《生物反应动力学》PPT课件.ppt

生物反应动力学,菌体生长,基质消耗,产物生成,最佳工艺条件的控制,菌体生长速率 基质消耗速率 代谢产物的生成速率,第一节 生物反应过程动力学描述,菌体生长速率：单位体积、单位时间生长的菌体量（g/h.L),dc(X),dt,= c(X),或,除受细胞自身的遗传信息支配外，还受环境因素的影响。,vx=,碳源+氮源 + 氧 细胞 +产物+CO2+H2O,X + P + CO2+H2O,细胞得率系数：即每消耗1g基质所生成的细 胞克数,YX/S=,X-X0,S0-S,=,基质的消耗速率vs,vs=,=,=,S0-S,X-X0,S,N,O2,+,+,vs,c(X),当基质既是能源又是碳源时，就应考虑维 持能量，即：,碳源总消耗量 =,用于生长的 消耗速率,+,用于维持代谢 的消耗速率,1,YG,c(X),菌体生长得率系数,m,菌体维持代谢 的维持系数,+,=,v =,v,vx,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。,vp=,dc(P),dt,产物的比生成速率Q：,Q =,vp,c(X),一、生物反应动力学分类 二、发酵方法,第二节 生物反应模式与发酵方法,发酵动力学分类,类型 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 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 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,以菌体细胞量为基准 的产物生成系数，g/g,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,vP=,dc(P),dt,=,YP/X,dc(X),dt,=,YP/X,c(X),QP=,YP/X,vP,c(X),=,c(X),c(X),=,YP/X,混合型 生长与产物形成部分相关,dc(P),dt,=,dc(X),dt,+,c(X),dc(P),dt,=,c(X),g/(g细胞.h),非生长偶联型 细胞生长时无产物形成，但细胞停止生长后，有大量产物积累，产物的形成量只与细胞的积累量有关,或,QP=,+,与生长偶联的产物形成系数，g/g细胞,非生长偶联的比生产速率，g/(g细胞.h),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。,反复分批式操作：是指分批式操作完成后，取出部分反应系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作进行。 反复半分批式操作：流加操作完成后，取出部分反应系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作。 连续式操作：反应开始后，一方面把底物连续地供给到反应器中，同时又将反应液连续不断地取出，使反应过程处于稳定状态，反应条件不随时间变化。,是指在一个密闭系 统内，投入有限数 量的营养物质后接 入少量微生物菌种 进行培养，使微生 物生长繁殖，在特 定条件下只完成一 个生长周期的微生 物培养方法。,概念,微生物所处的环境是 不断变化的； 可进行少量多品种的 发酵生产； 发生杂菌污染能够很 容易终止操作； 对原料组成要求较粗 放； 当运转条件发生变化 或需要生产新产品时， 易改变处理对策。,特点,概念 特点,是指在分批培养过程 中，间歇或连续地补 加新鲜培养基的培养 方法。,特点,概念 特点,可以解除培养过程中的底 物抑制、产物的反馈抑制和 葡萄糖的分解阻遏效应。 对于好氧过程，可以避免 在分批培养过程中因一次性 投糖过多，造成细胞大量生 长，耗氧过多，从而加剧氧 的供需矛盾。 微生物细胞可以控制在一 系列连续的过渡态阶段，可 用来控制细胞的质量。 不会产生微生物菌种的老 化和变异。,提供了一个微生物在恒定状态下高速生长的环境，便于进行微生物的代谢、生理、生长和遗传特性的研究。 减少了辅助操作时间，提高了生产效率。 产物质量较稳定。 可作为分析微生物的生理、生态及反应机制的有效手段。 所需的设备和投资较少；便于实现自动化；可节省人力、物力。 在长时间的培养过程中，微生物菌种易发生变异，发酵过程中易染菌。,特点,概念 特点,close,分批发酵动力学 补料分批发酵动力学 连续发酵动力学,第三节 微生物发酵动力学,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,c,停滞期：接种物的 生理状态和浓度是 决定停滞期长短的 关键。,对数生长期：单位时间内 细胞的数目或质量的增加 维持恒定并达到最大值。,稳定期：微生 物的质量基本 维持稳定。,衰亡期,dc(X),dt,=,c(X),倍增时间（td）：微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间。,td=,ln2,=,o.693,dc(X),dt,c(X),=,当以碳氢化合物作为微生物的营养物质时其生长速率不符合对数规律。,ln,ct(X),c0(X),=,t,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,c(S),=,m,Ks,+,c(S),Ks,其物理意义：当比生长速率为最大比生长速率一半时的限制性营养物质浓度。它的大小表示了微生物对营养物质的吸收亲合力大小。 KS越大，表示微生物对营养物质的吸收亲和力越小；反之就越大。,饱和常数，mg/L。,m 微生物的最大比生长速率，h-1。,m随微生物的种类和培养条 件的不同而不同，通常 为0.0862.1h-1,m/2,m,c(S),c(S),KS时,KS,=,m,KS,c(S),a,b,c,c(S),KS时,=,KI,+,c(S),m,KI,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。,细胞得率系数（YX/S g）：消耗1g营养 物质生成的细胞的质量。,产物得率系数（YP/S g）：消耗1g营养 物质生成产物的质量。,YX/S=,c(X)-c0(X),c0(S)-c(S),YP/S=,c(P)-c0(P),c0(S)-c(S),=,c(X),c(S),=,c(P),c(S),YX/O=,c(X)-c0(X),c0(O)-c(O),=,c(X),c(O),-,dc(S),dt,=,c(X),YX/S,dc(P),dt,=,YP/X,dc(X),dt,-,dc(S),dt,=,c(X),YG,+,mc(X),+,YP,1,dc(P),dt,+,c(X) ,-,dc(S),dt,=,c(X),YG,+,mc(X),+,YP,1,dc(P),dt,+,c(X) ,c(X),c(X) ,v =,YG,+,m,+,QP,YP,+,则：,v =,YG,+,m,v,=,dc(X),dt,YX/S,c(X) ,=,c(X),1,YX/S,=,YG,+,m,1,=,YX/S,产物形成与细胞生长相关,dc(P),dt,=,YP/X,dc(X),dt,=,YP/X,c(X),产物形成与细胞生长无关联,dc(P),dt,=,c(X),产物形成与细胞生长部分相关,dc(P),dt,=,YP/X,c(X),+,c(X),生产率（P）=,产物浓度,发酵时间,t =,1,m,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,m,ln,ct(X),c0(X),ct(X) -,c0(X),+,tL,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。,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(Lh-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：,当,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Dm,F,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,YX/S,c0(S) =,由,知,dc(S),dt,=,0,dc(X),dt,=,0,D,在准恒定状态下，由,c(S),DKS,m-D,=,+,F,c0(S) t,YX/S,= =D,mc(S),KS+c(S),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,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),c(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, k,F,V,c (X),c(X),+,dc(X),dt,=,-,dc(X),dt,=,0,F,V,c (X),=,c(X),F,V,=,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,c(X),YX/S,c(X),m,QPc(X),YP/S,dc(S),dt,F,V,c (S),c0(S),F,V,c(X),YX/S,c(X),m,QPc(X),YP/S,dc(S),dt,-,-,-,-,=,c0(S),流入发酵罐的营养物的浓度，g/L,c (S),流出发酵罐的营养物的浓度， g/L,一般条件下：,c(X),m,c(X)/,YX/S,dc(S),dt,= 0,F,V,c (S),c0(S),F,V,c(X),YX/S,-,-,=,0,D, ,c0(S),-,c (S),=,c(X)/,YX/S,c(X),=,YX/S, ,-,c (S),c0(S),细胞浓度与稀释率的关系,D=,Dcc(S),Ks+c(S),=,c(S),m,Ks,+,c(S),Dc,临界稀释率，即在恒化器中可能达到 的最大稀释率。,c(X),=,YX/S, ,-,c0(S),DKs,m,-,D,分别表示了c(S)和c(X)对培养基稀释率的 依赖关系。,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=m时，c(X)下降到0 开始，c(S)随D的增加而缓慢增加,当D=m时，c(S)c0(S)。 当c(X)=0时达到“清洗点”，即有：,c0(S),=,DKs,m,-,D,则：,D,=,mc0(S),Ks,+,c0(S),因,c0(S),Ks,+,c0(S),=1，,所以,D=,m,当Dm时，系统不可能达到恒定状态。 D只稍微低于m,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),c(X),=,YX/S,