生化工程连续培养动力学讲课教案.ppt

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1、生化工程连续培养动力学分批培养: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。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）V·dX/d

2、t=F·(X0–X)+V·(μ–ε)·X(1)对于普通的单级恒化器X0=0，ε=0，培养液体积不变dX/dt=(μ–D)·X(2)其中D=F/V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=μ即在恒定状态时，比生长速率等于稀释速率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)V·dS/dt=F·(S0–S)–(dX/dt/YG+dP/dt/Yp+m·X)·V(3)dS/dt=D·(S0–S)–(μ/YG+qp/Yp+m)·X(4)当连续培养处于

3、稳态时，反应器中的基质的积累为零，即：dS/dt=0D·(S0–S)–(μ/YG+qp/Yp+m)·X=0(5)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V·dP/dt=V·(dP/dt)生成–F·PdP/dt=Yp/x·μ·X–D·P(6)或dP/dt=qp·X–D·P(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/x·X–P=0(8)或qp·X–D·P=0(9)单级恒化器在稳态条件下的物料平衡方程：细胞：D=μ基质：D·(S0–S)–(μ/YG+qp/Yp+m)·X=0产物：Yp/x·X–P=0或

4、qp·X–D·P=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=μ(2)D·(S0–S)–μ/YG·X=0(10)X=YG·(S0–S)=Yx/s·(S0–S)(11)X=?Yx/s=YG根据莫诺方程μ=μm·S/(Ks+S)S=Ks·μ/(μm–μ)(12)代入上式(11)得：X=Yx/s·{S0–Ks·D/(μm–D)}(13)在一定培养条件下，Yx/s、S0、Ks和μm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/(μm/μ–1)=Ks/(μm/D–1)(1

5、4)当D＜μm,提高D，增大S，则降低X。当D→μm时，S→S0，此时X→0，临界稀释率Dcrit为：Dcrit=μm·S0/(Ks+S0)通常情况下，Ks＜＜S0，故有：Dcrit=μm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)=D·XPt＝D·Yx/s·[S0–Ks·D/(μm–D)]（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=μm{1–[Ks/(Ks+S0)]1/2}（17）对函数Pt＝D·Yx/s·[S0–Ks·D/(μm–D)]求极值令Pt’(Dop

6、t)=0μm=1.0h-1Ks=0.2g/LYx/s=0.5gX/gSS0=10g/L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：D(h-1)S(mg/L)X(mg/L)D(h-1)S(mg/L)X(mg/L)0.0664270.61224340.12134340.661534220.24334170.691704300.31404380.712213900.43644220.732103520.53102427试比较连续培养的S、X和Pt的理论计算值和实验值。根据莫诺方

7、程有：1/μ=1/μm+Ks/μm×1/S对1/μ—1/S作线性回归曲线，求得：μm=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·(S0–S)和Pt=D·X，计算对应的Yx/s和Pt，结果见下表：D(h-1)Yx/s(g/g)Pt(g/h)D(h-1)Yx/s(g/g)Pt(g/h)0.060.440.0260.60.520.2600.120.450.0520.660.520.2780.240.450.100.690.550.2970.310.470.1360.710.500.2770.430.4

8、70.1810.730.470.2570.530.490.226取0.3≤D≤0.7之间的Yx