生化工程连续培养动力学PPT课件

-,1,D=F/V其中F：体积流率（体积/时间)流速稀释率（D）：体积流率与培养液体积之比。应用：1）单细胞蛋白、乙醇、溶剂、啤酒、废水处理、动物细胞培养、酶催化等领域2）生物代谢、生理、生化、遗传、生态等特性的研究。特征：连续培养进入稳定状态后，细胞的比生长速率与稀释率相同，培养液中的细胞、基质和产物浓度恒定，不随时间变化。,-,2,-,3,分批培养:底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。补料发酵:先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保持一定，反应终止取出反应系。,-,4,连续培养类型恒化器：具有恒定化学环境的反应器。以恒定不变的速率加入某一必需的限制性营养物。恒浊器：维持细胞密度恒定不变。营养恒定反应器pH自动恒化器CER恒化器溶氧恒化器摄氧恒化器,-,5,一、单级连续培养1、菌体平衡,对于细胞：体系积累速率=（进入-流出）速率+（生长-死亡）速率（g/h）VdX/dt=F(X0X)+V()X(1)对于普通的单级恒化器X0=0，=0，培养液体积不变dX/dt=(D)X(2)其中D=F/V,-,6,当连续培养处于稳态时，反应器中的细胞积累为零，即：dX/dt=0D=即在恒定状态时，比生长速率等于稀释速率,-,7,2、限制性底物的物料平衡,对于限制性底物：体系积累速率（进入流出）速率（生长形成产物维持代谢）所消耗速率(g/h,mol/h)VdS/dt=F(S0S)(dX/dt/YG+dP/dt/Yp+mX)V(3)dS/dt=D(S0S)(/YG+qp/Yp+m)X(4)当连续培养处于稳态时，反应器中的基质的积累为零，即：dS/dt=0D(S0S)(/YG+qp/Yp+m)X=0(5),-,8,3、产物的物料平衡,对于产物形成：体系积累速率=（生成流出）速率VdP/dt=V(dP/dt)生成FPdP/dt=Yp/xXDP(6)或dP/dt=qpXDP(7)当连续培养处于稳态时，反应器中的产物的积累为零，即：dP/dt=0Yp/xXP=0(8)或qpXDP=0(9),-,9,单级恒化器在稳态条件下的物料平衡方程：细胞：D=基质：D(S0S)(/YG+qp/Yp+m)X=0产物：Yp/xXP=0或qpXDP=0在只培养细胞的特定连续培养过程中，设：产物的形成忽略不计，维持代谢忽略不计。则有：(1)D=(2)D(S0S)/YGX=0(10)X=YG(S0S)=Yx/s(S0S)(11)X=?Yx/s=YG,-,10,根据莫诺方程=mS/(Ks+S)S=Ks/(m)(12)代入上式(11)得：X=Yx/sS0KsD/(mD)(13)在一定培养条件下，Yx/s、S0、Ks和m均为定值，连续培养状态下培养液中的菌体浓度X和限制性底物浓度S取决于稀释率D。S=Ks/(m/1)=Ks/(m/D1)(14)当Dm,提高D，增大S，则降低X。当Dm时，SS0，此时X0，临界稀释率Dcrit为：Dcrit=mS0/(Ks+S0)通常情况下，KsS0，故有：Dcrit=m,-,11,生产强度(生产率）：Pt=产物浓度（g/L）/发酵时间（h）Pt=X/t=FX/V=X/(V/F)=DXPtDYx/sS0KsD/(mD)（16）令Pt对D的一阶导数为零，可获得最大生产强度下的稀释率Dopt：Dopt=m1Ks/(Ks+S0)1/2（17）,-,12,对函数PtDYx/sS0KsD/(mD)求极值令Pt(Dopt)=0,-,13,-,14,-,15,-,16,m=1.0h-1Ks=0.2g/LYx/s=0.5gX/gSS0=10g/L,-,17,例题6.1,以葡萄糖为限制性基质，连续培养E.coli，在此培养条件下(流加基质浓度S0=0.968g/L)，测得试验数据如下：,试比较连续培养的S、X和Pt的理论计算值和实验值。,-,18,根据莫诺方程有：1/=1/m+Ks/m1/S对1/1/S作线性回归曲线，求得：m=1.05h-1，Ks=0.0997g/L=99.7mg/L将实验数据X、S和D代入方程X=Yx/s(S0S)和Pt=DX，计算对应的Yx/s和Pt，结果见下表：,-,19,-,20,取0.3D0.7之间的Yx/s数值的平均值得：Yx/s均0.505gX/gS将所求出的m、Ks和Yx/s均作为理论计算的依据，依据下列方程作图：S=KsD/(mD)X=Yx/s均(S0KsD/(mD)Pt=DYx/s均(S0KsD/(mD)该例连续培养的理论计算值和实验值拟合图见下图。(Excel6.1),-,21,D0.25Dcrit，不可忽略维持代谢D0.75Dcrit,可能产生代谢产物。,-,22,例6.2,在甘露糖醇中培养大肠杆菌，其动力学方程为：dX/dt=1.2SX/(2+S)g/(Lmin)。已知S06g/L，Yx/s=0.1。试问（1）当甘露糖醇溶液以1L/min的流量进入体积为5L的CSTR中进行反应时，其反应器内细胞的浓度及其生长速率为多少？（2）如果寻求使大肠杆菌在CSTR内的生长强度达到最大，试问最佳加料速率应为多少？大肠杆菌的生长速率为多大？,-,23,解（1）根据题意，单级CSTR在稳态下有，D=F/V=1/5=0.2min-1依据莫诺方程mS/(Ks+S)得，0.2=1.2S/(2+S)S=0.4g/L由XYx/s(S0S)得，X=0.1（60.4）0.56g/L由dX/dt=X得，dX/dt=0.20.560.112g/(Lmin),-,24,（2）生产强度Pt=DYx/sS0KsD/(mD)令dPt/dD=0，此时Pt为极大值，相应的稀释率为Dopt=m1(Ks/(Ks+S0)1/2=1.21(2/(2+6)1/2=0.6min-1最佳加料速率F=DoptV=0.65=3L/mindX/dt=0.60.1620.6/(1.20.6)=0.24g/(L.min),-,25,二、多级连续培养,把几个生物反应器串连起来，前一级反应器的出料作为下一级反应器的进料，即组成了多级连续培养系统。进行多级连续培养时，也可以向第二级以后的各级反应器补充新培养基。,-,26,-,27,第二级反应器反应动力学XV(dX2/dt)体系=F(X1X2)+V2X2(dX2/dt)体系=D(X1X2)+2X2稳态下：2=D(1X1/X2)(1)由于X2X10，因此2D,-,28,SVdS2/dt=F(S1S2)V(dX2/dt)/Yx/sdS2/dt=D(S1S2)2X2/Yx/s稳态下：2=Yx/sD(S1S2)/X2(2)已知X1Yx/s(S0S1)(3)联立方程（1）、(2)和（3），求得：X2=Yx/s（S0S2）(4)依据莫诺方程得2=mS2/(Ks+S2)(5)联立方程（2）和（5），求得X2=Yx/sD(Ks+S2)(S1S2)/(mS2)(6)S1，S2？,-,29,联立方程（4）和（6），得：Yx/s(S0S2)=Yx/sD(Ks+S2)(S1S2)/(mS2)(S0S2)=D(Ks+S2)(S1S2)/(mS2)(7)将方程S1=KsD/(mD)代入方程（7），得二次方程：(mD)S22(mS0KsD2/(mD)+KsD)S2+Ks2D2/(mD)=0解此方程求出S2，进而确定X2。,-,30,-,31,D(X2X1),-,32,稳态下第n级反应器中的细胞浓度、比生长速率、限制性基质浓度和产物浓度：Xn=DXn-1/(Dn)n=D(1Xn-1/Xn)Sn=Sn-1nXn/(DYx/s)Pn=Pn-1+qpXn/D,-,33,三、进行细胞回流的单级连续培养,将单级恒化器中流出的培养液进行分离，经浓缩后的细胞悬浮液被送回反应器中。提高了反应器中细胞的浓度提高了反应器操作的稳定性单级反应器临界稀释率Dcrit=m,-,34,物料循环比（体积比）：=Fr/F1流速、生物量、基质浓度？,-,35,-,36,对反应器（不包括分离器）进行物料衡算：对于细胞：积累速率（进入流出）速率（生长死亡）速率循环液细胞流入速率VdX/dt=FX0(1+)FX+V()X+FXdX/dt=X1+(1)DX(X0=0，=0，培养液体积不变）当连续培养处于稳态时，反应器中的细胞积累为零，即：dX/dt=0=D1+(1)(1),-,37,对于限制性基质：积累速率（进入流出）速率（生长形成产物维持代谢）所消耗速率由循环液进入速率VdS/dt=FS0(1+)FSV(dX/dt/YG+dP/dt/Yp+mX)+FSdS/dt=D(S0S)X/Yx/s（不考虑产物形成和维持代谢）,-,38,当连续培养处于稳态时，反应器中的底物积累为零，即：dS/dt=D(S0S)X/Yx/s=0X=Yx/sD(S0S)/(2)将=D1+(1)代入(2)得：X=Yx/s(S0S)/1+(1)X=Yx/s(S0S)/R(3)其中R为循环浓缩因子R=1+(1)1S?,-,39,根据莫诺方程有：S=Ks/(m)将(1)式代入上式，得S=KsRD/(mRD)(4)将(4)式代入(3)式得：X=1/RYx/sS0KsRD/(mRD)(5),-,40,A、B、C循环；D、E不循环；A、D反应器中细胞浓度X；B、E细胞生产率（生产强度）DX；C出口细胞浓度Xm=1.0h-1，Yx/s=0.5g/L，Ks=0.2g/L，S0=10g/L，=2，=0.5,-,41,临界稀释率条件下，X0，SS0，依据Monod方程RD=mS0/(Ks+S0)Dcrit=1/RmS0/(Ks+S0)一般KsS0，故Dcrit=m/Rm,R=/D=1+(1),-,42,在上例中，m=1.0h-1，=2，=0.5R=1+（1）0.5Dcrit=m/R2Dcrit由于0R1，Dcritm依据方程（1）得/D=1+(1)浓缩比越大，达到一定/D所需的循环比越小；反之则越大。,-,43,例6.3,在一带循环的单级CSTR（连续操作的搅拌槽式反应器）中进行下述反应，dX/dt=2SX/(1+S)g/(L.min)已知X0=0，S0=3g/L，F=1L/min，Yx/s=0.5，V=1L，Fr=1/2F，Xr=4Xe。试求：X，S，Xe各为多少？Ks，m，?,-,44,解：循环比Fr/F=0.5，Xe=(1+)FXFX/F=1+(1)XXr/Xe=X/(1+(1)X=4=2循环浓缩因子R=1(1)0.5D=F/V=1min-1,-,45,由于该反应服从莫诺方程，dX/dt=2SX/(1+S)得：Ks=1，m=2由S=KsRD/(mRD)，得S=10.51/(20.51)=1/3g/L由X=1/RYx/s(S0S），得X=1/0.50.5(31/3)=8/3g/L由Xe=1+(1)X，得Xe=0.58/3=4/3g/L,-,46,四、连续培养的应用,1、确定最佳培养条件最大生产强度Pt=DX最高转化率Yx/s最少副产物产生从右图中，得到什么结论？,-,47,-,48,2、富集、选育特殊性状的菌种建立高选择性的环境条件，筛选和富集培养专一性的微生物筛选的环境条件包括：限制性底物、培养温度、pH、生长促进剂、抑制性物质等。在选择性富集培养过程中，生长速率不同菌种的“去”“留”由各自的比生长速率决定，最后系统保留的是在该体系中比生长速率最大的微生物。,-,49,设一连续培养微生物X的过程中被Y或Z或W微生物污染。其中杂菌Y在给定的限制性底物S中的比生长速率YX，杂菌Z在S中的比生长速率ZX，而杂菌W在S中的比生长速率W与X的大小差异与S的浓度有关。三种杂菌Y、Z、W在连续培养中与微生物X的生长关系如下图所示。,-,50,-,51,根据连续培养理论，某种微生物在培养过程中的积累速率为生长速率与稀释速率之差（不考虑菌体死亡，进入的速率为零）：细胞积累速率生长速率流出速率dX/dt=XDX对于杂菌Y，在一定S下，Y小于正常培养微生物X条件下的稀释率D，因dY/dt=YYDY且YD，故dY/dt为负值。结果杂菌Y不能残存在培养系统中。,-,52,对于杂菌Z，在一定S下，Z大于正常培养微生物X条件下的稀释率D，因dZ/dt=ZZDZ且ZD，故dZ/dt为正值。结果杂菌Z残存在培养系统中。由于dZ/dt0，微生物Z积累，结果导致限制性底物浓度S的下降，下降至S时，有ZD，对于微生物Z,建立了一个在S下的新稳定状态。在S下，微生物X的X随S下降至S，而下降至X，此时XD，微生物X将从培养系统中洗出。,-,53,对于杂菌W，W的残存决定于操作稀释率，在D=0.25Dcrit时，W不可能与X竞争，如Y与X的情形，W终被洗处；当D=0.75Dcrit时，X不可能与W竞争，如Z与X的情形，X终将被洗出，W在系统中残存。,-,54,3、连续发酵与产物的形成,研究限制性底物种类、浓度与产物形成之间的关系。表6.3在连续培养中链球菌变异株由葡萄糖生成乳酸,-,55,4、生产强度（培养细胞）,连续培养的最大生产强度PtmYx/smS0（若S0Ks）分批培养的生产强度：生产周期：tB=tL+1/mlnXF/X0+tR+tPtB分批培养一个生产周期所需的时间tL延迟期占用时间tR放料占用时间tP清洗反应器，重新加入培养基、灭菌、冷却等操作所需时间