发酵工程原理与技术应用第六章 发酵动力学.ppt

同样可以推导出限制性基质和产物浓度的变化率： ⑥ 合并②、⑥式 得 补料分批发酵动力学 又 ∵ ∴ 补料分批发酵动力学 拟稳态时 这时 补料分批发酵动力学 对于恒速流加，细胞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 优点 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：①无菌要求低；②菌种变异，退化少；③适用范围更广。 补料分批发酵动力学 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。 连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵 ∴ x1比单级无再循环的x要大 又 代入x1式, 得 最终流出的细胞量xe与 D关系 假定分离器无细胞生长和基质消耗，则有细胞物料衡算式： 流入分离器细胞=流出分离器细胞+ 再循环细胞 连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵 举例 :单级细胞再循环连续培养的应用 连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵 设系统的 对于回流系统有： 连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵 对于无回流系统有： 连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵 连续发酵动力学-理论-细胞回流单级恒化器连续发酵 细胞回流与不回流的单级连续发酵比较 A-细胞回流时的稳态X；B-细胞回流时的稳态DX；C-细胞回流时的稳态Xe；D-细胞不回流时的稳态X；E-细胞不回流时的稳态DX 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 利用细胞再循环连续发酵技术进行废水的生化处理、发酵与产物分离耦合。 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 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μy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 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的比生长速率 比原有的小。 D，故将生产菌从系统中淘汰 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 应用 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 连续发酵动力学-理论 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 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 可见,细胞的μm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： 例题 已知某一微生物反应，其细胞生长符合Monod动 力学模型， 其