发酵操作方式及其动力学特征备课讲稿.ppt

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1、第一页,共52页。发酵发酵发酵发酵(f jio)(f jio)菌菌菌菌种的选育种的选育种的选育种的选育发酵发酵发酵发酵(f jio)(f jio)培养培养培养培养基设计基设计基设计基设计灭菌灭菌灭菌灭菌(mi jn)(mi jn)工工工工程程程程无菌空气制备无菌空气制备发酵种子扩大发酵种子扩大发酵种子扩大发酵种子扩大获得特定代谢特征的微生物获得特定代谢特征的微生物获得特定代谢特征的微生物获得特定代谢特征的微生物提供满足代谢要求的基质组合提供满足代谢要求的基质组合提供满足代谢要求的基质组合提供满足代谢要求的基质组合营造适应纯培养的环境营造适应纯培养的环境营造适应纯培养的环境营造适应纯培养的环境维

2、持无菌状态及耗氧的需求维持无菌状态及耗氧的需求维持无菌状态及耗氧的需求维持无菌状态及耗氧的需求制备符合发酵需要的催化剂制备符合发酵需要的催化剂制备符合发酵需要的催化剂制备符合发酵需要的催化剂发发发发 酵酵酵酵 过过过过 程程程程 进进进进 程程程程发酵操作方式发酵操作方式发酵操作方式发酵操作方式发酵过程控制发酵过程控制发酵过程控制发酵过程控制发酵反应器发酵反应器发酵反应器发酵反应器第二页,共52页。发酵操作发酵操作(cozu)(cozu)方式及其动力学方式及其动力学特征特征教学内容参见教学内容参见(cnjin)(cnjin)教材教材p95-119p95-119第三页,共52页。发酵过程按操作方

3、式发酵过程按操作方式(fngsh)(fngsh)区别一般分为区别一般分为3 3个基本类型个基本类型分批发酵分批发酵分批发酵分批发酵连续发酵连续发酵连续发酵连续发酵补料分批补料分批补料分批补料分批发酵发酵发酵发酵第四页,共52页。一、分批发酵一、分批发酵(Batch fermentation)1 1、定义:将发酵培养基一次性投入发酵罐,接种、定义:将发酵培养基一次性投入发酵罐,接种(jizhng)(jizhng)发酵后再一次性地将发酵液放出的一发酵后再一次性地将发酵液放出的一种间歇式发酵操作方式。种间歇式发酵操作方式。准封闭式的系统准封闭式的系统 非稳定的过程非稳定的过程(guchng)使用最广

4、泛的方式使用最广泛的方式2、特点、特点(tdin)第五页,共52页。菌种菌种活化活化摇瓶摇瓶配料配料灭菌灭菌空气空气除菌除菌种种子子发发酵酵发酵液发酵液第六页,共52页。(1)发酵)发酵(f jio)动力学动力学研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系,定量地描研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间动态定量关系,定量地描述细胞述细胞 生长生长 和和 产物形成产物形成(xngchng)过程规律。过程规律。4、分批发酵动力学、分批发酵动力学第七页,共52页。(2)发酵动力学研究的基本)发酵动力学研究的基本(jbn)过程过程 寻找过程变化的理化参数。寻找过程变化的理化参数。分析参数变化与发

5、酵分析参数变化与发酵(f jio)(f jio)代谢之间的规律。代谢之间的规律。建立数学模型描述参数间变化的关系。建立数学模型描述参数间变化的关系。在线控制,验证和修饰模型。在线控制,验证和修饰模型。第八页,共52页。(3)分批发酵动力学)分批发酵动力学a.细胞生长细胞生长(shngzhng)动力学动力学b.基质消耗动力学基质消耗动力学c.产物形成动力学产物形成动力学第九页,共52页。a、细胞、细胞(xbo)生长动力学生长动力学分批发酵微生物典型生长分批发酵微生物典型生长(shngzhng)曲线曲线第十页,共52页。通常以单位细胞通常以单位细胞(xbo)(xbo)浓度或细胞浓度或细胞(xbo)

6、(xbo)数量在单位时数量在单位时间内的增加量即比生长速率来表示(间内的增加量即比生长速率来表示(或或nn):):或或X细胞浓度(g/L);N细胞个数;t生长(shngzhng)时间;X0、Xt初始微生物浓度和t时细胞浓度;N0、Nt初始细胞个数和t时细胞个数;以细胞浓度表示的比生长(shngzhng)速率;以细胞数量表示的比生长(shngzhng)速率。微生物生长微生物生长(shngzhng)速率表示速率表示第十一页,共52页。llag:x不变,即lexp:(假定(jidng)无抑制作用存在)第十二页,共52页。lDeclineDecline(开始出现一种底物不足的限制)(开始出现一种底物不

7、足的限制):l 如果不存在如果不存在(cnzi)(cnzi)抑制物时抑制物时l Monod Monod 模型模型:式中:S限制性基质浓度(nngd),mol/L Ks底物亲和常数,mol/L;Ks越大,亲和力越小,越小。当S较高时,(对数期满足S10Ks),此时,=m 当S较低时,(减速期,S10Ks),此时S,减速期,第十三页,共52页。lStationary(不生长(shngzhng)或生长(shngzhng)率与死亡率相等):l ldying:l (浓度最大)(浓度最大)(比死亡速率比死亡速率,s-1)第十四页,共52页。假定整个生长阶段无抑制物作用存在假定整个生长阶段无抑制物作用存在(

8、cnzi),则分批,则分批发酵过程中微生物生长动力学可用阶段函数表示如下:发酵过程中微生物生长动力学可用阶段函数表示如下:0 x0 (0tt1)m x0e m t (t1tt2)=x=e t (t2tt3)0 xm(t3tt4)-a xme-a t(t4tt5)第十五页,共52页。l培养液中有抑制物的情形培养液中有抑制物的情形l 高浓度基质高浓度基质(j zh)(j zh)抑制存在的情况下抑制存在的情况下l l式中,式中,KisKis为抑制常数,抑制作用越强,为抑制常数,抑制作用越强,KisKis越小越小 高浓度产物(chnw)抑制的情况下 线性线性 指数指数 产产物物积积累累一一定定量量才才

9、有有抑抑制制作用作用其中:k,k1,k2为常数A:B:C:第十六页,共52页。l 培养基中存在(cnzi)多种限制性营养物l Monod方程可修整为第十七页,共52页。得得率率系系数数:指指消消耗耗单单位位营营养养物物所所生生成成(shn chn)的的细细胞胞或或产产物物数数量量。其其大大小小取取决决于于生生物物学学参参数数(,x)和和化化学学参数(参数(DO,C/N,磷含量等)磷含量等)生长得率系数生长得率系数 Yx/s、Yx/o、Yx/kcal:消消耗耗每每克克营营养养物物、每每克克分分子子氧氧以及每千卡能量所生成以及每千卡能量所生成(shn chn)的细胞克数;的细胞克数;Yx/c、Yx

10、/N、Yx/p、Yx/Ave-:消消耗耗每每克克C、每每克克N、每克每克P和每个有效电子所生成和每个有效电子所生成(shn chn)的细胞克数;的细胞克数;Yx/ATP:消消耗耗每每克克分分子子的的三三磷磷酸酸腺腺苷苷生生成成(shn chn)的细胞克数。的细胞克数。B、基质、基质(j zh)消耗动力学消耗动力学第十八页,共52页。消耗(xioho)每克营养物(s)或每克分子氧(O2)生成的产物(P)、ATP或CO2的克数。l 产物产物(chnw)得率系数:得率系数:表观得率表观得率 专一性得率专一性得率 (纯利率)(纯利率)*专一性用于生长专一性用于生长(shngzhng)的底物量的底物量S

11、,不含用于维持能耗及产物形成部分的用量。不含用于维持能耗及产物形成部分的用量。第十九页,共52页。基质消耗(xioho)速率与生长、合成关系:表观:专一性:m为维持(wich)因子第二十页,共52页。为了扣除细胞量的影响,为了扣除细胞量的影响,基质比消耗速率基质比消耗速率 产物产物(chnw)比生成速率比生成速率 =第二十一页,共52页。若生长阶段产物若生长阶段产物(chnw)(chnw)生成可以忽略,生成可以忽略,即即 l 图解法求微生物的本征参数图解法求微生物的本征参数(cnsh)YG和和m1/Yx/s1/1/YGm第二十二页,共52页。若生产阶段若生产阶段(jidun)微生物生长微生物生

12、长可以忽略,即可以忽略,即=l 图解法求微生物的本征参数图解法求微生物的本征参数(cnsh)Yp和和m1/Yp/s1/qpm1/YP第二十三页,共52页。根据发酵时间过程分析,微生物生长与产物合成存在以下(yxi)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C、产物、产物(chnw)形成动力学形成动力学产物合成相关、部分产物合成相关、部分产物合成相关、部分产物合成相关、部分(b fen)(b fen)相关、非相关模型动力学示意图相关、非相关模型动力学示意图相关、非相关模型动力学示意图相关、非相关模型动力学示意图第二十四页,共52页。与生长相关与生长相关生长偶联型

13、:乙醇生长偶联型:乙醇(y chn)发酵发酵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(shngzhng)(shngzhng)速率的速率的变化与产物生成速率的变化相平行。变化与产物生成速率的变化相平行。与生长部分与生长部分(b fen)相关相关生长部分生长部分(b fen)偶联型:柠檬偶联型:柠檬酸、氨基酸发酵酸、氨基酸发酵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)。体内生物氧化过程的主流产物(与初生代谢紧密关联)。

14、第二十五页,共52页。与生长不相关与生长不相关(xinggun)无关联:抗生素无关联:抗生素发酵发酵若考虑到产物若考虑到产物(chnw)可能存在分解时,则可能存在分解时,则 产物生成与能量代谢不直接相关产物生成与能量代谢不直接相关(xinggun)(xinggun),通过,通过细胞细胞进行的独特的生物合成反应而生成。进行的独特的生物合成反应而生成。第二十六页,共52页。5、分批发酵的优缺点、分批发酵的优缺点v优点:优点:v操作简单、投资少操作简单、投资少v运行周期短运行周期短v染菌机会减少染菌机会减少v生产过程、产品质量较易控制生产过程、产品质量较易控制v缺点:缺点:v不利于测定过程动力学,存

15、在底物限制或抑制问题,会出不利于测定过程动力学,存在底物限制或抑制问题,会出现底物分解阻遏现底物分解阻遏(z)(z)效应及二次生长现象。效应及二次生长现象。v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不适合用分批发酵等不适合用分批发酵.v养分耗竭快,无法维持微生物继续生长和生产养分耗竭快,无法维持微生物继续生长和生产v非生产时间长,生产率较低非生产时间长,生产率较低 第二十七页,共52页。二、补料分批发酵二、补料分批发酵(Fed-batch culture)1 1、定义:指在分批发酵过程中,间歇或连续地以某种方式、定义:指在分批发酵过

16、程中,间歇或连续地以某种方式向培养系统中补加一定向培养系统中补加一定(ydng)(ydng)物料不从发酵体系中排出物料不从发酵体系中排出发酵液,使发酵液的体积随着发酵时间逐渐增加的发酵生发酵液,使发酵液的体积随着发酵时间逐渐增加的发酵生产技术。产技术。2 2、特点:、特点:稀释率、比生长速率以及其它与代谢有关的参稀释率、比生长速率以及其它与代谢有关的参数都将发生周期性的变化。数都将发生周期性的变化。第二十八页,共52页。3 3、补料分批发酵类型、补料分批发酵类型(lixng)(lixng)补料方式补料方式连续流加连续流加不连续流加不连续流加 多周期流加多周期流加快速流加恒速流加变速流加流加方式

17、流加方式单一组分补料多组分补料补加的培补加的培养基成分养基成分第二十九页,共52页。整个(zhngg)发酵罐中细胞、限制性基质和产物总量的变化速率可用下式表示:4、补料分批发酵动力学、补料分批发酵动力学V:补料体积(tj),L;F:补料流量,L/min 第三十页,共52页。细胞总量的变化率为 若为恒速流加,培养基流量(liling)为F,则 合并、式 得 同样可以推导(tudo)出限制性基质和产物浓度的变化率:合并(hbng)、式 得第三十一页,共52页。又 拟稳态时这时第三十二页,共52页。对于恒速流加,细胞的比生长(shngzhng)速率对时间的变化率为:长时间流加培养之后 第三十三页,共

18、52页。可以解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解(fnji)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。5、补料发酵、补料发酵(f jio)的优点的优点第三十四页,共52页。三、连续发酵三、连续发酵(continuous fermentation)1 1、定义、定义 当当发发酵酵过过程程启启动动到到一一定定阶阶段段(产产物物合合成成最最适适时时期期)一一边边连连续续补补充充发发酵酵培培养养液液,一一边边又又以以相相同同的的流流速速(li(li s)s)放出发酵液,维

19、持发酵液的原先体积的操作方式。放出发酵液,维持发酵液的原先体积的操作方式。2 2、特点、特点 添添加加培培养养基基的的同同时时,放放出出等等体体积积发发酵酵液液,形形成成连续生产过程,获得相对稳定的连续发酵状态。连续生产过程,获得相对稳定的连续发酵状态。3 3、类型、类型 单级单级 多级连续发酵多级连续发酵第三十五页,共52页。4 4、连续发酵类型、连续发酵类型(lixng)(lixng)及装置及装置(1 1)罐式连续发酵罐式连续发酵 a.a.单级单级 b.b.多级串联多级串联 单级连续发酵示意图单级连续发酵示意图多级罐式连续发酵装置多级罐式连续发酵装置(zhungzh)示意图示意图 第三十六

20、页,共52页。:再循环比率(回流比)c:浓缩(nn su)因子 细胞细胞(xbo)回流的单级连续发酵示意图回流的单级连续发酵示意图lC.细胞细胞(xbo)回流式回流式第三十七页,共52页。发酵罐培养物流出培养物流出培养基流入培养基流入(2)(2)塞流式塞流式第三十八页,共52页。定义:稀释率 D=F/V(h-1)F流量(m3/h)V培养液体积(m3)理论停留时间细胞的物料(w lio)衡算(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-死亡的细胞对于单级恒化器:X0=0 且通常有:单级恒化器连续发酵单级恒化器连续发酵第三十九页,共52页。A.A.稳定稳定(wndng)

21、(wndng)状状态时,态时,此时此时(c sh)=D(c sh)=D(单级连续发酵重要特征)(单级连续发酵重要特征)B.B.不稳定不稳定(wndng)(wndng)时,时,当当D,第四十页,共52页。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-形成产物消耗量稳态时,=0,一般条件(tiojin)下,mx DC DDC,则会出现:,则会出现:DDCDDC由由 可知可知(k zh)(k zh)负增长,负增长,xx,进,进入非稳态,入非稳态,菌体最终被洗出,即菌体最终被洗出,即x=0 x=0 时,达到时,达到“清洗点清洗点”,此时,此时,第四十五页,共52页。l 生长生长(shng

22、zhng(shngzhng)模型模型 由两个稳态方程可以推出D与X关联的生长(shngzhng)模型 当DKs(S010Ks),底物供给(gngj)浓度很大,为非限制性则 此时,最大临界稀释率 当DDc=时,l 细胞(xbo)生产率 第四十九页,共52页。x,s,Dx与与D关系关系(gun x)总结:总结:第五十页,共52页。l 产物产物(chnw)的物料衡算的物料衡算产物变化率=细胞合成产物速率(sl)+流入-流出-分解项 当连续发酵处于稳态,且加料中不含产物,即 ,P分解速率(sl)可忽略。得第五十一页,共52页。第二次作业第二次作业(zuy)(zuy)1、Aspergillus nige

23、r初始发酵培养基为:麸皮初始发酵培养基为:麸皮6%,蛋白胨,蛋白胨1%,(NH4)2SO4 0.5%,KH2PO4 0.5%,MgSO4 0.3%,CaCL2 0.3%,微量元素,微量元素1 mL。(微量元素:。(微量元素:FeSO47H2O 5.O mg,MnSO4H2O 1.6 mg,ZnSO47H2O 1.4 mg,CoCL2 2.0 mg,定容到,定容到1L)。请提出对此培养基优化的实)。请提出对此培养基优化的实验验(shyn)思路?思路?2、请从、请从“单元名称单元名称”、“工作内容工作内容”、“实现目标实现目标”和和”主要技术主要技术”等方面用列表总结发酵过程建立前需要开展工作?等方面用列表总结发酵过程建立前需要开展工作?3、请用动力学方程分别表述典型分批发酵过程中的菌体生、请用动力学方程分别表述典型分批发酵过程中的菌体生长、基质消耗和产物合成的规律?长、基质消耗和产物合成的规律?第五十二页,共52页。

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