第六章 连续培养动力学
发酵工程原理与技术_陈坚_思考题
发酵工程原理与技术_陈坚_思考题第一章的复习思考题1，发酵及发酵工程的定义2，发酵工程的特点3，发酵的分类4，发酵产品的类型5，微生物代谢产物的类型及其之间的关系6，发酵过程的组成7，发酵生产成立的条件8，发酵工业发展的阶段及大致年代9，和国际先进水平相比较，我国发酵工业的不足之处主要表现在哪些方面第二章的复习思考题1，微生物代谢调节和微生物代谢调控的概念2，为何要进行微生物的代谢调控3，微生物代谢调节的方式4，从本质上来说，微生物的代谢是通过哪两种方式来进行的5，酶合成调节的方式及其定义、机制6，酶活性调节的定义、方式7，有分支代谢途径的调节方式有哪些8，酶活性的调节机制可用什么理论来解释9，初级代谢的调节有哪几种方式10，次级代谢的调节方式11，提高初级和次级代谢产物产量的方法12，高浓度细胞培养的目的、原理、优点、方法及存在的问题第三章的复习思考题1，次级代谢和次级代谢产物的概念2，次级代谢产物的分类3，次级代谢产物的生物合成模式4，在微生物的氢代谢过程中，关键的酶是什么酶，它有哪些类型5，氢效应的概念及产生的原因6，二氧化碳固定的概念、方式、生理意义7，什么是卡尔文循环，它由哪几个部分组成第四章的复习思考题1，原料的定义及选择原则2，培养基设计的基本原则及如何进行培养基的设计3，为何要进行原料预处理及原料预处理的方法4，原料粉碎的目的和方法5，垂式粉碎机生产能力的计算6，干法粉碎和湿法粉碎工艺的比较7，原料输送的方法8，气流输送的原理、流程和优点9，颗粒在垂直管道和水平管道中悬浮输送的机理10，气流输送中常用除尘装置有哪几种11，淀粉原料水-热处理的定义及目的12，淀粉的膨胀、糊化和液化13，在淀粉的水-热处理过程中有哪些反应（变化）是我们所不希望的14，淀粉的酶法液化和糖化工艺常用到的酶有哪些及各自的作用专一性15，酶法液化的工艺有哪几种及各自的优缺点16，淀粉液化效果的标准17，淀粉糖化的定义和目的18，淀粉糖化的理论收率、实际收率和淀粉转化率的定义及计算19，DE值的定义20，淀粉糖化的工艺有哪几种，比较各自的优缺点21，糖蜜原料的来源、特点及常用的处理方法22，在发酵培养基中添加前提物质、抑制剂和促进剂为何能提高产物的产量第五章的复习思考题1，何谓培养基的灭菌，它和消毒有和区别2，常用的灭菌方法3，致死温度、微生物热阻的定义4，湿热灭菌的原理和优点5，从工程角度看，设计一个培养基的湿热灭菌过程首先要解决的问题是什么6，根据微生物的热死灭动力学方程和温度对微生物热死灭常熟（K）的影响，论述为什么采用高温短时间灭菌既有利于杀灭微生物又有利于减少营养物质的破坏7，间歇灭菌的成功的要素及注意事项8，常用的连续灭菌工艺有哪几种9，连续灭菌和间歇灭菌的比较10，影响灭菌的因素第六章的复习思考题1，何谓无菌空气，发酵工业对空气无菌程度的要求2，空气含菌量的测定方法3，空气除菌的方法有哪些、这些方法的原理和优缺点4，介质过滤除菌的定义，机理；过滤介质的类型5，常见的空气过滤除菌工艺流程的分析计算6，过滤效率、对数穿透律7，传统空气过滤除菌工艺中的主要设备有哪些8，新型的空气过滤器有哪些，有何优点9，空气贮罐的作用是什么，其大小如何确定第七章的复习思考题1，种子的扩大培养的定义。
6第六章 发酵动力学
2.随着时间的延长，培养液中微生物细胞的 量c’(X)增加，但细胞的浓度却保持不变，即
dc(X) dt
= 0
3.因而µ≌D
这种微生物细胞的培养状态称为 ——“准恒定状态”
在“ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ恒定状态”下
c(S) ≈ DKs µm - D (4)
c’(X) ＝ c0’(X) + F · Yx/s · c ’0 (S) · t 补料液浓度
动力学方程
c0(S)——开始时培养基中限制性基质的浓度 g/L F——培养基的流速 L/h V——培养基的体积 L F/V＝D——稀释率 c0(X)——刚接种时培养液中的微生物细胞浓度 g/L c(X)——某一瞬间培养液中微生物细胞浓度 g/L c(X) = c0(X) + Yx/s [c0 (S) -c (S)]
v =
µ
YG
v =
+ m +
Qp Yp
+
(6)
µ Yx/s
(5)
少量的其他代谢产物和其他忽略 1 Yx/s 1 m + µ (7)
=
YG
YG和m很难直接测定，只要得出细胞在不同 比生长速率下的Yx/s，可根据(7)式用作图法 求出YG和m值。 YG和m值用于衡量发酵时限制性营养基质的 起始最低浓度。
µ µm
b µm/2
c
µ ＝
a
µm c(S)
Ks + c(S)
c(S)
Ks
Ks的物理意义
Ks的大小表示了微生物对营养物质的吸收亲 和力大小 Ks越大，表示微生物对营养物质的吸收亲 和力越小； Ks越小，表示微生物对营养物质的吸收亲 和力越大
发酵工程 第6章 发酵动力学
■将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模 型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。
如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化 模型。
非结构模型
结构模型
最理想情况
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一
均衡 细胞之间无差异， 生长 是均一的，细胞内
如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结 构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做为过 程变量。
■菌体视为单组分的模型为非结构模型，通过物料平 衡建立超经验或半经验的关联模型。
如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为 均衡生长。
如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加比 例不同，称为非均衡生长。
（3）质量平衡法（质量守恒定律）
发酵系统中物 物质进入系统的速度＋物质在系统生成的速度 ＝
质积累的速度 －物质排出系统的速度－物质在系统消耗的速度
研究发酵动力学的步骤
(1). 为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽 可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。
(2). 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系 起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。
S ——基质量，mol；
t ——发酵时间，h
注：这里的“维持”是指活细胞群体没有净生长和产物没有净合成的生 命活动，所需能量有细胞物质氧化或降解产生，这种用于“维持”的物 质代谢称为维持代谢（内源代谢），代谢释放的能量叫维持能。
（2）得率系数(或产率，转化率，Y)： 是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。包括生
基于关键生化反应限速步及其关键酶的动力学特征及其影响因素采用一系列分子水平的方法?细胞层次代谢网络与细胞工厂基于细胞信号传导代谢网络细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现采用一系列细胞水平的方法包括细胞群体行为分析?反应器层次过程工程基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应采用一系列优化反应器发酵条件的方法主要针对微生物发酵的表观动力学通过研究微生物群体的生长代谢定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率主要包括
微生物工程简介(精)
《微生物工程》简介Microorganism Engineering一、课程编号：060342二、课程类型：限选课课程学时：48（其中，理论教学36学时/2学分，实践教学12学时/1学分）：适用专业：生物技术先修课程：本课程的先修课是微生物学、生物化学、有机化学、分析化学、细胞生物学等三、内容简介：微生物工程是生物工程的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节，是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。
通过学习该课程，可以使了解我国发酵工业的实际情况和当前世界发酵工业发展的趋势和研究动态及发酵工程在生物技术产业化钟的作用。
本课程内容主要包括生产菌种的选育，发酵条件的优化和控制，反应器的设计和产物的分离、提取与精制等。
通过本课程的学习，学生能够掌握微生物的基本原理和基本操作流程，并初步具备开发新菌种、新工艺和新技术的能力。
四、选用教材：《微生物工程》，曹军卫、马辉文编著，科学出版社，2002年8月出版《微生物工程》教学大纲一、课程编号：060342二、课程类型：限选课课程学时：48（其中，理论教学36学时/2学分，实践教学12学时/1学分）：适用专业：生物技术先修课程：本课程的先修课是微生物学、生物化学、有机化学、分析化学、细胞生物学等三、课程性质与任务本课程为生物技术专业本科生指定选修课程。
生物技术包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、发酵工程（包括微生物工程）等领域。
在生物技术领域里，由于微生物生物技术的高速发展和对其他生物技术发展的重要影响，所以一直处于领先地位，并且还将在相当长的时期内处于领先地位。
本课程的任务为在微生物工程领域内将理科的有关知识与必要的工程技术知识有机地结合起来，在微生物学领域里给学生传授比较专业的理论知识，在工程技术领域里，使理科学生能够掌握基本的计算和设计工艺流程的原理和方法。
四、教学主要内容及学时分配理论教学内容及具体学时（36学时）分配如下表：第一部分微生物工程原理[目的要求]第一部分微生物工程原理包括9章，目的是介绍微生物工程的上游工艺原理。
发酵工程课程总结
代谢过程错综复杂，但受体内调 节系统严格控制，并按照顺序、协调 有效地进行，维持体内代谢平衡。
对微生物而言：
代谢过程----细胞内自我调节
微生物代谢调节方式:
生理碱性物质:
某些物质被微生物利用、氧化还原 后，可使pH上升，这些物质称为生理 碱性物质。
如有机氮源、硝酸盐、有机酸等。
生理酸性物质:
某些物质被微生物利用、氧化还原后， 使pH下降，这些物质称为生理酸性物质。
碳源代谢往往起到降低pH作用，例如， 糖类氧化不完全时产生的有机酸；脂肪不 完全氧化产生的脂肪酸、硅盐氧化后产生 的硫酸等。
pH影响结果
1.菌体大小、长度缩短、直径和数量。
2.pH影响细胞膜的电荷状态，进而引起 膜的渗透性发生改变，再进而影响菌体对 营养物质吸收和代谢产物的形成。对产物 的稳定性同样有影响。
3.pH对某些生物合成途径有显著影响
引起pH变化原因：
①取决于微生物自身的代谢， ②还与培养基的成分有极大关系。
最适发酵温度选择与控制
选择最适发酵温度应该考虑两个方 面：①微生物生长最适温度，②产物 合成最适温度。
不同菌种、菌种不同生长阶段以 及不同培养条件，最适温度都不同。
微生物发酵时间控制
发酵时间： 是指菌种接入发酵基质起至发酵结
束为止的时间间隔。 发酵时间尽可能短、考虑提高产物
收得率、降低底物消耗率、提高经济 效益、利于后序处理及产品质量等。
过度延长发酵时间缺点：
①生产效率降低；
②对后续提取工序不利，如菌体自溶释 放出菌体蛋白或体内的酶，改变发酵 液性质，使发酵液过滤困难，会使一 些不稳定产物遭到破坏，降低不稳定 发酵产物的产量。
最大比生长速率μm
1、单级恒化器的发酵动力学
X：反应器内菌体浓度（g/L） P：产物浓度（g/L） V：反应器内发酵液体积（L）
X0 S0
F
F
X S P
So: 流加发酵液中基质的浓度(g/L) S: 反应器内基质的浓度(g/L) F: 补料速度(L/h)
X S P
17
对菌体
积累的细胞=(进入-流出)的细胞+(生长-死亡)的细胞
单细胞的微生物可进一步简化为
N—培养基中的细胞密度。
6
Monod方程
max
S Ks S
KS一底物相关常数，为μ等于 1/2μm时限制性营养物质的浓度。
S crit 临界底物浓度，比生长 速率μ达到最大比生长速率 μmax时的最低底物浓度。 对于任一营养物质 S> S crit，为非限制性底物 S< S crit，为限制性底物
11
(二)部分生长连动型产物形成(II型发酵)
12
(三)非生长连动型产物形成(Ⅲ型发酵)
13
第二部分 连续培养动力学
连续培养： 以一定的速率向发酵液中添加新鲜 培养基的同时，以相同的速率流出 培养液，从而使发酵罐内的液量维 持恒定不变，使培养物在近似恒定 状态下生长的培养方法。
14
一、连续培养概述
积累的底物=（进入-流出）的底物-（生长+形成产物 +维持代谢）消耗的底物
ds 1 dx 1 dp F ( s0 s) V ( ms x) dt Y x / s dt Y p / s dt (5.1.4)
V
或 rp ds D( s0 s) ( ms ) x dt Y x/s Y p/s (5.1.5)
第六章 连续式操作反应器
一、单级CSTR的生化反应特征 单级CSTR的生化反应特征 CSTR
1、酶促反应的单级CSTR的反应方程 对均相的酶促反应，且反应符合M-M的动力学方程，则：
τm =
CS 0 − CS CS 0 − CS = rmax ⋅ CS rS K m + CS
CS 0 − CS rmax ⋅τ m = (CS 0 − CS ) + K m CS
dC P dC P VR = V0 ⋅ C P 0 − V0 ⋅ C P + VR dt dt 生成
dC P =0 dt
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2011-7-10
第6章 >> 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR） 连续完全返混型反应器（CSTR）
XS CS 0 2 rmax ⋅τ m = CS 0 ⋅ X S + K m + XS − XS 1− X S KI
P163式6-9
2
(
)
上一内容
下一内容
回主目录
返回
2011-7-10
第6章 >> >> 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR） 连续完全返混型反应器（CSTR）
一、单级CSTR的生化反应特征 单级CSTR的生化反应特征 CSTR
V R = V L + VS
τ m = τ L +τ S
回主目录
τ L = ε Lτ m
返回
2011-7-10
上一内容
下一内容
第6章 >> >> 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR） 连续完全返混型反应器（CSTR）
连续培养动力学
Pt m 1
K S K s m 1 S K KS 0 S Y x / s S 0 S0 K S KS m m 1 S K 0 S KS K s 1 S0 K S KS S0 S0 K S KS S0 K S
2
m
D
K S m S0 K S
2
D m m D m 1
KS S0 K S
KS S0 K S
KS Dopt m 1 S0 K S 因Ks S 0，可知Dopt 就在Dcrit附近 细胞最大生产强度 Pt Dopt X Pt Dopt K s Dopt Y x / s S 0 m Dopt
KS S0 2 m D S0 S0
m
D 2D D2 0
KS 2 0 2 D D m 2 m D KS 2 m D
2
m
D m
2
2
0
S0 K S
K S m 0 2 m D
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) 0.06 0.12 0.24 0.31 0.43 6 13 33 40 64 X(mg/L) 427 434 417 438 422 D(h-1) S(mg/ L) 0.6 0.66 0.69 0.71 0.73 122 153 170 221 210 X(mg/L) 434 422 430 390 352
典型发酵过程动力学及模型
组合在一起决定着细胞的比生长速率。
a）相关模型：
n
i
1
b）非相关模型：µ=min (µi)
非相关模型---产物的生成与细胞的生长无直接的关
(2) 必要基质与生长促进型基质限制：必要基质的存在使细胞的比生
长速率大于零，而另一些基质的存在使µ值增大,称之为生长促进型基
质。累加动力学方程：
n
i
1
（3）Tao和Hanson模型：多基质限制的动力学模型
产物生成速率
rP drP/dt
细胞比生长速率 rX/rX 底物消耗比速率 qs rS/rX
产物比生成速率 qP rP/rX
二、微生物生长动力学
1. 细胞反应的得率系数
对底物的细胞得率：
YX / S
生成细胞的质量＝ DmX 消耗底物的质量 DmS
rX rX0 rs0 rs
对氧的细胞得率：
YX /酵过程反应的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
一、 概论
目的 1) 建立发酵过程中细胞浓度、基质浓度、温度等工艺参数 工艺条件；2) 以发酵动力学模型为依据，利用计算机进行合 模拟最优化的发酵工艺流程和技术参数，使发酵工艺的过程 的研究为实验工厂数据的放大、为分批式发酵过渡到连续式
对于这类非生长偶联型产物的生物反应来说，应充分注 意菌体在生长期和产物形成期营养的差别。可适当调配 快速利用和缓慢利用的营养物的比例，分别满足不同时 期菌体的不同需要。
四、 代谢产物生成动力学
3）混合型 产物形成与细胞生长有关联和无关联的复合模式， 也叫产物形成与细胞生长部分关联模式。 这时产物的形成与细胞生长的关系可表达为：
模型 μ= μm[1-exp(-S/Ks)] μ= μmS/(Ks+S) μ= μm(1+KsS-n)-1 μ= μm(S/X)/(Ks+S/X) μ= μmS/(KsX+S) μ=KsSn S=Aμ+Bμ/(μm＋μ) μ2/K-(Ks+S)μ-μmＳ=0 μ= μmS/(Ks+S)-D
提高发酵产率与速度的方法
专题报告专题名称: 提高发酵产率与速度的方法年级:专业班级:姓名：微生物反应动力学研究各种过程变量在活细胞作用下变化的规律，以及各种反应条件对这些过程变量变化速度的影响。
必须注意，微生物反应动力学研究的对象既然时运动着的物质，就不能单纯地用传统的静态变量如质量、溶氧量、菌体量等等进行描述，而必须涉及到许多动态变量，如细胞比生长率、基质比消耗率、CO 比生成率、产物比生产率等等。
这些动态变量一般不能直接测量，只能根据动力学方程式间接估计。
发酵过程的传统控制方法，是凭经验对一些静态变量如pH、溶氧、残余基质浓度等按设定点进行孤立控制，它没有系统考虑各变量之间的内在联系，也未能反映发酵过程的动态特性，因而带有很大的局限性和盲目性。
要对发酵过程进行优化控制，必须了解达到高产所必须具备的生产菌株生长状态（生长速率、形态、浓度等），相应的基质和氧的需要率，以及各种发酵条件对这种生长状态和需要量的影响。
由于发酵动力学是关于微生物生长率、基质和氧消耗率、产物合成率等动态变量之间关系以及它们与发酵条件之间关系的学问，因而掌握这些学问，就能更加系统（而不是孤立）、有效（而不是盲目）的驾驭这些发酵条件和动态变量，发酵过程的控制问题也就应刃而解了。
按发酵动力学原理对发酵过程进行优化控制，涉及到许许多多数据的采集、处理、综合、运算和参数估计，并要求具有实时性，这对于常规检测和控制手段来说是不可能做到的，必须采用在线检测技术和过程控制计算机。
反过来，实施计算机系统对发酵过程的参数估计与动态优化控制，也必须以能够描述各变量变化速率之间关系的动力学方程（即数学模型）为基础。
通过对发酵过程的知识的学习和资料的阅读，影响发酵产率及速度有以下因素：一．发酵罐的温度温度对细胞体内各种代谢影响很大，故对细胞的生长繁殖速率作用很大，有利于提高提高发酵产率与速度。
温度一方面是培养条件，也可认为是细胞本身特性（相对细胞对最佳温度的选择而言），一般动物细胞的培养温度为34～37℃，植物细胞培养温度最普遍为28℃左右。
《发酵工程》第6章 发酵动力学
在厌气条件下，厌氧微生物进行的是基质水平磷酸化。 以同型乳酸发酵为例：
所以，厌气发酵时，基质水平磷酸化所产生的ATP要比 当发酵过程充分供氧时氧化磷酸化产生的ATP少的多.
3.微生物生长代谢过程中的氧平衡
有机物完全氧化最终会被分解成二氧化碳和水。根据单一碳 源培养基内微生物生长代谢的基质和产物完全氧化的需氧量， 可建立下列平衡式：
QGO：即QO2微生物生长（无非细胞产物生成）时的比耗氧率（g 或molO2·-1菌体·-l）: g h 氧的消耗比速(见P134式8-10)
对于特定的菌株和特定的基质，纯生长得率是一常数，故又称 为生长得率常数。为区别于纯生长得率，可以把生长得率称为毛生 长得率。和各种培养条件下的毛生长得率相比，纯生长得率为生长 得率中的最大值，故也称为最大生长得率。这是一种理论生长得率， 是生长得率的极限值。
维持因数的大小代表细胞能量代谢效率的高低：维持因 数越大，表示能量效率越低；维持因数越小，则能量效率越 高。
对于特定的微生物菌株，在一定的培养条件和营养基质下， 维持因数是一个常数，它不因基质浓度、细胞浓度、细胞生长 速率和产物合成速率的不同而变化，
维持因数多种表示法：
基质维持因数mS：以基质消耗为基准 氧维持因数mO：以耗氧为基准 能量维持因数mkcal：以分解代谢热表示 ATP维持因数mATP：以ATP消耗表示。
S= (S)G+ (S)m+ (S)P+…
设：
YG:表示用于菌体生长的碳源对菌体的得率常数， m:表示微生物的碳源维持常数， Ym:表示碳源对代谢产物的得率常数。
则：
在以生产细胞物质为目的的发酵过程中（如面包酵母生产和 SCP），代谢产物的积累可以忽略不计,上式可简化为：
第六章 典型发酵过程动力学及模型
4、发酵反应动力学的研究内容
研究反应速度及其影响因素并建 立反应速度与影响因素的关联
反应动力学模型
+
反应器特性
反 应 器 的 操 作 模 型
操作条件与反应结 果的关系，定量地 控制反应过程
5 获取最大效益
5、已建立动力学模型的类型
机制模型： 根据反应机制建立 几乎没有 现象模型（经验模型）：目前大多数模型 能定量地描述发酵过程 能反映主要因素的影响
1
一、概述
1、发酵的实质：生物化学反应。 2、发酵过程动力学主要研究各种环境因素与微 生物代谢活动间的相互作用随时间而变化的规 律。 3、研究方法 采用数学模型定量描述发酵过程中影响细胞 生长、基质利用和产物生成的各种因素。
2
3、发酵过程的反应描述及速度概念
(1)、发酵过程反应的描述
X S（底物） → X（菌体） ＋ P（产物）
6
二、分批发酵动力学
(一)、对微生物生长过程描述
对细胞群体进行描述，而不是对单一细胞； 不考虑细胞间的差别； 将细胞视为单一组成，不考虑环境对细胞组成的 影响（非结构模型）或 考虑环境对细胞组成的影 响（结构模型） 认为细胞生长过程中，各组分以相同比例增加， 即细胞均衡生长； 将细胞视为单独的生物相（分离化模型）或将细 胞与培养视为同一相（均一化模型）；
25
二、机制模型 “白箱”系统 (1)要求对内在机制有深刻的认识； (2)精确、可靠的基础数据。 无条件限制下的微生物种群生长P125
26
三、常规细胞反应动力学模型
机制分析 Y=f(x1,x2,…,xn) 获取数据
参数 估计
模型
兽疫链球菌分批发酵过程动力学模型推导P126 龙格库塔法： /kecheng/jisff/dzja/ch8/ch8-2.htm
6第六章发酵动力学
单一限制性基质：就是 指在培养微生物的营养 物中，对微生物的生长 起到限制作用的营养物。
限制性底物是培养基中任何一种与微
生物生长有关的营养物，只要该营养物 相对贫乏时，就可能成为限制微生物生 长的因子，可以是C源、N源、无机或 有机因子。
营养物质相对贫乏的标准（量）？
是指该物质的浓度比生长速率μ达μm 时对应的最低底物浓度以下时的情形。 此浓度称为临界底物浓度，任一营养物 质的浓度若高于临界底物浓度则为非限 制性底物，低于临界底物浓度即为限制 性底物。
3、产物形成动力学模式
Gaden对发酵的三分类与Pirt方程： p x
〖生长偶联型〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
如：葡萄糖厌氧发酵生成乙醇
p x
〖部分生长偶联型〗产物的形成和菌体的生长部分偶联 如：氨基酸发酵，柠檬酸等有机酸的发酵
p x
〖非生长偶联型〗产物的形成和菌体的生长非偶联 如抗生素，微生物毒素等次级代谢产物的生产
Monod方程的意义
当S«Ks, μ-S是线性关系，μ与S成正比。 当S» Ks ，μ≈ μmax，此时微生物的生长不
受限制基质的影响。
对某一钟微生物在某种基质条件下， μmax 和Ks 是一定值。
不同的微生物有不同的μmax 和Ks 。即 使同一种微生物在不同的基质种也有不 同的μmax 和Ks 。
m m
这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长 速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。 但在低S值时， μ的偏差较大，影响Ks值的精度。第二方程 好用一些，在低S值时精度高，也可用回归方法 。
例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：
S(mg/l) 6 33 64 153 221 μ(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70 求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?
生化工程考试大纲及详细解释
绪论1、重点1) 生化工程的定义（识记）将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发，成为可供工业生产的工艺过程，常称为生化工程2 )生化工程的研究内容（识记）１、培养基灭菌、空气除菌、通气搅拌、反应器及比拟放大２、微生物的连续培养３、生物反应动力学４、固定化酶技术及应用2、次重点生化工程的发展历程（识记）生化工程学诞生于上世纪40年代。
早期的发酵工业只有较少种类的产品，其中厌氧发酵产品居多。
如酒类、乳酸。
厌氧发酵由于不大量供应氧气，染杂菌导致生产失败的机会较少，故而深层液体厌氧发酵早就具有相当大的规模。
那时只有少数的好氧发酵产品采用了深层液体发酵生产法，如面包酵母，醋酸。
前者因为酵母的比生长速率较高，后者因为醋酸的生成导致发酵液中pH降低，不易污染杂菌。
40年代前期，正好是第二次世界大战期间，战场上有成千上万的伤员需要救治，急需药物（非磺胺类）防止伤口感染。
早在1928年英国的学者Fleming发现了青霉素，1940年分离出纯品，1941～1942年在临床上应用，证明有非常好的疗效，这时急待将青霉素投入工业化生产。
第二章培养基灭菌和空气除菌1、重点1）微生物的热死灭动力学（应用）2）空气过滤设计（应用）2、次重点1）分批灭菌的设计（应用）分批灭菌：就是将配制好的培养基放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，通常也称为实罐灭菌。
2）连续灭菌反应器的流体流动模型（理解）3）连续灭菌设计（应用）连续灭菌：培养基在发酵罐外经过一套连续灭菌设备，以比分批灭菌高的温度和较短的时间进行快速连续加热灭菌，并快速冷却，再立即输入预先经过空罐灭菌后的发酵罐中3 、一般1）空气除菌方法（理解）(加热灭菌,辐射灭菌,化学灭菌,静电除尘,介质过滤)2）典型空气除菌流程（识记）(高空采风—空压机—贮罐—冷却器—总过滤器—分过滤器—净化空气—进罐)(北方) (湿度大时,应该在冷却器后加上油水分离器和除雾器)3）新型过滤器（理解）(聚乙烯醇过滤器,折式过滤除菌器,高效烧结金属过滤器,绝对过滤器)第三章氧的供需1、重点（1）概念：比耗氧速率:单位质量的细胞（干重）在单位时间内消耗氧的量。
发酵工程第六章发酵动力学
柠檬酸、氨基酸发酵
d dP td d x tx qP
产物间接由能量代谢生成，不是底物的 直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的 主流产物（与初生代谢紧密关联）。
分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长不相关→无关联：抗生素发酵
dP x
dt
qp
若考虑到产物可能存在分解时，则
① 当S较高时，(对数期满足S>>10Ks)，此时，µ= µm ② 当S较低时，(减速期， S<<10Ks)，此时S↓，µ ↓
∴ 减速期， µ ↓
ms
Ks s
1949年Monod发现，细菌的比生长 速率 与单一限制性底物之间存在这样 的关系：
max
S Ks S
比 生
Monod方程：
mSt Ks St
Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程(1949)
V V
1.2
μV1m
0.8 0.6
0μV.m4/2
0.2 0
0KKms 200
400 S 600
800 1000
1.2 V1m
0.8 0.6 0V.m4/2 0.2
0 0K m 200
400 S 600
800 1000
max
研究发酵动力学的目的
➢ 认识发酵过程的规律 ➢ 优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参
数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧， 等等 ➢ 提高发酵产量、效率和转化率等
发酵动力学研究的基本过程
首先研究微生物生长和产物合成限制因子； 建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型； 确定模型参数； 实验验证模型的可行性与适用范围； 根据模型实施最优控制。
第六章微生物细胞反应动力学
1 D1 D2
CX1 0.85CX 2; 2 D
2
1 (1
CX1 CX 2
)
1 (1
0.85)
0.151
1
2
0.15
m
0.15
2
0.15
2
0.3
以上计算，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。
mX mS
分批培养瞬时得率系数可写成：
YX
S
rX rS
• 总的细胞得率系数可写成：
YX
S
CXt CX 0 CS 0 CSt
㏑(CX/C0)
二、微生物间歇培养
1)延滞期 μ= 0 2)加速期 0＜μ＜μmax 3)对数期 μ= μmax 4)减速期
Monod方程：
max
CS Ks CS
rX
dcX dt
CX
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= μmax，是常数，积分得到：
ln CX t
CX 0
2、细胞反应过程的得率系数
（1）相对底物的细胞得率系数 YX S
定义：
YX
S
生成细胞的质量 消耗底物的质量
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
KS K s 1 S0 K S KS S0 Pt Y x / s m 1 S K KS 0 S S0 K S
KS Pt Y x / s m 1 S K 0 S KS Pt Y x / s m 1 S K 0 S
解（1）根据题意，单级CSTR在稳态下有， μ＝D = F/V =1/5 = 0.2 min-1 依据莫诺方程μ＝μmS/(Ks+S)得， 0.2=1.2S / (2+S) S = 0.4 g/L 由 X＝Yx/s (S0 – S) 得， X=0.1×（6 – 0.4）＝0.56 g/L 由 dX/dt =μX 得， dX/dt = 0.2×0.56＝0.112 g/(L· min)
S0 K S K S
Pt Y x / s m
S
0
K S K S S 0 K S S0 K S
2
Pt Y x / s m
S0 K S K S
2 2
S0 K S KS Pt Y x / s m S 0 S0 S0 如果S 0 K s，则Pt Y x / s m S 0
对函数Pt＝D· Yx/s · [S0 –Ks·D/(μm –D)]求极值
令Pt’(Dopt)=0
K S D D YX / S S0 D 0 m 2 KS D D S0 D 0 m 2 KS D D S 0 D 0 m KS 2 2 S0 m D D D m D 0 2 m D
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/dt = 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 0.2 g/L Yx/s =0.5 gX / g S S0=10 g/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) 0.06 0.12 0.24 0.31 0.43 6 13 33 40 64 X(mg/L) 427 434 417 438 422 D(h-1) S(mg/ L) 0.6 0.66 0.69 0.71 0.73 122 153 170 221 210 X(mg/L) 434 422 430 390 352
（2）生产强度Pt=D · Yx/s · [S0 – Ks · D/(μm – D)] 令dPt/dD=0，此时Pt为极大值，相应的稀释率为 Dopt =μm · [1 –(Ks/(Ks+S0))1/2] =1.2×[1 –(2/(2+6))1/2] = 0.6 min-1 最佳加料速率 F = Dopt · V = 0.6×5 = 3 L/min
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。
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 性底物送人反应器，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。
Pt m 1
K S K s m 1 S K KS 0 S Y x / s S 0 S0 K S KS m m 1 S K 0 S
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 q p· 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
第六章 连续培养动力学
在培养过程中，不 断向反应器流加培 养基，同时以相同 流量从反应器中取 出培养液，这种操 作方式称为连续培 养。
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
m
D
K S m S0 K S
2
D m m D m 1
KS S0 K S
KS S0 K S
KS Dopt m 1 S0 K S 因Ks S 0，可知Dopt 就在Dcrit附近 细胞最大生产强度 Pt Dopt X Pt Dopt K s Dopt Y x / s S 0 m Dopt
KS S0 2 m D S0 S0
m
D 2D D2 0
KS 2 0 2 D D m 2 m D KS 2 m D
2
m
D m
2
2
0
S0 K S
K S m 0 2 m D
dX/dt = 0.6×0.1×[6 – 2×0.6/(1.2 – 0.6)] = 0.24 g/(L.min)
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。
第二级反应器反应动力学
0.53
102
427
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：
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) (14) 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 = F X / V = X / (V/F) = D ·X Pt＝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）
S0 S0
KS S0 K S K S 1 S K 0 S
S0 K S K S
Ks
K S S 0 K S S0 K s Pt Y x / s m 1 S K 0 S
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 D =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)
D ＜0.25Dcrit，不 可忽略维持代谢 D ＞ 0.75Dcrit,可能 产生代谢产物。
例6.2
在甘露糖醇中培养大肠杆菌，其动力学方程为： dX/dt = 1.2×S×X/(2+S) g/(L· min)。已知 S0 ＝6 g/L，Yx/s = 0.1。试问（1）当甘露糖醇溶 液以1 L/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？
dS/dt = D · (S0 –S) – (μ/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 =0 D· (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 · P dP/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 = 0 Yp/x · X–P=0 (8) 或 q p· X – D ·P = 0 (9)