生化工程第五章微生物培養(yǎng)及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)(參考版)
2025-01-19 10:41本頁(yè)面
【正文】 ? 發(fā)酵系統(tǒng)的控制：發(fā)酵選擇最佳條件下進(jìn)行，需要工業(yè)自動(dòng)化控制 ? 連續(xù)發(fā)酵的應(yīng)用范圍： ? 主要用于生產(chǎn)微生物細(xì)胞、一級(jí)代謝產(chǎn)物等：面包酵母、單細(xì)胞蛋白（ SCP）、 啤酒、酒精、葡糖異構(gòu)酶及工業(yè)污水處理 … . 發(fā)酵罐 濃縮細(xì)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(xì)胞再循環(huán)的單級(jí)恒流速連續(xù)發(fā)酵 五 細(xì)胞再循環(huán)的單級(jí)恒流速連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 1) 微生物細(xì)胞的物料平衡： ? 積累細(xì)胞＝進(jìn)入細(xì)胞－流出細(xì)胞＋生長(zhǎng)細(xì)胞＋再循環(huán)細(xì)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(xì)胞濃度 X0＝ 0，D=F/V， 故簡(jiǎn)化為 μ ＝ D（ 1+α － αC ） 注： ? 細(xì)胞再循環(huán)系統(tǒng)中 ， D≠μ 。措施：定期加入正常種子。 三 連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵生產(chǎn)率的比較 1． 分批培養(yǎng)的生產(chǎn)率 P分 =(Xf － X0) / [1/μm* ln(Xf / X0) + tL] 2． 連續(xù)發(fā)酵的生產(chǎn)強(qiáng)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(shí) ， 采用連續(xù)培養(yǎng)方法較好； μm 較小時(shí) ， 采用分批培養(yǎng)較合適 。 細(xì)胞產(chǎn)率 P=DX與稀釋率 D的關(guān) 系： 隨 D的增加 P逐步增大 ， 可達(dá)最 大 DX值 （ DmXm） ， Dm為理論上 的最適宜稀釋速率 。 菌種濃度 X、 基質(zhì)濃度 S、 細(xì)胞產(chǎn)率 P及稀釋率 D 的 變化 關(guān)系 如圖 ： 菌種濃度 X與稀釋率 D的關(guān)系 ： 隨 D增加 ， X逐漸減少 ， 起初 不明顯 ， 當(dāng) D漸接近 Dc＝ μm ， X急跌至 0， 微生物全部洗出 。 ? 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 。S /(Ks + S) Dc:臨界稀釋速率 （ Dc=μm ） ,代表能運(yùn)行的最大稀釋 速率 。 1/D (h)： 培養(yǎng)液在罐內(nèi)的平均停留時(shí)間 ， 可用 t表示 注： D =μ ＝ F/V， 可通過(guò)改變 F（ 流加速率 ） 調(diào)節(jié) μ 值： ? Dμ, 則 dX/dt 0, 微生物濃度將隨時(shí)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(shí)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(jìn)入－流出 ） 底物－ （ 生長(zhǎng)＋形成 產(chǎn)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(chǎn)物形成的需求 （ qpX/YP/s） 忽略時(shí) ， 該式簡(jiǎn)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(dāng)穩(wěn)定態(tài) D=μ時(shí)， X＝ Yx/s（ S0－ S） （ 1） 其中 ： S0， S－ 流入和流出的營(yíng)養(yǎng)底物的濃度 （ g/L） ； F－ 培養(yǎng)液體積流量 （ L/h） ； V－ 反應(yīng)器容積 (L)； m－ 維持系數(shù) （ g基質(zhì) /g細(xì)胞 .h） ； μ－ 比生長(zhǎng)速率 （ h－ 1） ； Yx/s－ 以消耗基質(zhì)為基準(zhǔn)的細(xì)胞得率 （ g細(xì)胞 /g基質(zhì) ） ； Yp/s－ 以消耗基質(zhì)為基準(zhǔn)的產(chǎn)物生成率 （ g產(chǎn)物 /g基質(zhì)） 3） 細(xì)胞濃度與稀釋率的關(guān)系 據(jù) Monod方程 : μ ＝ μ m ? 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(zhì)濃度 S、 產(chǎn)物濃度 P、 細(xì)胞濃度 X、 比生長(zhǎng)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(chǎn)生大量代謝 產(chǎn)物 。 第三節(jié) 連續(xù)培養(yǎng)及其動(dòng)力學(xué) ? 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(shí)以同速排出培養(yǎng)液 。 時(shí)間 t=0， X0=, S0=50g/L.， 菌體生長(zhǎng)可用 Monod方程描述 ， μm= h－ 1，Ks= 10－ 2g/L， YX/S=(細(xì)胞 /葡萄糖 )。 問(wèn) :當(dāng) 80％ 基質(zhì)已消耗所需時(shí)間 。 （ 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(yīng)器中對(duì)大腸桿菌進(jìn)行分批培養(yǎng) ，菌體生長(zhǎng)可用 Monod方程描述 。 X0 、 Xf 分別為細(xì)胞最初與最終濃度 。 （ g /g細(xì)胞 .h） ? 生長(zhǎng)得率 Yx/s ； 產(chǎn)物得率 Yp/s 四 . 生產(chǎn)得率系數(shù)和產(chǎn)物得率系數(shù) 1. 生產(chǎn)得率系數(shù)： ? Yx/s表示每消耗 1mol的基質(zhì)所形成的菌體質(zhì)量 （ g）
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