生化工程第五章微生物培養(yǎng)及發(fā)酵動力學(文件)
【正文】 t = 1/μ m （ 假定培養(yǎng)期間均 SKs, μm= h－ 1） 2. 采用合成培養(yǎng)基 ， 在 1m3的反應器中對大腸桿菌進行分批培養(yǎng) ，菌體生長可用 Monod方程描述 。 時間 t=0， X0=, S0=50g/L.， 菌體生長可用 Monod方程描述 ， μm= h－ 1，Ks= 10－ 2g/L， YX/S=(細胞 /葡萄糖 )。 ? 連續(xù)培養(yǎng)與分批培養(yǎng)的區(qū)別： 維持恒定狀態(tài)環(huán)境條件 如基質濃度 S、 產物濃度 P、 細胞濃度 X、 比生長速率 μ、 pH等始終維持不變 ? 維持恒定狀態(tài)目的： 穩(wěn)定高效 的 培養(yǎng)微生物 或產生大量代謝 產物 。S /(Ks + S) Dc:臨界稀釋速率 （ Dc=μm ） ,代表能運行的最大稀釋 速率 。 菌種濃度 X、 基質濃度 S、 細胞產率 P及稀釋率 D 的 變化 關系 如圖 ： 菌種濃度 X與稀釋率 D的關系 ： 隨 D增加 ， X逐漸減少 ， 起初 不明顯 ， 當 D漸接近 Dc＝ μm ， X急跌至 0， 微生物全部洗出 。 三 連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵生產率的比較 1． 分批培養(yǎng)的生產率 P分 =(Xf － X0) / [1/μm* ln(Xf / X0) + tL] 2． 連續(xù)發(fā)酵的生產強度 P連 為稀釋率 D與菌體濃度 X 之積 P連 ＝ DX＝ D Yx/s{S0－ [DKs / (μm D)] } 3． 連續(xù)培養(yǎng)與分批培養(yǎng)之比： P連 /P分 =DmXm/P分 P連 /P分 = ln(Xf / X0) +μm tL 注： μm 較大時 ， 采用連續(xù)培養(yǎng)方法較好； μm 較小時 ， 采用分批培養(yǎng)較合適 。 ? 發(fā)酵系統(tǒng)的控制：發(fā)酵選擇最佳條件下進行，需要工業(yè)自動化控制 ? 連續(xù)發(fā)酵的應用范圍： ? 主要用于生產微生物細胞、一級代謝產物等：面包酵母、單細胞蛋白（ SCP）、 啤酒、酒精、葡糖異構酶及工業(yè)污水處理 … . 發(fā)酵罐 濃縮細胞 CX1 aF aF (1+a)F X1 F1X2 最終流出液 連續(xù)離心 培養(yǎng)基流入 細胞再循環(huán)的單級恒流速連續(xù)發(fā)酵 五 細胞再循環(huán)的單級恒流速連續(xù)發(fā)酵動力學 1) 微生物細胞的物料平衡： ? 積累細胞＝進入細胞－流出細胞＋生長細胞＋再循環(huán)細胞 dX/dt= FX0/V－ (1+α)FX 1/V ＋ μX 1 ＋ αFCX 1/V 穩(wěn)定態(tài)下 dX/dt =0, 由于流入細胞濃度 X0＝ 0，D=F/V， 故簡化為 μ ＝ D（ 1+α － αC ） 注： ? 細胞再循環(huán)系統(tǒng)中 ， D≠μ 。措施：定期加入正常種子。 細胞產率 P=DX與稀釋率 D的關 系： 隨 D的增加 P逐步增大 ， 可達最 大 DX值 （ DmXm） ， Dm為理論上 的最適宜稀釋速率 。 ? 連續(xù)培養(yǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)下 ， X、 S0、 D為主要變量 ， 其他屬于因變量 。 1/D (h)： 培養(yǎng)液在罐內的平均停留時間 ， 可用 t表示 注： D =μ ＝ F/V， 可通過改變 F（ 流加速率 ） 調節(jié) μ 值： ? Dμ, 則 dX/dt 0, 微生物濃度將隨時間而增加； ? Dμ, 則 dX/dt 0, 微生物濃度將隨培養(yǎng)物被洗出 （ wash out） 而減少； ? D＝ μ, 則 dX/dt ＝ 0， 微生物濃度不隨時間而變化 ， 處于恒態(tài) ― 連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)定狀態(tài) 2) 限制性底物的物料平衡： ? 底物積累＝ （ 進入－流出 ） 底物－ （ 生長＋形成 產物＋維持代謝 ） 底物 dS/dt = F（ S0－ S） /V－ （ μX/Yx/s＋ qpX/Yp/s＋ mX） 由于 mX《 μX/Y x/s， 產物形成的需求 （ qpX/YP/s） 忽略時 ， 該式簡化為： dS/dt = F（ S0－ S） /V－ μX/Yx/s 穩(wěn)定態(tài)下 dX/dt =0 則： D（ S0－ S） =μX/Yx/s 當穩(wěn)定態(tài) D=μ時， X＝ Yx/s（ S0－ S） （ 1） 其中 ： S0， S－ 流入和流出的營養(yǎng)底物的濃度 （ g/L） ； F－ 培養(yǎng)液體積流量 （ L/h） ； V－ 反應器容積 (L)； m－ 維持系數(shù) （ g基質 /g細胞 .h） ； μ－ 比生長速率 （ h－ 1） ； Yx/s－ 以消耗基質為基準的細胞得率 （ g細胞 /g基質 ） ； Yp/s－ 以消耗基質為基準的產物生成率 （ g產物 /g基質） 3） 細胞濃度與稀釋率的關系 據(jù) Monod方程 : μ ＝ μ m 第三節(jié) 連續(xù)培養(yǎng)及其動力學 ? 連續(xù)培養(yǎng) （ cintinuous culture） 有稱連續(xù)發(fā)酵 ，以一定速度向發(fā)酵罐注入新鮮培養(yǎng)基 ， 同時以同速排出培養(yǎng)液 。 問 :當 80％ 基質已消耗所需時間 。 X0 、 Xf 分別為細胞最初與最終濃度 。 二、發(fā)酵動力學類型（ 產物形成 和 菌體生長 關系 ）： 〖 一類發(fā)酵－ 偶聯(lián)型 〗 產物 的形成和 菌體 的生長相偶聯(lián) x p t 〖 二類發(fā)酵－ 混合型 〗
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