补料发酵动力学.ppt

1、1,a,应用,有助于了解和研究细胞生长、基质消耗和产物生成的动力学规律，从而优化发酵工艺。 便于研究细胞在不同比生长速率下的特征。,连续发酵动力学-理论,2,a,利用连续培养的选择性进行富集培养菌种选择及防污染处理。,应用,连续发酵动力学-理论,3,a,连续发酵动力学-理论,在底物浓度为S情 况下杂菌Y的生长速 率y比系统的稀释 速率D要小 Y的积累速率 ：,结果是负值，表明杂菌不能在系统中存留,4,a,连续发酵动力学-理论,底物浓度为S的情 况下杂菌Z能以比D大 的比生长速率下生长,比D大的多，故 dZ/dt是正的，杂菌Z积累，系统中底物浓度下降到S，此时 D，建立新的稳态。此时生产菌X的比

2、生长速率 比原有的小。 D，故将生产菌从系统中淘汰,5,a,连续发酵动力学-理论,杂菌W 入侵的成败取决于系统的稀释速率。 由图可见，在稀释速率为0.25Dc（临界稀 释速率）下，W竞争不过X而被冲走 .,连续培养中杂菌能否 积累取决于它在培养系 统中的竞争能力,6,a,遗传稳定性研究 选择适当的物质作为限制性基质，可使连续发酵中细胞代谢产物的生产大大提高。 连续发酵提高生产率,应用,连续发酵动力学-理论,7,a,分批发酵：生产周期 式中：tL-延迟期所占用时间； tR放料时间 tP清洗发酵罐、培养基、灭菌、冷却所需时间 xF发酵终点细胞浓度； x0接种后细胞浓度 假定分批发酵的指数生长期延续

3、到限制性基质耗尽，这时达到最大细胞浓度xF,应用-提高生产率,连续发酵动力学-理论,8,a,分批发酵的细胞生产率为:,连续发酵动力学-理论,应用-提高生产率,9,a,可见,细胞的m越大，辅助操作时间越长，连续发酵的优势就越大。,应用 -单级连续发酵最大生产率,连续发酵动力学-理论,单级连续发酵与分批发酵最大生产率之比为：,10,a,连续培养的优缺点,11,a,第四节 补料分批发酵,界于分批培养和连续培养之间的操作方式。 可有效地控制培养过程，提高培养过程的生产水平，在工厂中得到广泛应用。,12,a,什么是补料分批发酵？,补料分批培养（Fed-batch culture）： 分批发酵过程中补充培

4、养基，不从发酵体系中排出发酵液，使发酵液的体积随着发酵时间逐渐增加 。,13,a,概念：在发酵过程中，不连续地向发酵罐内加入培养基，但不取出发酵液的发酵方式。 特点：由于培养基的加入，发酵液体积不断增加。,补料分批发酵动力学,14,a,半连续发酵概念： 在发酵过程中，每隔一定时间，取出一定体积的发酵液，同时在同一时间间隔内加入相等体积的培养基，如此反复进行的发酵方式。 特点： 稀释率、比生长速率以及其它与代谢有关的参数都将发生周期性的变化。,补料分批发酵动力学,15,a,类型,连续流加 补料方式 不连续流加 多周期流加 快速流加 恒速流加 变速流加 单一组分补料 多组分补料,流加方式,补料分批

5、发酵动力学,以补加的培养基成分来区分,16,a,适用范围： 细胞的高密度培养 发生基质抑制的过程 分解代谢物阻遏 营养缺陷型菌株的培养 前体的补充,17,a,F,S0,V, X, S,补料分批发酵示意图,18,a,整个发酵罐中细胞、限制性基质和产物总量的变化速率可用下式表示： ,补料分批发酵动力学,19,a,细胞总量的变化率为 若为恒速流加，培养基流量为F， 则 合并、式 得,补料分批发酵动力学,20,a,同样可以推导出限制性基质和产物浓度的变化率： 合并、式 得,补料分批发酵动力学,21,a,又 ,补料分批发酵动力学,22,a,拟稳态时 这时,补料分批发酵动力学,23,a,对于恒速流加，细胞

6、的比生长速率对时间的变化率为： 长时间流加培养之后,补料分批发酵动力学,24,a,可以解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应。 避免在分批发酵中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。 菌体可被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来作为控制细胞质量的手段。 与连续发酵相比，补料分批发酵的优点在于：无菌要求低；菌种变异，退化少；适用范围更广。,补料分批发酵动力学,优点,25,a,本章小结,发酵动力学研究的主要对象为微生物群体，而非单个微生物菌体，即从宏观上研究发酵过程。 通过对最简单的封闭式分批发酵的微生物生长动力学、底物消耗动力学及产物合成动力学单独

7、建立数学模型开始，找到三个动力学之间的联系。 基于分批发酵的优缺点，引申出连续发酵和补料分批发酵，并以分批发酵动力学为基础，进一步探讨连续和补料分批发酵的动力学模型。 掌握MONOD方程，熟悉各类发酵动力学的数学模型及其参数的求解，有利于在发酵过程调控过程中以理论为指导，并理论结合实际，达到高效、高产和高转化率的发酵目的。,26,a,复习题,一、填空题 1.根据细胞生长和产物形成是否偶联，发酵动力学可分为_、_和_。 2.微生物发酵过程根据发酵条件要求分为_和_。 3.发酵过程根据其操作方法可以分为_、_、_、_、_。 4.发酵动力学是研究_。 5.在补料分批培养中，若新鲜培养基的流入速度是恒

8、定的，则培养系统中细胞量随时间呈 _变化；若欲使培养系统中细胞量随时间呈指数增加，则新鲜培养的流入速度随时间应呈_变化。 6.在分批发酵过程中，随着环境的不断变化，微生物的生长可分为_、_、_、_和_五个生长阶段。 7.对于补料分批培养，就补料方式而言，有_、_和_；每次补料又可分为_、_、_、和_。,27,a,8.微生物进行发酵过程反应系统的动力学描述常采用_来描述，微生物的生长速率反映_的生长速率。 .比生长速率是_，比生长速率除受细胞自身遗传信息支配外，还受_的影响。 由于微生物的生长条件在不断变化，微生物的分批培养属于_的培养方法。 11.连续培养的最大特点是_。 12. 微生物的代谢

9、产物，按其与菌体生长繁殖的关系来说，又分为_和_。 13. 工业上为了防止出现菌种衰退和杂菌污染等实际问题，大都采用发酵方式是_。 14. 稀释率D的含义在不同的培养过程中所代表的意思是不同的：在连续培养中，稀释率是因_引起的；而在补料分批培养中，稀释率是因_引起的。,28,a,二、名词解释 1.得率系数2. 比速率3. 分批发酵4. 补料分批发酵5. 连续发酵 6.稀释率 7.临界稀释率,29,a,三、 简答题,写出Monod方程的具体表达形式，并阐述方程意义即成立的条件。 简述分批发酵法的优缺点。 简述补料分批发酵法的优缺点。 简述连续发酵法的优缺点。 比较二级连续培养的稳态菌体浓度、限制性底物浓度、细胞生产率与稀释率的关系。,30,a,四、计算题,1、在5m3 的培养液中，按5%接种量接种，已知原接种液中含菌5106 (个/ml)，如果培养后发酵液中菌体含量需达到4109(个/ml)， max=0.8h-1 求所需时间，假定在整个培养期间均满足Sks