9微生物反应动力学

细胞浓度X，限制性基质S，细胞生产速率DX与稀释
率D的关系如图。
三、连续培养动力学
3、多级串联连续培养动力学 多级串联连续培养可提高生产能力。
二级连续培养的细胞浓度X1、X2，限制性基质 S1、S2，细胞生产速率DX1 DX2与稀释率D的关系 如图。 D﹥DC时，一、二级罐中细胞被洗光。 D﹤DC时， X2 ﹥ X1 ；S2 ﹥ S1。 说明二级连续培养的限制性基质利用较完全。
②基质消耗速率（以碳源讨论）
ds µx 1 dP 基质消耗：- — = — + m x + — — dt YG YP dt
YG 、 YP —细胞、产物对基质的得率系数； m —维持系数，单位质量干菌体在单位时间内，维持 代谢消耗的基质量； µ —比速率，单位质量干菌体在单位时间内，产物 生成或基质消耗的速率。
分两种情况：
①菌体生长类型：产物就是菌体；
②代谢产物类型：产物是碳源的直接氧化产物。
如：酒精、乳酸、葡萄糖酸等。
一、发酵类型
2、第Ⅱ型 产物形成间接与碳源利用有关
特点：第一时期，菌体迅速增长，产物很少或无； 第二时期， 产物高速形成，生长可能有第二峰；碳源利 用出现两高峰。（部分相关） 其产物不是碳源的直接氧化产物，而是菌体代谢的 主流产物，产量较高。
第九章
微生物反应动力学
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提纲
一、发酵类型—动力学模型
1、第Ⅰ型 2、第Ⅱ型 3、第Ⅲ型
二、分批培养动力学
1、分批培养中细胞的生长动力学 2、分批培养中基质的消耗动力学 3、产物的生成动力学
三、连续培养动力学
1、连续培养的优点
3、多级连续培养 5、连续培养的实施
2、单级连续培养
4、细胞循环使用的连续培养
②发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制； ③易于分期控制，可以在不同的罐中控制不同的 条件。
三、连续培养动力学
2、单级连续培养
物料平衡计算式：
流入速率=流出速率+消耗速率+积累速率
D（稀释率）：单位时间内加入的培养基体积占 罐内培养基体积的分率。=F/V
达稳态后， D= µ （但D有一临界值DC） 若D﹥DC， µ﹤D，X不断下降，最后罐中细胞被洗光。
二、分批培养动力学
②基质消耗速率（以碳源讨论）
产物生成忽略 ：
1 1 m — =—+ — Yx/s YG µ Yx/s易测出，以不同µ的Yx/s作图，可图解 法求出YG 与m对应值。而利用连续培育，易求 出Yx/s与µ的关系，进而求出YG 与m。
二、分批培养动力学
3、产物的生成动力学
第Ⅰ型 （直接相关） 第Ⅱ型 （部分相关） dP dX — = YP/X — dt dt
一、发酵类型
二、分批培养动力学
一次投料，一次接种，一次收获的间歇培养。 细胞、基质、产物浓度均随时间而不断变化。 1、分批培养中细胞的生长动力学 延迟期：细胞增加少，培养基浓度对其长短影响不大； 对数生长期：细胞增加与种类、培养基、温度、PH、 限制性基质浓度等因素有关； 减速期：营养物（限制性基质）不足，有害物积累， 细胞增长速度下降； 稳定期：营养物（限制性基质）耗尽，有害物大量积 累，细胞浓度达最大值； 衰亡期：细胞浓度下降，菌体开始死亡。
二、分批培养动力学
2、分批培养中基质的消耗动力学
①得率系数(倒数表示生成单位细胞或产物需要量)
菌体耗基质 Yx/s= △ X/ △ S
菌体耗氧 产物耗氧 Yx/o= △ X/ △ O2 YP/O= △ P/ △ O2
产物耗基质 YP/s= △ P/ △ S
种不同，基质不同，系数各异。
二、分批培养动力学
一、发酵类型
微生物反应动力学：
研究各种环境因素与微生物代谢活动之间 相互作用随时间而变化的规律。
发酵过程的动力学模型：
讨论产物形成与底物利用的关系。
如：碳源利用与产物形成速度的关系。
一、发酵类型
1、第Ⅰ型 产物形成直接与碳源利用有关
特点：菌体生长、碳源利用和产物形成几乎都在
相同的时间出现高峰。（直接相关）
三、连续培养动力学
4、细胞循环使用的单级连续培养动力学
细胞回流的连续培养：
流出液固液分离→浓缩后的细胞悬浮液→发酵罐 优点：提高了发酵罐中的细胞浓度，有利于提高
连续培养系统的操作稳定性。
回流和不回流时，细胞浓度X，细胞生产速率DX（XC） 与稀释率D的关系如图。 回流时，临界稀释率增大，可在D＞µ下操作，提高 了细胞的生产速率，加快了基质消耗速率。
本章知识结构
三种发酵类型的特点 分批培养动力学
★分批培养中细胞的生长动力学
连续培养动力学
★细胞循环使用的单级连续培养动力学
预习内容—下游加工工程
下游加工工程的一般程序
下游加工工程的常用分离、纯化方法
dP dX — = α — + βX α：与生长关联的细胞生产能力； dt dt β ：非生长关联比生长速率； 第Ⅲ型（不相关） dP — = qP X – KP K：不稳定产物的失活常数 dt
三、连续培养动力学
连续培养的两种方式：罐式；管式反应器。 1、连续培养的优点：
①提高设备利用率和单位时间产量，只保持一个 期的稳定状态；
三、连续培养动力学
5、连续培养的实施
优点： ①细胞的比生长速率越大，辅助操作时间越长，连续培 养的优势越大。 ②在连续培养中，选择适当的限制性基质，可使产物量 大大提高。 ③多级连续培养方法可满足微生物不同生长阶段对不同 营养的要求。 缺点： ①发酵周期长，杂菌污染机会多。 ②传代次数多，菌变异而使生产能力下降。
分两类：
①产物的形成是经过连锁反应的过程； 如：丙酮丁醇
②产物的形成不经过中间产物的积累。
如：谷氨酸
一、发酵类型
3、第Ⅲ型 产物形成表面上与碳源利用无 关（不相关）
特点：产物形成在菌体生长达最高时（稳定期）。 产量远低于碳源耗量，无准量关系。 如：抗生素、维生素等次级代谢产物。 产量一般不超过碳源耗量的10％。