ +循環流入基質循環流入基質- -流出基質流出基質- -消耗的基質消耗的基質 S/X10YxSVFa1SVaFSVFdtdS連續發酵動

41、力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵l x1與與D的關系的關系代入代入有：有：0dtdSS/X10YxDSa1aDSDSSSYDxSX0/1SSYaCa11x0S/X1連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵D=F/VaCa1D穩態時，穩態時，XSSYSX0/S/X10YxSVFa1SVaFSVFdtdSaCa1DaCa1DKSaCa1YxmS0S/X1連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵 x1比單級無再循環的比單級無再循環的x要大大aCa1DaCa1DKKSSkSmSmSsm又又代入代入x1式式, 得得1aCa11l 最終流出的細胞量最終流出的細胞量xe與與 D關系關系

42、 假定分離器無細胞生長和基質消耗，則有細胞物料衡算式： 流入分離器細胞流入分離器細胞= =流出分離器細胞流出分離器細胞+ + 再循環細胞再循環細胞1e1CxaFFxFxa1111xxaCaxeaCa1DaCa1DKSYmS0S/X連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵SSYaCa11x0S/X1l 舉例舉例 :單級細胞再循環連續培養的應用單級細胞再循環連續培養的應用D25D10aCa1DaCa1D.KSaCa1YxmS0S/X1連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵5 . 0a, 2C, l /g10S, l /g2 . 0K, l /g5 . 0Y,h10SS/X1m設系

43、統的設系統的對于回流系統有：對于回流系統有：DDDDxe21052D25DaCa1DaCa1DKSmS連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵DDDDx251021aCa1DaCa1D.KSYmS0S/XD210D5ex 對于無回流系統有對于無回流系統有：連續發酵動力學-理論-細胞回流單級恒化器連續發酵DDSSYxSX11050/DDDDx11052DDDDKSmS15eXD210D5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-細胞回流時的穩態細胞回流時的穩態X；B-細胞回流時的穩態細胞回流時的穩態DX；C-

44、細胞回流時的細胞回流時的穩態穩態Xe；D-細胞不回流時的穩態細胞不回流時的穩態X；E-細胞不回流時的穩態細胞不回流時的穩態DXl 應用應用 有助于了解和研究細胞生長、基質消耗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，從而優化發和產物生成的動力學規律，從而優化發酵工藝。酵工藝。 便于研究細胞在不同比生長速率下的特便于研究細胞在不同比生長速率下的特征。征。連續發酵動力學-理論 利用細胞再循環連續發酵技術進行廢利用細胞再循環連續發酵技術進行廢水的生化處理、發酵與產物分離耦合，水的生化處理、發酵與產物分離耦合，解除負反饋抑制，提高產量。解除負反饋抑制，提高產量。 利用連續培養的選擇性進

45、行富集培養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。菌種選擇及防污染處理。l 應用應用 連續發酵動力學-理論連續發酵動力學-理論v在底物濃度為S情況下雜菌Y的生長速率y比系統的稀釋速率D要小v Y的積累速率 ：DYyYdtdY 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v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 DZZdtdZZ 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 D，建立新的穩態。此時生產菌X的比生長速率 比原有的小。 D，故將生產菌從系統中淘汰 ZZXX連續發酵動力學-理論v雜菌W 入侵的成敗取決于系統的稀釋

46、速率。v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 l 應用應用 遺傳穩定性研究遺傳穩定性研究 連續發酵提高生產率連續發酵提高生產率連續發酵動力學-理論分批發酵：生產周期分批發酵：生產周期 式中式中：tL-延遲期所占用時間延遲期所占用時間； tR放料時間放料時間 tP清洗發酵罐、培養基、滅菌、冷卻所需時間清洗發酵罐、培養基、滅菌、冷卻所需時間 xF發酵終點細胞濃度發酵終點細胞濃度； x0接種后細胞濃度接種后細胞濃度 假定分批發酵的指數生長期延續到限制性基質耗假定分批發酵的指數生長期延續到限制性基質耗盡，這

47、時達到最大細胞濃度盡，這時達到最大細胞濃度xFPRFmLBttXXtt0ln1l 應用應用-提高生產率提高生產率 連續發酵動力學-理論BFCBtxxP0分批發酵的細胞生產率為分批發酵的細胞生產率為:連續發酵動力學-理論l 應用應用-提高生產率提高生產率 PRLFmSXtttxxSY00/ln1 可見可見, ,細胞的細胞的m m越大，輔助操作時間越長，越大，輔助操作時間越長，連續發酵的優勢就越大。連續發酵的優勢就越大。 SmSXCCKSSYP0, 0/PRLmFCBCCtttxxPP0lnl 應用應用 -單級連續發酵最大生產率單級連續發酵最大生產率連續發酵動力學-理論單級連續發酵與分批發酵最大生

48、產率之比為：單級連續發酵與分批發酵最大生產率之比為： 實驗數據如下：實驗數據如下：t 24h (生長罐生長罐） 48h （生產罐生產罐） 60h P1=0.07g/L P2=0.4g/L P3=0.62g/L X1=7g/L 求操作參數求操作參數D？并比較連續發酵與分批發酵的生產率？并比較連續發酵與分批發酵的生產率。hLgdtdP/018. 02hLgdtdP/012. 03hL/g415. 0dtdxl 應用應用-青霉素連續發酵與分批發酵對比青霉素連續發酵與分批發酵對比 計算：采用連續發酵時計算：采用連續發酵時第一罐第一罐： 第二罐：由第二罐：由111110593. 0415. 0711hd

49、tdxxD2212VdtdPFPFPdtdPPPD2122)(120545. 007. 04 . 0018. 0hD 為了保證串聯穩定，兩罐稀釋率差異用體積差為了保證串聯穩定，兩罐稀釋率差異用體積差異進行調節異進行調節。 F相同相同 產物在串聯系統停留時間產物在串聯系統停留時間 產物形成速率產物形成速率 2211,DFVDFVhDDtn3 .351121hLgtPDPn/011. 03 .354 . 022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/Lh （比連續發酵低）（比連續發酵低）為充分利用基質，再加一罐(第三罐)(相當于60h)1

50、32330545. 0)(1hdtdPPPDtn=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 hl 優缺點優缺點 添加新鮮培養基，克服養分不足所導致的添加新鮮培養基，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，增發酵過程過早結束，延長對數生長期，增加生物量等加生物量等； 在長時間發酵中，菌種易于發生變異，并在長時間發酵中，菌種易于發生變異，并容易染上雜菌；容易染上雜菌； 如果操作不當，新加入的培養基與原有培如果操作不當，新加入的培養基與原有培養基不易完全混合。養基不易完全混合。連續發酵動力學-理論什么是補料分批發酵？ 補料分批培養（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體系中排出發酵液，使發