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1、第1页，此课件共119页哦第2页，此课件共119页哦第3页，此课件共119页哦 XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）发酵过程反应的描述发酵过程反应的描述第4页，此课件共119页哦第5页，此课件共119页哦 发酵反应动力学的研究内容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第6页，此课件共119页哦第7页，此课件共119页哦第8页，此课件共119页哦txx dd1),(ddISxftx 比生长速率比生长速率：单位菌体的生长速率：单位菌体的生长速率 h h-
2、1-1xtxdd比生长速率比生长速率与许多因素有关，当温度、与许多因素有关，当温度、pHpH、基质浓度、基质浓度等条件改变时，等条件改变时，随之改变随之改变 693.02lndt第9页，此课件共119页哦SKStxxsmaxdd1f(s,I,P,T,pH,)f(s)式中：max 最大比生长速率（1/h）Ks 底物饱和常数（g/L）第10页，此课件共119页哦SKSsmax 与米氏方程比较与米氏方程比较00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2Kmsksvvmmax第11页，此课件共119页哦MonodMonod方程的参数求解方程的参数求解(双倒数法双倒
3、数法)：将将MonodMonod方程取倒数可得：方程取倒数可得：111smmSKsmmSKS或：测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速率，通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。maxsKSS第12页，此课件共119页哦例：例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：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(h-1)0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的求在该培养条件下，求大肠杆菌的maxmax，KsKs和和t td d?解：将数据整理：S/100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 3
4、3 64 153 221smmSKS第13页，此课件共119页哦 max=1.11(h-1);Ks=97.6 mg/L01002000100200300400/ssm10.9m108.4sktdln2/max0.64 hsmmSKS第14页，此课件共119页哦),dd,f(ddItxxStPdtdPxQp1第15页，此课件共119页哦（一）产物形成与菌体生长的关系（一）产物形成与菌体生长的关系 产物的形成和菌体的生长相偶联产物的形成和菌体的生长相偶联xpxtxtPddddPQ如乙醇、丙酮酸等如乙醇、丙酮酸等初级代谢产物的发初级代谢产物的发酵酵 第16页，此课件共119页哦2.2.非生长联系型非
5、生长联系型 产物的形成和菌体的生长非偶联产物的形成和菌体的生长非偶联xpPQxtPdd多数抗生素多数抗生素发酵发酵第17页，此课件共119页哦 3.3.复合型（部分生长联系型）复合型（部分生长联系型）产物的形成和菌体的生长部分偶联产物的形成和菌体的生长部分偶联xpPQxxtPdd柠檬酸柠檬酸 第18页，此课件共119页哦PKxKxp43ddtxaSKbStPddddxSKSKPQtPsPP/1ddmax第19页，此课件共119页哦消耗基质的量菌体增加的量SxtStxYsx)/(/消耗基质的量产物增加的量SPtStPYSP)/(/转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。转化率：往往是指投入
6、的原料与合成产物数量之比。第20页，此课件共119页哦mYYGsx11/第21页，此课件共119页哦第22页，此课件共119页哦SS1 菌体菌体S2 产物产物S3 维持维持 XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）+维持维持维持消耗维持消耗(m)(m)：指维持细胞最低活性所需消耗的指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。需的基质的量是一个常数。第23页，此课件共119页哦 XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）+维持维持m:维持消耗系数维
7、持消耗系数Y YP/sP/s:产物对基质的理论得率系数产物对基质的理论得率系数YG:细胞对基质的理论得率系数，细胞对基质的理论得率系数，Y*x/s312dsdsdsdsdtdtdtdt物料衡算：物料衡算：mQYYQPspGS/11第24页，此课件共119页哦第25页，此课件共119页哦第26页，此课件共119页哦第27页，此课件共119页哦第28页，此课件共119页哦第29页，此课件共119页哦第30页，此课件共119页哦第31页，此课件共119页哦分批发酵中微生物的生长情况分批发酵中微生物的生长情况时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期延迟期：dxdt 0 0指数生长期:mma ax
8、 x减速期:ddt 0 0静止期：;dxdt0 0mma ax xX XX X衰亡期:dxdt0 0第32页，此课件共119页哦xKxtxdddxKxSKStxdsmaxddxSKStxsmaxdd第33页，此课件共119页哦 xSKSYtxYtssSxSx/max/dd1dd 第34页，此课件共119页哦xSKSYtPSxPmax/dd第35页，此课件共119页哦第36页，此课件共119页哦第37页，此课件共119页哦第38页，此课件共119页哦（二）不同的补料分批培养方式（二）不同的补料分批培养方式第39页，此课件共119页哦VxtVxd)d(VxYtVxYtVPxPxP/d)d(d)d(
9、VxYFStVxYFStVSSxFSxF/1d)d(1d)d(（三）恒速流加（三）恒速流加第40页，此课件共119页哦xVFxtxddxYSSVFtSSxF/1)(ddPVFxYtPxP/dd式中：V 反应器中培养液体积（L）SF 流加培养液中底物的浓度（g/L）F 流加速率（L/h），F=dv/dt第41页，此课件共119页哦tYFSVXXVSXF/00FtVFD0第42页，此课件共119页哦teVXXVXVdtVXd00)(xYSSVFtSSxF/1)(dd0ddtS)()(/00/mSFSXtFSXkSYeVXSSYXVF第43页，此课件共119页哦第44页，此课件共119页哦第45页，
10、此课件共119页哦第46页，此课件共119页哦Q，S0 x0，P0Q，Sx，PV，S,x，P第47页，此课件共119页哦第48页，此课件共119页哦0)dd(积累tx 积累积累 输入输入 输出输出 生长生长 死亡死亡VxKVtxQxQxtxVdO生长积累)dd()dd(稳态下，反应器中的细胞浓度稳态下，反应器中的细胞浓度x x不变，不变，即即进料液细胞浓度为零，且忽略细胞死亡，即进料液细胞浓度为零，且忽略细胞死亡，即x x0 0=0=0，K Kd d=0,=0,VQD 定义稀释速率：定义稀释速率：最后得：最后得：D D=连续培养达到稳态的条件连续培养达到稳态的条件Q，S0 x0，P0Q，Sx，
11、PV，S,x，P第49页，此课件共119页哦把把MonodMonod方程式代入上式得：方程式代入上式得：SKSDSmax作图法求得作图法求得max max 和和Ks Ks 值值 在连续培养条件下，改变稀释率在连续培养条件下，改变稀释率D D，在达到另一个稳定态时，即有一个确，在达到另一个稳定态时，即有一个确定的底物浓度定的底物浓度S S SKDs111maxmax斜率斜率KS/max 1/max第50页，此课件共119页哦DDKSSmax)(max0/DDKSYxSSx)(max0/DDKSYPSSP细胞浓度：产物浓度：比生产速率：pxQp1基质浓度：第51页，此课件共119页哦第52页，此课
12、件共119页哦00maxSKSDSc第53页，此课件共119页哦)/(1 0maxSKKDSSm第54页，此课件共119页哦g/g 5.0,g/L 10g/L 2.0,h 0.1X/S0S1mYSKh)g/(g 0.375mg/g 8.0,g/L 10g/L 2.0,h 0.1G0S1mYSK第55页，此课件共119页哦浓度或生长能力Dx或DPS xS0稀释率DDmDc第56页，此课件共119页哦)()(1/11/11nnnSXXPnnnnSXnnnnnSSYYPPSSYXXXXXD第57页，此课件共119页哦第58页，此课件共119页哦第59页，此课件共119页哦第60页，此课件共119页哦
13、DmYYGSx111/改变稀释率改变稀释率D D，在达另，在达另一稳态时，再测定其值一稳态时，再测定其值Yx/SYx/S 第61页，此课件共119页哦连续培养中，最终在此培养连续培养中，最终在此培养体系中生存下来的微生物都体系中生存下来的微生物都是此时刻对该种底物表现出是此时刻对该种底物表现出最大生长的微生物（或一个最大生长的微生物（或一个微生物生态）。微生物生态）。当只有当只有B时时,建立稳态：建立稳态：B=D,对应对应S0如果引入微生物如果引入微生物A：=A(S0)A DXA增加增加s下降；下降；A，B下降下降B1.第84页，此课件共119页哦问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不
14、是发酵过程中氧很容易满一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足。足。例：以微生物的摄氧率例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计，计，0.25/0.052=4.8秒秒注意：注意：产物形成临界氧浓度和菌体呼吸临界溶氧浓度常常不一样；生物合产物形成临界氧浓度和菌体呼吸临界溶氧浓度常常不一样；生物合成临界溶氧浓度也不等于最适氧浓度。成临界溶氧浓度也不等于最适氧浓度。头孢菌素头孢菌素 卷须霉素卷须霉素生长生长 5%(相对于饱和浓度）相对于饱和浓度）13%产物产物 13%8%第85页，此课件共119页哦三、影响需氧的因素三、影响需氧的因素q 菌体浓度菌体浓度q Q
15、O2 遗传因素遗传因素 菌龄菌龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度 有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件XQrOO2222/1OXOYQ第86页，此课件共119页哦 反应器中氧的传递一、发酵液中氧的传递方程一、发酵液中氧的传递方程()()giliNkPPk ccCCiPPi气膜气膜液膜液膜N：传氧速率：传氧速率 kmol/m2.hkg:气膜传质系数气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数液膜传质系数 m/h第87页，此课件共119页哦C*P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度(*)lNK ccKl:以氧浓度为推动力的总传递系
16、数以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a(m2/m3)(*)lNvK a ccNv：体积传氧速率：体积传氧速率 kmol/m3.hKla:以以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数为推动力的体积溶氧系数 h-1第88页，此课件共119页哦二、发酵液中氧的平衡二、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：传递：)*(ccaKNvl消耗：消耗：氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面XQrOO22第89页，此课件
17、共119页哦三、供氧的调节三、供氧的调节(*)lNvK a ccC C有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过Kla Kla 和和C C*来调来调节，其中节，其中C C*P/HP/HNvHPKla第90页，此课件共119页哦第91页，此课件共119页哦调节调节Kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。，一般来讲大罐比小罐要好。45升升 1吨吨 10吨吨搅拌速度搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1第92页，此课件共119页哦 影响影响KlaKla的因素的因素 K
18、la Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。与发酵罐。一、影响摇瓶一、影响摇瓶klakla的因素的因素为装液量和摇瓶机的种类为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机摇瓶机往复，频率往复，频率80-12080-120分分/次，振幅次，振幅8cm8cm旋转，偏心距旋转，偏心距2525、12,12,转述转述250rpm250rpm第93页，此课件共119页哦装液量，一般取装液量，一般取1/10左右：左右：250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml例：例：500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响摇瓶中生产
19、蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92第94页，此课件共119页哦第95页，此课件共119页哦例例 黑曲霉生产糖化酶黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270 通气比通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量产量 1812 2416 2846提高提高N,比提高比提高Q有效有效第96页，此课件共119页哦2、实际上：、实际上：对于转速的调节有时是有限度的对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的通风的增加也是有限的蒸发量大蒸发量大中间挥发性代谢产物带走中间挥发性代谢产物带走第97页，此课件
20、共119页哦3、小型发酵罐和大型发酵罐调节、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点的特点q 小型发酵罐，转速可调小型发酵罐，转速可调q 大型发酵罐，转速往往不可调大型发酵罐，转速往往不可调 大型反应器的合理设计大型反应器的合理设计 对现有设备一定要注意工艺配套对现有设备一定要注意工艺配套第98页，此课件共119页哦第四节 溶氧浓度的变化及其控制一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定Kla下）：下）：rXQCL一般有一个低谷，在对一般有一个低谷，在对数生长的末期数生长的末期第99页，此课件共119页哦发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体生长，中后期
21、有利用产物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成。第100页，此课件共119页哦2、溶氧控制的实例、溶氧控制的实例GAXDO谷氨酸发酵谷氨酸发酵：要求：氧饱和度要求：氧饱和度1控制：控制：0-12小时小时 小通风小通风 12小时后小时后 增加通风增加通风原因：原因：0-12小时菌体量小时菌体量较小，采用小通风较小，采用小通风12第101页，此课件共119页哦第102页，此课件共119页哦第103页，此课件共119页哦SKSsmax第104页，此课件共119页哦第105页，此课件共119页哦第106页，此课件共119页哦第107页，此课件共119页哦第108页，此课件共119页哦第109页，此课件共119页哦第110页，此课件共119页哦第111页，此课件共119页哦第112页，此课件共119页哦第113页，此课件共119页哦第114页，此课件共119页哦红霉素发酵过程第红霉素发酵过程第2323批生产罐染噬菌体，批生产罐染噬菌体，90h90h后溶氧迅速后溶氧迅速回升，黏度比接种的发酵液还低回升，黏度比接种的发酵液还低第115页，此课件共119页哦第116页，此课件共119页哦第117页，此课件共119页哦第118页，此课件共119页哦感谢大家观看感谢大家观看第119页，此课件共119页哦