第六章微生物细胞反应动力学ppt课件.ppt

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1、第五章微生物细胞反应动力学一、基本概念1、微生物反应动力学反应速率的描述（1）绝对速率(单位时间单位体积变化量，也简称速率）分批培养细胞生长速率：（g/L.h）同样底物消耗速率、产物生成速率可分别写成：（g/L.h）（g/L.h）（2）比速率是以单位质量细胞为基准表示各组分的变化速率。细胞生长比速率：底物消耗比速率：产物生成比速率:氧消耗比速率：微生物细胞生长比速率μ在细胞生长中具有重要意义，其大小影响细胞生长速率。生长比速率μ大小，与微生物种类、环境、营养等有关。对一定的微生物，在一定条件下，当营养充足时，μ=μm

2、ax，是常数，积分得到：2、细胞反应过程的得率系数（1）相对底物的细胞得率系数定义：分批培养瞬时得率系数可写成：总的细胞得率系数可写成：1)延滞期μ=02)加速期0＜μ＜μmax3)对数期μ=μmax4)减速期Monod方程：二、微生物间歇培养㏑(CX/C0)t延滞期加速期对数期减速期平衡期细胞生长曲线如左图所示：V–发酵罐（生物反应器）有效容积（L）F–培养基体积流量（L/h）；CS0–底物初始浓度（g/L）；CS__—发酵罐内底物浓度（g/L）；CX—发酵罐内菌体浓度（g/L）；三、单级连续发酵（培养）VμCXC

3、SFCSoCXoFCSCXCX0-初始接种菌体浓度（g/L）；生长比速率与稀释率的关系发酵罐浓度视为均一开始接入微生物细胞（连续进料后不再加入)，当连续稳定进料一定时间后，对细胞平衡：生长量=排出量VμCX=FCX令：D-稀释率（h-1）即：μ=D稀释率是人为控制的，因此在连续发酵过程生长比速率可以人为控制。连续发酵的必要条件D＜μmax当D＞μmax，发酵就发生“冲出”现象。******连续发酵μ随着D的变化而变化，自动趋向稳态，即μ=D底物浓度（CS）与稀释率的关系：菌体相对基质得率系数Yx/s菌体浓度与稀释率的

4、关系微生物细胞生产强度(PX)与稀释率的关系菌体浓度（CX）、底物浓度（CS）、生产强度（Px）与稀释率（D）的关系作图如下：D(h-1)DoptCXDCXCSDCXCXCSDc从上图看出：1）在一定的稀释率下，微生物细胞生产强度(生长速率）（DCX）,随着稀释率（D）增大而增大，当达到一定的稀释率后，其细胞生产强度随着稀释率增大而降低。2）稀释率在一定范围内变化，细胞浓度（CX）和底物浓度（CS）变化很小。当增大到一定程度，其变化迅速增加。3）稀释率增大到一定程度时，微生物细胞冲出，罐内菌体浓度为零，底物浓度等于初

5、始浓度，此时的稀释率称临界稀释率（DC）。4）对细胞生产强度而言，有一个最佳稀释率（D0pt），即细胞生产强度最高。5）稀释率越小，底物浓度越低，细胞产率越高（转化率高）。单罐连续发酵（培养），当转化率要求不高时，可以使用。如果既要转化率高，又要细胞生产强度高，单罐连续发酵就满足不了这个条件。如何设计才能使转化率和生产强度都高，用多级串联连续就能解决这个问题，一般用两个罐就可满足生产要求，第一个罐用作提高生产强度，第二个罐用作提高转化率。四、最佳稀率（Dopt)最佳稀释率是细胞生产强度（生长速率）最大时的稀释率。生产

6、强度对D求导，等于零，即求得稀释率最大值Dopt最佳稀释率对应的最佳细胞浓度（CXopt）及最大生产强度（PX)opt五、两级串联连续发酵（培养）FCSoCXoμ1CX1V1CS1μ2CX2V2CS2FCS2CX2FCS1CX1连续稳定时，CX0=0对第一个罐细胞平衡：对第二个罐细胞平衡：两罐串联与单罐连续发酵时间的对比假定用两个罐(等体积）串联连续发酵，第一个罐的菌体浓度为第二个罐的0.85倍。即：CX1=0.85CX2两罐与单罐排出的底物浓度相等，即：CS2=CS单罐发酵时间用τ表示:两罐发酵时间用τm表示：以上

7、计算，表明用两个罐串联发酵（培养）时间是单罐发酵时间的0.3倍，或说双罐串联发酵罐体积是单罐体积的0.3倍。反之，也可以说单罐串联发酵（培养）时间是双罐串联发酵时间的3.33倍，或说单罐发酵罐体积是双罐发酵罐体积的3.33倍。两级串联培养，第一级控制最佳稀释率,达到最大生长速率。第二级保证底物的转化率。就是根据细胞生长动力学的科学设计。六、单罐连续培养(细胞循环)FSCX2FSoμCXVSRFSCX1（1+R）FSCXRFSCX1对菌体平衡发酵罐培养系统菌体平衡细胞浓缩分离系统菌体平衡FSCX2FSoμCXVSRFS

8、CX1（1+R）FSCXRFSCX1细胞循环连续发酵讨论循环与不循环相比：在转化率和发酵罐体积不变时，可提高生产能力。在生产能力和发酵罐体积不变时，可提高转化率（CS降低）在生产能力和转化率一定时，可减小设备体积。如果细胞不浓缩，D=μ，对CSTR无意义。生产能力的提高在于提高了发酵罐中的细胞浓度。七、带循环的CPFRV0CS0V0CSfVrC