微生物工程09反应动力学

第九章    微生物反应动力学,提纲,一、发酵类型动力学模型        1、第型           2、第型           3、第型二、分批培养动力学        1、分批培养中细胞的生长动力学           2、分批培养中基质的消耗动力学           3、产物的生成动力学三、连续培养动力学        1、连续培养的优点    2、单级连续培养          3、多级连续培养       4、细胞循环使用的连续培养          5、连续培养的实施,一、发酵类型,微生物反应动力学：        研究各种环境因素与微生物代谢活动之间相互作用随时间而变化的规律。发酵过程的动力学模型：        讨论产物形成与底物利用的关系。   如：碳源利用与产物形成速度的关系。,一、发酵类型,1、第型  产物形成直接与碳源利用有关特点：菌体生长、碳源利用和产物形成几乎都在           相同的时间出现高峰。（直接相关）分两种情况：    菌体生长类型：产物就是菌体；    代谢产物类型：产物是碳源的直接氧化产物。         如：酒精、乳酸、葡萄糖酸等。,一、发酵类型,2、第型  产物形成间接与碳源利用有关特点：第一时期，菌体迅速增长，产物很少或无；   第二时期， 产物高速形成，生长可能有第二峰；碳源利用出现两高峰。（部分相关）           其产物不是碳源的直接氧化产物，而是菌体代谢的主流产物，产量较高。分两类：    产物的形成是经过连锁富裕的过程；        如：丙酮丁醇    产物的形成不经过中间产物的积累。        如：谷氨酸,一、发酵类型,3、第型   产物形成表面上与碳源利用无                   关（不相关）特点：产物形成在菌体生长达最高时（稳定期）。           产量远低于碳源耗量，无准量关系。             如：抗生素、维生素等次级代谢产物。           产量一般不超过碳源耗量的10。,一、发酵类型,二、分批培养动力学,一次投料，一次接种，一次收获的间歇培养。      细胞、基质、产物浓度均随时间而不断变化。1、分批培养中细胞的生长动力学      延迟期：细胞增加少，培养基浓度对其长短影响不大；      对数生长期：细胞增加与种类、培养基、温度、PH、                     限制性基质浓度等因素有关；      减速期：营养物（限制性基质）不足，有害物积累，                     细胞增长速度下降；      稳定期：营养物（限制性基质）耗尽，有害物大量积                     累，细胞浓度达最大值；      衰亡期：细胞浓度下降，菌体开始死亡。,二、分批培养动力学,2、分批培养中基质的消耗动力学得率系数(倒数表示生成单位细胞或产物需要量)     菌体耗基质  Yx/s= X/ S      菌体耗氧     Yx/o= X/ O2         产物耗基质 YP/s= P/ S      产物耗氧     YP/O= P/ O2种不同，基质不同，系数各异。,二、分批培养动力学,基质消耗速率（以碳源讨论）                          ds    x                 1     dP      基质消耗：- = + m x +                                dt     YG               YP    dt     YG 、 YP 细胞、产物对基质的得率系数；    m  维持系数，单位质量干菌体在单位时间内，维持             代谢消耗的基质量；    比速率，单位质量干菌体在单位时间内，产物             生成或基质消耗的速率。,二、分批培养动力学,基质消耗速率（以碳源讨论）产物生成忽略 ：                                     1        1      m                               = +                                 Yx/s     YG                         Yx/s易测出，以不同的Yx/s作图，可图解法求出YG 与m对应值。而利用连续培育，易求出Yx/s与的关系，进而求出YG 与m。,二、分批培养动力学,3、产物的生成动力学第型 （直接相关）          dP            dX                                              = YP/X                                              dt             dt   第型 （部分相关）                dP          dX                                                        =  + X ：与生长关联的细胞生产能力；    dt           dt   ：非生长关联比生长速率； 第型（不相关）                     dP                                                                      = qP X KPK：不稳定产物的失活常数               dt,三、连续培养动力学,连续培养的两种方式：罐式；管式反应器。1、连续培养的优点：提高设备利用率和单位时间产量，只保持一个期的稳定状态；发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制；易于分期控制，可以在不同的罐中控制不同的条件。,三、连续培养动力学,2、单级连续培养物料平衡计算式：        流入速率=流出速率+消耗速率+积累速率D（稀释率）：单位时间内加入的培养基体积占罐内培养基体积的分率。=F/V达稳态后，    D=        （但D有一临界值DC）若DDC， D，X不断下降，最后罐中细胞被洗光。    细胞浓度X，限制性基质S，细胞生产速率DX与稀释率D的关系如图。,三、连续培养动力学,3、多级串联连续培养动力学多级串联连续培养可提高生产能力。   二级连续培养的细胞浓度X1、X2，限制性基质S1、S2，细胞生产速率DX1 DX2与稀释率D的关系如图。  DDC时，一、二级罐中细胞被洗光。  DDC时， X2 X1 ；S2 S1。    说明二级连续培养的限制性基质利用较完全。,三、连续培养动力学,4、细胞循环使用的单级连续培养动力学细胞回流的连续培养：流出液固液分离浓缩后的细胞悬浮液发酵罐优点：提高了发酵罐中的细胞浓度，有利于提高           连续培养系统的操作稳定性。    回流和不回流时，细胞浓度X，细胞生产速率DX（XC）与稀释率D的关系如图。