生化工程第五章微生物培養(yǎng)及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)-閱讀頁(yè)
2025-01-31 10:41本頁(yè)面
【正文】 代謝產(chǎn)物。 如氨基酸、核苷酸等等，這些物質(zhì)稱為初級(jí) 代謝產(chǎn)物。 Yp/x = qpX ? 基質(zhì)利用 ：基質(zhì)積累＝－生長(zhǎng)消耗－產(chǎn)物消耗－維持 － dS/dt =－ μX/Yx/s－ qpX / Yp/s － mX = － qs X － qpX / Yp/s － mX ? 比速率 （ μ 、 qp、 qs） ： 單位時(shí)間內(nèi)單位細(xì)胞濃度所引起的 細(xì)胞生長(zhǎng) 或 產(chǎn)物形成 或 底物消耗 的量 。 ln Xf/X0 + tc + tf + tl tc 為放罐清洗時(shí)間； tf 為裝料消毒時(shí)間； tl為生長(zhǎng)停滯時(shí)間 。 若令 : tc + tf + tl＝ tL 則： P ＝ （ Xf － X0 ） μ m /[ln（ Xf /X0） +μ m tL] 1. 在 5m3的培養(yǎng)液中按 5%接種量接種 ， 原接種液含菌 5 106（ 個(gè)/mL） ， 求菌含量為 4 109（ 個(gè) /mL） 的培養(yǎng)時(shí)間 。 已知 μm= h－ 1， Ks= kg/m3,基質(zhì)初始濃度 S=50 kg/m3， 菌體初始濃度 X0= kg/m3,菌體得率 YX/S=(細(xì)胞 /基質(zhì) )。 。 不考慮誘導(dǎo)期和死亡期 ， 求培養(yǎng) 6h后的菌體濃度及底物濃度 。 使罐內(nèi)液量維持恒定 ， 使培養(yǎng)物在恒定狀態(tài)下生長(zhǎng)的培養(yǎng)方法 。 一 單罐連續(xù)發(fā)酵的前提和假設(shè)： 1) 穩(wěn)定狀態(tài)下物料平衡 ， 參數(shù)變化為零 ：dX/dt=0, dS/dt=0, dP/dt=0； 2) 培養(yǎng)基混合均勻 ， 菌體 、 基質(zhì) 、 含氧等均勻一； 3) 微生物無(wú)死亡 （ α比死亡速率 ＝ 0） F(L/h) X(g/I) S(g/I) F(L/h) So(g/I) V=液體體積 (L) X s 單罐連續(xù)培養(yǎng) 流入速度 =流出速度 =F 反應(yīng)器內(nèi) (V)全混流溶質(zhì)濃度處處相等 連續(xù)反應(yīng)器： 二 單罐連續(xù)發(fā)酵的動(dòng)力學(xué) 通過(guò)連續(xù)培養(yǎng)的物料衡算來(lái)推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程： 1) 微生物細(xì)胞的物料平衡： 積累細(xì)胞＝ （ 進(jìn)入－流出 ） 細(xì)胞＋ （ 生長(zhǎng)－死亡 ） 細(xì)胞 dX/dt = F（ X0－ X） /V＋ (μ－ α)X 由于流入細(xì)胞濃度 X0＝ 0， α ＝ 0， 故簡(jiǎn)化為 : dX/dt = － FX / V＋ μX＝ （ μ－ F/ V） X 穩(wěn)定態(tài)下 : dX/dt =0 則： μ＝ F/ V ? 連續(xù)培養(yǎng)中 ， 稀釋率 （ dilution rate） D = F/V, 故： D＝ μ D (1/h)： 單位時(shí)間內(nèi)新進(jìn)入的培養(yǎng)液體積 （ F） 占罐內(nèi)培養(yǎng)液總體積 (V)的分?jǐn)?shù) 。 S/ (Ks + S) 當(dāng)穩(wěn)定態(tài) D=μ 時(shí) , D ＝ Dc ? 一般情況下 DDc； D≥Dc, 則菌體將被洗出 ? 上式變形為： S＝ DKs / (μ m D) (2) (1),(2)合并： X＝ Yx/s{S0－ [DKs / (μm D)] } （ 3） 注： ? 連續(xù)培養(yǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)下 ， Yx/s、 S0、 Ks及 μm均定值 ， 故 菌種濃度 X、 底物濃度 取決于 稀釋率D。 但當(dāng) D發(fā)生改變 ， 均會(huì)造成 X、 S、 μ的變化 。 基質(zhì)濃度 S與稀釋率 D的關(guān)系 ： S變化與 X相反：一般當(dāng) D 時(shí) ,S很小；隨 D再增大 ， S急劇 上升 ， 當(dāng) D漸接近 Dc＝ μm 時(shí) ， S＝ S0。 菌種濃度 X、 基質(zhì)濃度 S、 細(xì)胞產(chǎn)率 P及稀釋率 D的關(guān)系 Dc為臨界稀釋速率； Dm為理論上的最適宜稀釋速率。 四 連續(xù)發(fā)酵技術(shù)中主要問(wèn)題 ? 發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性：菌種易產(chǎn)生變異和退化。 ? 發(fā)酵系統(tǒng)的無(wú)菌度：培養(yǎng)液、空氣、設(shè)備、管道、閥門等無(wú)菌要求高， 發(fā)酵液中加入抗菌藥物 ? 發(fā)酵系統(tǒng)的勻態(tài)：發(fā)酵系統(tǒng)要求菌體、基質(zhì)、溶解氧、產(chǎn)物等完全混勻，否則會(huì)因營(yíng)養(yǎng)及氧造成發(fā)酵效率降低。 由于濃縮因子 C1, 則 1+α －αC 1， 即 μ D， 但不存在微生物將隨培養(yǎng)物被洗出（ wash out） 減小的危險(xiǎn) 2) 限制性底物的物料平衡： ? 底物積累＝ （ 進(jìn)入－流出 ） 底物－消耗底物＋再循環(huán)進(jìn)入底物 dS/dt＝ FS0/V－ (1+α)FS/V －X1/Yx/s+αFS/V 該式簡(jiǎn)化為： dS/dt = D（ S0－ S） － μX 1/Yx/s 穩(wěn)定態(tài)下 dS/dt =0， D（ S0－ S） =μX 1/Yx/s 則： X1＝ DYx/s/（ S0－ S） μ 因 μ ＝ D（ 1+α － αC ） ， X1＝ Yx/s/（ S0－ S） （ 1+α － αC ） (1) 據(jù) Monod方程 : μ ＝ μm * S/ (Ks + S) 又： μ ＝ D（ 1+α － αC ） 則： S＝ DKs（ 1+α － αC ） /[μm D（ 1+α － αC ） ] (2) (1)(2)合并 ,得： X 1＝ [Yx/s /（ 1+α － αC ） ] [S0－ DKs（ 1+α － αC ） / (μm D（ 1+α － αC ） )] （ 3）
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