发酵过程

连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵

稳态时
1 D
x1 YX / S ( S0 S1 )
KS D S1 m D
KS D Dx1 DYX / S ( S 0 ) m D
DP1 qP x1
多级恒化器连续发酵 第二级细胞物料衡算
dx2 Dx1 Dx2 2 x2 x2 dt
第二节 分批发酵动力学
分批发酵动力学
细胞生长动力学 基质消耗动力学 产物形成动力学
分批发酵动力学-产物形成动力学
根据发酵时间过程分析，微生物生长与产物 合成存在以下三种关系：
与生长相关→生长偶联型 与生长部分相关→生长部分偶联型 与生长不相关→无关联
相关型
部分相关型
非相关型
产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图
反应器内(V)全混流,溶质浓度处处相等
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
定义： ① 稀释率 D=F/V (h-1)
F—流量（m3/h） V—培养液体积（m3） ② 理论停留时间
TL 1 D
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵

细胞的物料衡算（µ和D的关系）
积累的细胞（净增量）= 流入的细胞-流出的细胞+生长的细 胞-死亡的细胞
酵中不同稀释率
下的稳态细胞浓 度、限制性基质
浓度和细胞生产
率的变化。
例题

已知某一微生物反应，其细胞生长符合Monod动
max 0.51 , K S 2 g / L, S0 50 g / L, YX ， 1 S
力学模型， 其
试问：
(1)在单一CSTR（连续搅拌式反应器）进行反 应，稳态下操作且无细胞死亡，欲达到最大的细胞 生产率，其最佳稀释率是多少? (2)采用同样大小N个CSTR相串联，其D值相同， 若要求最终反应基质浓度降至1g/L以下，试求N至 少应为多少级?
S2的求解
KS D S1 x1 YX / S ( S0 S1 ) x m D 1 1 2 D （1） （2） x2 mS2 （3） 2 x2 YX / S S0 S 2 k s S2
（1）＝（3）
2 KS D2 KS D2 m D S m S0 K S D S2 0 m D m D 2 2
dS2 0 忽略m, qp 稳态时， dt DYX / S D S1 S 2 x2 ( S1 S 2 ) YX / S
2
2
连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵
第二级基质物料衡算
x1 2 D 1 x 2
x2 YX / S
操作简单、投资少
运行周期短 染菌机会减少
生产过程、产品质量较易控制
缺点：
不利于ห้องสมุดไป่ตู้定过程动力学，存在底物限制或抑制问
题，会出现底物分解阻遏效应?及二次生长?现象。
对底物类型及初始高浓度敏感的次级代谢物如一
些抗生素等就不适合用分批发酵（生长与合成条 件差别大）
养分会耗竭快，无法维持微生物继续生长和生产

两个及两个以上的发酵罐串联起来，前一级发酵罐的出 料作为下一级发酵罐的进料。
两级连续发酵示意图
连续发酵动力学-发酵装置-多级串联
培养基输入 培养液进入 下一级发酵罐
多级罐式连续发酵装置示 意图
罐式连续发酵实现方法
培养液进入 后处理或到 下一级发酵罐
恒浊法：通过调节营养物的流加速度，利用浊
度计检测细胞浓度，使之恒定。 恒化法：保持某一限制性基质在一恒定浓度水 平，使菌的比生长速率µ保持一定。
时
可获得最大的细胞生产率，为
Dx m
K S S0 KS YX / S m S0 S0 S0
2
细胞生产率

连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
Dx m
K S S0 KS YX / S m S0 S0 S0
（二）连续发酵动力学模型
1.单级恒化器连续发酵
2.多级恒化器连续发酵
3.进行细胞回流的单级恒化器连续发酵
（三）连续发酵动力学理论的应用
连续发酵动力学-发酵装置

连续发酵类型及装置

罐式连续发酵
单级 多级串联 细胞回流式
塞流式连续发酵
连续发酵动力学-发酵装置-单级
单级连续发酵示意图
连续发酵动力学-发酵装置-多级串联

稳态时
dP2 0 dt
DP2 DP qP x2 qP x1 qP x2 1
连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵
第二级发酵罐产物浓度
q P x2 P2 P 1 D
同理类推
qP xn Pn Pn1 D
连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵
二级连续发
ds x 稳态时， =0,一般条件下,mx << dt YX / S
qP x 0 产物相对菌体生长量较少, YP / S
DS0 S
x
YX / S
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵

x, s, Dx与D关系总结：
D
x YX / S S0 S
KS D S m D
解此方程可得第二级发酵罐中稳态限制性基质浓度S2,再由 式(2)可确定x2,再求出Dx1,Dx2.
连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵
细胞形成产物的速率：DP2
dP2 dP2 DP1 DP2 kP 2 dt dt 细胞合成 DP1 DP2 q P x2
dP x kd P q p x kd P dt
产物生成与能量代谢不直接相关，通过细胞
进行的独特的生物合成反应而生成。
分批发酵动力学
应用举例
杀假丝菌 素分批发酵 中的葡萄糖 消耗、DNA 含量和杀假 丝菌素合成 的变化 。
杀假丝菌素分批发酵动力学分析
分批发酵的优缺点
优点：
dP dx x qP dt dt
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（与初级代谢紧 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
2
若S0>>Ks （S0>10Ks）,底物供给浓度很大，为非限制性 则 Dx Y S
max
X /S
m
0
此时，最大临界稀释率
∴当D>Dc= m 时， dx 0 dt
Dc
m S0
K S S0
m
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
产物的物料衡算

产物变化率=细胞合成产物速率+流入-流出-分解项
第二级稳态时， dx2 0, D1 x1 2
dt

x2
同理,由稳态方程可得， D(1 n
xn 1 ) xn
连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵
多级恒化器的第二级动力学模型
1 m S1
k s S1
m
1 K S S1

几个假设：
① µ只受单一底物限制 ② Yx/s对一定的µ来讲，为常数 ③ D<DC
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
稀释率（D） 对底物浓度(S)、 细胞浓度(x)和 细胞生产率(DX) 的影响。
KS D m 1 K S S0

在甘露醇中培养大肠杆菌，其动力学方程为
2
m S2
ks S2

m
1 K S S2
∵ S1<S0 ， S2<S1
2 1 D
从第二级开始，比生长速率 n 不再等于稀释率D.
连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵
第二级基质物料衡算
dS2 2 x2 q P x2 DS1 DS 2 mx2 dt YX / S YP / S
连续发酵动力学-发酵装置-细胞回流式
F Se
(1 ) F X
F Xe
F, cX
细胞回流的单级连续发酵示意图
a: 再循环比率（回流比） c: 浓缩因子
连续发酵动力学-发酵装置-塞流式
无菌培养 基流入
发酵罐 d 供给连续接 种再循环
培养物 流出
单级恒化器连续发酵
o
连续反应器： 流入速度=流出速度= F
分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长相关→生长偶联型：乙醇发酵
dP dx 1/ x YP / X qP YP / X dt dt
产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直 接结果，菌体生长速率的变化与产物生成速率的 变化相平行。
分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长部分相关→生长部分偶联型： 柠檬酸、氨基酸发酵
A.稳定状态时，
dx 0 dt
此时 µ=D（单级连续发酵重要特征）
B.不稳定时，
当µ>D，
当µ<D，
dx 0, x dt
dx 0, x dt
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵

限制性基质的物料衡算
积累的营养组分=流入量-流出量-生长消耗量维持生命需要量-形成产物消耗量
ds F F x qP x S0 S mx dt V V YX / S YP / S
（1）x=0.56g/l, rx=0.112g/(l*min) (2)0.394(l/min) (3)能，x=0.26g/l,s=0.4g/l
连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵
多级恒化器的第一级动力学模型
假设两级发酵罐内培养体积相同，即V1=V2；且第二级不加入 新鲜培养基，则对于第一级动力学模型（方程）与单级相同。
dx F F dx x0 x x dt V V dt G Dx0 Dx x x
对于单级恒化器：X0 =0 且通常有：
dx D x dt
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
dx D x dt
1.2CxCs rx 2 Cs
g ( L *min)
已知S0=6g/L,Yx/s=0.1,Um=0.6g/(l*min)试求：（1）当甘露醇浓 度以1L/min的流量进入体积为5L的CSTR中进行反应时，其反 应器内细胞浓度及生长速率为多少？(2)如果要求大肠杆菌在 CSTR内的生长速率达到最大，稀释速率应为多少？（3）若将 流入的培养基浓度减少一半，过程能否平衡，若能，X,S稳态 时分别为多少？
dP dP DP0 DP k D P dt dt 细胞合成 qP x D ( P0 P ) k D P

dP 当连续发酵处于稳态， ( )总变化 0 ， dt
且加料中不含产物，即 P0 得
0 ，P分解速率可忽略。
DP qP x
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
KS 2 1 (1)根据 D max max 1 0.51 0.402 h K S S0 2 50 解： （2）对第一个反应器，其 出口浓度分别为 S1 K S D max 2 0.402 8.2g / L, max D max 0.5 0.402
D
2
S1 S 2
x2 x1 YX / S S1 S 2
x2 x1 YX / S S1 S 2 YX / S S 0 S1 YX / S S1 S 2
x2 YX / S S 0 S 2
连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵
非生产时间长，生产率较低
第三节 连续发酵动力学
什么是连续发酵？

概念：在发酵过程中，连续向发酵罐流加培养基，
同时以相同流量从发酵罐中取出发酵液。

特点： 添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形 成连续生产过程，获得相对稳定的连续发酵状态。

连续发酵类型： 单级、 多级连续发酵
主要内容
（一）连续发酵类型及装置
KS D Dx DYX / S S 0 m D
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
细胞生产率
KS D 细胞生产率 Dx DY X / S S 0 m D dDx 0, 当 dD
KS D m 1 即 K S S0