微生物反應(yīng)動力學(xué)

1、微生物反應(yīng)動力學(xué),朱震剛 Tel:5591429 Email:zgzhu 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 安徽 230031 合肥市1129信箱,我們從哪里來? 宇宙從哪里來?,宇宙起源于一次天體大爆炸,科學(xué)依據(jù)：,20世紀20年代比利時喬治勒梅特提出的宇宙大爆炸假想。 蘇聯(lián)伽莫夫推算了宇宙大爆炸理論。 1965貝爾實驗室阿諾彭齊亞斯和羅伯特威爾遜正在使用大型通信天線，本底的噪音無法克服； 普林斯頓大學(xué)羅伯特迪克； 艾倫古思（不斷膨脹的宇宙）比喻：彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)，把我們從帝國大廈100層樓看的離地面不到1厘米的距離。,辯證自然觀：宇宙是由混沌中產(chǎn)生大爆炸！ 此后， 一條以宇觀鏈，即天體演

2、化和地質(zhì)演變； 一條以微觀、宏觀鏈，后又以物理進化、化學(xué) 進化、生物進化和社會進化四階段發(fā)展。,物 質(zhì),場,實物,微觀宏觀鏈,宇觀宏觀鏈,夸克,總星系,基本粒子,原子核,原子,分子,生物大分子,細胞,生物個體,種群,人類,人類社會,精神,物理進化,化學(xué)進化,生物進化,社會進化,微觀鏈,引力場強 場弱 場電磁場,宏觀鏈,星系團,星系,恒星,行星（地球）,物質(zhì)凝聚態(tài),原材料,工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品,（計算機）,人工智能,機器人,信 息,天體演化,地質(zhì)演化,宇觀鏈,人工自然進化,宏觀鏈,地球發(fā)展自然史,137億年前 宇宙起源于“大爆炸”(1965貝爾實驗室阿諾彭齊亞斯和 羅伯特威爾遜；普林斯頓大學(xué)羅伯特迪克；蘇

3、聯(lián)喬治.伽莫夫） 49億年前 形成太陽系和地球; 39億年前 地球上出現(xiàn)原始生命; 27億年前 出現(xiàn)會進行光合作用細胞; 大氣中氧積累 17億年前 出現(xiàn)多細胞生物; 5.5億年前（寒武紀） 物種大爆發(fā)（1500萬年); 4.3億年前 (志留紀) 物種大爆發(fā),海洋生物登陸; 2.5億年前（二疊紀末）大量物種滅絕（中科大,沈延安) 6500萬年前 恐龍突然滅跡,小型脊椎動物和哺乳動物得以繁衍; 600700萬能前 古猿人與古人類分離; 50萬年前 周口店北京直立人出現(xiàn); 30-10萬年前 非洲智人出現(xiàn)（Nature,03.06.12); 2萬年前 周口店山頂洞人(Homo sapiens)出現(xiàn);

4、公元前221 秦始皇統(tǒng)一中國(至今才百代);,一切物質(zhì)是統(tǒng)一的， 它們有同一個起源。,什么是生命?,恩格斯（20世紀初）：生命是蛋白質(zhì)的存在形式以蛋白質(zhì)為中心的生命觀； 薛定鄂（40年代）：生命特征在于生命系統(tǒng)不斷增加負熵。生命依賴于生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性。啟發(fā)人們從生命系統(tǒng)的遺傳信息方面來探索生命的奧秘； 沃森(J.Watson)和克里克(F.Crick)（50年代）：核酸、蛋白質(zhì)是生命的存在形式，其中核酸是遺傳信息分子，蛋白質(zhì)是執(zhí)行功能的分子。,生命的定義,能自我長大、自我復(fù)制、與外界有能量和信息交換，并能自我完善和進化的系統(tǒng)才具備生命的特征。 弗里德里?？死阂粋€通過不斷汲取外部能量來維

5、持甚至擴展其有序結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。,病毒是種特殊生命,病毒不具備細胞結(jié)構(gòu)，在侵入寄主細胞前，既不能繁殖，也沒有新陳代謝，不與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)與能量交流，甚至可以像無機物一樣獲得結(jié)晶，看起來似乎更像非生命物質(zhì)。 但病毒卻具有生命物質(zhì)組成中最重要的兩種生物大分子核酸和蛋白質(zhì)。當它入侵寄主細胞后，又可以借助寄主細胞的蛋白質(zhì)合成自身所需要的蛋白質(zhì)及核酸分子，從而完成自我復(fù)制，進行大量繁殖，這又是非生命物質(zhì)所不具備的特征。,熵（Etropy),Clausius:熱力學(xué)第二定律 或 其中，Q是熱量傳遞值，S是熵。熵是那些不可避免要損失的能量的量度，也是這個過程的不可逆性的量度。,熱力學(xué)第二定律： 在孤立系統(tǒng)中，任何

6、自發(fā)過程總是朝熵增加方向變化，即物質(zhì)總是朝消滅信息，產(chǎn)生混亂方向演化。 生命物質(zhì)：其演化過程正好相反，是一個由簡單、低級向復(fù)雜、高級、更有序化方向發(fā)展趨勢。 它們矛盾嗎？不！ 生命體是遠離平衡條件的開放系統(tǒng)，通過外界引進負熵流，而抵消體系的熵產(chǎn)生，并在一定條件下，可以形成新的有序結(jié)構(gòu)。生命體是高度有序的！ 也可以說： 非平衡是生命體的有序根源和信息根源。,形態(tài)：每一個生命都有其典型的形狀和形態(tài)，這使我們能將其從周圍的世界中識別出來并加以分類。雖然這些形態(tài)彼此之間或多或少都有所不同，但其基本模式總是分明的，事實上， 自然似乎是用特定的圖形拼接出來的。 科學(xué)也許可以定義為： 力圖尋找不同形態(tài)之間的

7、組織原則，并理想的情況下，用數(shù)學(xué)描述這些形態(tài)和它們之間的相互關(guān)系。 培根：數(shù)學(xué)是通往科學(xué)的道路和鑰匙！,大量物理過程可以用方程來描述，即線性微分方程來描述，如： 萬有引力定律（伽利略）； 行星運動(牛頓）； 白熾金屬發(fā)出的輻射（普朗克）。 生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過程如何用數(shù)學(xué)方程來描述？ 生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過程相互作用并形成網(wǎng)絡(luò)，顯然要復(fù)雜得多。我們今天要學(xué)習(xí)的課程就是用線性微分方程來描述微生物工程中的一種動力學(xué)過程，當然它是一種近似的描述。,9 微生物反應(yīng)動力學(xué) 微生物工程（曹軍衛(wèi) 馬輝文編著，科學(xué)出版社，2002年出版） 21世紀高等院校教材(生命科學(xué)類),目的： 微生物工程的基本任務(wù)是高效地利用

8、微生物所具有的內(nèi)在生產(chǎn)力，以較低的能耗和物耗最大限度地生產(chǎn)生物產(chǎn)品，因此必須對微生物反應(yīng)的整個過程實現(xiàn)有效的控制。微生物動力學(xué)為這一目的提供了部分理論依據(jù)。,內(nèi)容： 微生物反應(yīng)動力學(xué)是研究生物反應(yīng)速度的規(guī)律，即細胞生長速率、基質(zhì)利用速率和產(chǎn)物生成速率的變化規(guī)律。,基質(zhì) （碳源）,細胞,產(chǎn)物,方法： 用數(shù)學(xué)模型定量地描述生物反應(yīng)過程中細胞生長速率、基質(zhì)利用速率和產(chǎn)物生成速率等因素變化，達到對反應(yīng)過程有效控制。 已發(fā)展出好幾種動力學(xué)模型，我們介紹一種“發(fā)酵過程動力學(xué)分型”。,課程的敘述方法： 一、微生物發(fā)酵過程分型 二、分批培養(yǎng)動力學(xué) 1. 細胞生長動力學(xué) 2. 基質(zhì)消耗動力學(xué) 3. 產(chǎn)物生成動力

9、學(xué) 三、連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 1.單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 2.多級串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 3.細胞循環(huán)使用單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 四、連續(xù)培養(yǎng)的實施,9.1 發(fā)酵動力學(xué)分型,這種動力學(xué)分型方法討論的是產(chǎn)物形成與底物利用的關(guān)系,即產(chǎn)物形成速度與碳源利用關(guān)系。它將微生物發(fā)酵過程分為三個類型： .產(chǎn)物形成直接與碳源利用有關(guān) .產(chǎn)物形成間接與碳源利用有關(guān) .產(chǎn)物形成表面上與碳源利用無關(guān),9.1.1 第型（與生長相關(guān)型）,菌體生長、碳源利用和產(chǎn)物形成幾乎同時出現(xiàn)高峰。,產(chǎn)物形成、碳源利用、菌體生長,同時出現(xiàn)高峰,1.細菌生長類型(指終產(chǎn)物就是菌體本身); 如酵母、蘑菇菌絲、蘇云金桿菌等的培養(yǎng)。 細菌產(chǎn)量/碳源消耗“產(chǎn)量常

10、數(shù)” 2.代謝產(chǎn)物類型；指產(chǎn)物積累與菌體增長相平行，并與碳源消耗有準量關(guān)系。如酒精、乳酸、山梨糖、葡萄糖酸、-酮戊二酸等。,發(fā)酵第一類型 比生長速率，g/(g.h); 碳源利用比速率， g/(g.h)； 產(chǎn)物形成比速率， g/(g.h)。,時間h,9.1.2 第型（與部分生長相關(guān)型）,第一時期：細菌迅速生長，產(chǎn)物很少或全無； 第二時期：產(chǎn)物高速形成，生長也可能出現(xiàn) 第二個高峰，碳源利用在這兩個 時期都很高。 特點：從生源來看，發(fā)酵產(chǎn)物不是碳源的直接 氧化，而是細菌代謝的主流產(chǎn)物。 可分兩種類型： 1.產(chǎn)物形成是經(jīng)過連鎖反應(yīng)的過程。如丙酸發(fā)酵。 2.產(chǎn)物形成不經(jīng)過中間產(chǎn)物的積累。菌體生長與產(chǎn)物積

11、累明顯分在兩個時期。如檸檬酸。,發(fā)酵第二類型 比生長速率，g/(g.h); 碳源利用比速率， g/(g.h)； 產(chǎn)物形成比速率， g/(g.h)。,時間h,9.1.3 第型(與生長不相關(guān)型),特點:產(chǎn)物形成一般在菌體生長接近或達到最 高生長時期, 即穩(wěn)定期。 產(chǎn)物形成與碳源利用無準量關(guān)系。 產(chǎn)量遠低于碳源的消耗。（最高產(chǎn)量一般不超過碳源消耗量的10%。如抗生素、維生素屬此類。,發(fā)酵第三類型 比生長速率，g/(g.h); 碳源利用比速率， g/(g.h)； 產(chǎn)物形成比速率， g/(g.h)。,時間h,課程的敘述方法： 一、微生物發(fā)酵過程分型 二、分批培養(yǎng)動力學(xué) 1. 細胞生長動力學(xué) 2. 基質(zhì)消

12、耗動力學(xué) 3. 產(chǎn)物生成動力學(xué) 三、連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 1.單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 2.多級串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 3.細胞循環(huán)使用單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 四、連續(xù)培養(yǎng)的實施,9.2分批培養(yǎng)動力學(xué),分批培養(yǎng)指的是一次投料，一次接種，一次收獲的間歇式培養(yǎng)方式。 這種培養(yǎng)方式操作簡單。 發(fā)酵液中的細胞濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均隨時間變化。,9.2.1分批培養(yǎng)中細胞的生長動力學(xué),在分批培養(yǎng)中細胞濃度X要經(jīng)歷延遲期、對數(shù)生長期、減速期、穩(wěn)定期和衰亡期五個階段。,分批培養(yǎng)中細胞濃度的變化 1.延遲期；2.對數(shù)生長期；3.減速期； 4.穩(wěn)定期；5.衰亡期,1,2,3,4,5,t,lnX,9.2.1.1 延遲期,微生物接種

13、后，細胞在新環(huán)境中有一個適應(yīng)期。 適應(yīng)期的長短與菌齡、接種量、輔助酶（活化劑）、以及一些小分子、離子有關(guān)。,9.2.1.2 對數(shù)生長期,在這階段中，由于培養(yǎng)基中營養(yǎng)豐富，有毒物質(zhì)少，細胞迅速生長，其生長速率與細胞濃度成正比：,式中：X細胞濃度(kg/m3); t時間(s); -比生長速率(s-1)。,積分：,對數(shù)的概念,設(shè)ab = N，如果要用a、N表示b，則記作logaN = b，a叫做底數(shù)，N叫做真數(shù)，b叫做以a為底的N的對數(shù)。 例如，24 = 16，要表示16是2的多少次冪，可以記作log216 = 4。 根據(jù)對數(shù)的定義，有： alogaN =N(對數(shù)恒等式)； 零和負數(shù)沒有對數(shù)； lo

14、gaa = 1； loga1 = 0； logaaN = N。,ab=N logaN=b,底數(shù),指數(shù),真數(shù),對數(shù),冪,對數(shù)運算法則,對數(shù)換底公式,記憶為：N/a N/b 乘 b/a,以10或e為底數(shù)的分別寫成： lg 或 ln e=2.71828 通常將 eA 寫成 expA,返回,式中比生長速率與微生物種類、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)基成分及限制性基質(zhì)濃度等因素有關(guān)。(是一個變量?。?在對數(shù)生長階段，細胞的生長不受限制因此比生長速率達到最大值m，,如在時間t1時的細胞濃度為X1，則在t2時的細胞濃度為X2,細胞濃度隨時間呈指數(shù)生長，細胞濃度增長一倍所需時間稱倍增時間（doubling time, td)

15、,細菌倍增時間：0.251h 酵母: 1.152h 霉菌: 26.9h,9.2.1.3減速期,經(jīng)過對數(shù)生長期細胞的大量繁殖，培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)迅速消耗，有害物質(zhì)逐漸積累，細胞的比生長速率逐漸下降，進入減速期。 無抑制性基質(zhì)時 式中: S 限制性基質(zhì)濃度; Km飽和常數(shù)。 該式稱Monod方程式，是經(jīng)驗公式。 當限制性基質(zhì)濃度很低時，增加基質(zhì)濃度可以提高細胞的比生長速率；但，若限制性基質(zhì)濃度接近Km時，再增加其濃度 就不能提高比生長速率。,酶促反應(yīng)動力學(xué),插入米氏方程推導(dǎo),E + S ES P +E （1） 濃度 e s c p e 此處 ： E, S, ES, P 分別代表酶、底物、復(fù)合物、產(chǎn)物

16、； k+1,k-1為正逆反應(yīng)的速度常數(shù)； k2 為復(fù)合物分解為產(chǎn)物與酶的反應(yīng)速度常數(shù),K+1,K-1,k2,設(shè)底物濃度s比酶濃度e大多時，達到準穩(wěn)態(tài)，此時物料平衡關(guān)系：,產(chǎn)物生成速率：,（2）,（3）,酶總濃度為反應(yīng)開始時的酶濃度 則，,(4),(4)代入(2)又從（2）可得：,從（3）得到：,Michaelis-menten方程:,式中最大反應(yīng)速度，,米氏常數(shù)。,產(chǎn)物生成的速率,2.有抑制性基質(zhì)時，發(fā)生抑制現(xiàn)象。如以醋酸為基質(zhì)培養(yǎng)產(chǎn)阮假絲酵母，用亞硝酸鹽培養(yǎng)硝化桿菌等。這時細胞比生長速率：,式中：Kis抑制常數(shù)。,還有一些產(chǎn)物抑制經(jīng)驗公式： 式中：P產(chǎn)物濃度； k, k1, k2 -是常數(shù)。

17、,9.2.1.4 靜止期,營養(yǎng)物質(zhì)耗盡，有害物質(zhì)大量積累，細胞濃度達到最大值，不再增加。此時細胞比生長速率為零。,9.2.1.5 衰亡期,細胞開始死亡，,式中：Xm靜止期細胞濃度； 細胞比死亡率；t進入衰亡期時間,課程的敘述方法： 一、微生物發(fā)酵過程分型 二、分批培養(yǎng)動力學(xué) 1. 細胞生長動力學(xué) 2. 基質(zhì)消耗動力學(xué) 3. 產(chǎn)物生成動力學(xué) 三、連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 1.單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 2.多級串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 3.細胞循環(huán)使用單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 四、連續(xù)培養(yǎng)的實施,9.2.2 分批培養(yǎng)中基質(zhì)的消耗動力學(xué),9.2.2.1 得率系數(shù) 微生物細胞內(nèi)的生化反應(yīng)極為復(fù)雜，總的反應(yīng)可以用下式表示： 碳源+

18、氮源+氧 細胞+產(chǎn)物+CO2+H2O 菌體生長量相對于基質(zhì)消耗量的收得率稱生得率, 其定義為：,式中 相對于基質(zhì)消耗的實際生長得率(g/g, g/mol)； 干細胞的生長量(g)； 基質(zhì)消耗量(mol, g)。 對于氧，細胞得率系數(shù)為：,在培養(yǎng)過程中，細胞產(chǎn)生除二氧化碳和水之外，還產(chǎn)出產(chǎn)物。以消耗基質(zhì)的產(chǎn)物得率系數(shù)為,式中, 相對于基質(zhì)消耗的實際產(chǎn)物得率(g/mol, g/g)； 產(chǎn)物生成量(mol, g)。,9.2.2.2基質(zhì)消耗速率,分批培養(yǎng)時，基質(zhì)的減少是因為細胞和產(chǎn)物的生成。根據(jù)物料衡算有,如果限制性基質(zhì)是碳源，所消耗掉的碳源中一部分形成細胞物質(zhì)，一部分產(chǎn)生能量，一部分形成產(chǎn)物，則,式

19、中 細胞生長得率系數(shù)(g/mol)；(只用于細胞生長所消耗基質(zhì)） 細胞的維持系數(shù)(mol/g.h)； 產(chǎn)物得率系數(shù)(mol/mol)。 (只用于產(chǎn)物生成所消耗基質(zhì)） 維持系數(shù)是微生物菌株的一種特征值。對于特定的菌株、特定的基質(zhì)和特定的環(huán)境因素（如溫度、Ph值等）是一個常數(shù)，故又稱維持常數(shù)。維持系數(shù)越低，菌體的能量代謝效率越高。其定義：單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)，因維持代謝消耗的基質(zhì)量：,式中， 以基質(zhì)消耗為基準的維持系數(shù)(mol/g.h)； 細胞干重(g)； 限制性基質(zhì)濃度(mol, g)； 發(fā)酵時間(h)； 表示維持(maintain)。,維持常數(shù) 定義： 單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)，因維持

20、代謝消耗的基質(zhì)量：,和 是對基質(zhì)(碳源)的總消耗而言， 和 則分別對用于(只用于)生長和產(chǎn)物生成所消耗的基質(zhì)而言。 如果用比速率來表示基質(zhì)消耗和產(chǎn)物生成，則,和 分別為基質(zhì)比消耗速率和產(chǎn)物比生成速率，因此上兩個式子可改寫成：,若產(chǎn)物生成可以忽略不計，則,可以合并，得,細胞生長得率 和細胞維持系數(shù) 是很難直接測量，而 是很容易測出(利用連續(xù)培養(yǎng)法，很容易求出 與 關(guān)系）。只要測出細胞在不同比生長速率下的 就可以求出 和,方程組應(yīng)用的一個例子, , ,DNA重組的大腸桿菌 與 ，m 關(guān)系,課程的敘述方法： 一、微生物發(fā)酵過程分型 二、分批培養(yǎng)動力學(xué) 1. 細胞生長動力學(xué) 2. 基質(zhì)消耗動力學(xué) 3.

21、 產(chǎn)物生成動力學(xué) 三、連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 1.單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 2.多級串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 3.細胞循環(huán)使用單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 四、連續(xù)培養(yǎng)的實施,9.2.3 產(chǎn)物生成動力學(xué),產(chǎn)物生成情況比較復(fù)雜，對于三種發(fā)酵類型必須分別加以討論。 .產(chǎn)物生成與細胞相關(guān)，產(chǎn)物生成速率為：,式中， 是以細胞為基準的產(chǎn)物得率系數(shù)。 .產(chǎn)物生成與細胞生長部分相關(guān)，,與生長關(guān)聯(lián)的細胞生產(chǎn)能力； 非生長關(guān)聯(lián)的比生長速率。,.產(chǎn)物生成與細胞生長不相關(guān)聯(lián)。 在細胞處于生長期，無產(chǎn)物積累，當細胞生長停止時，產(chǎn)物開始大量積累，其生成速率：,若用比速率表示，則上式可寫成：,式中， k 是不穩(wěn)定產(chǎn)物的失活常數(shù)（限制性基質(zhì)特性）。,以

22、上由細胞生長、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物生成的微分方程構(gòu)成的微分方程組。,小結(jié),細胞生長：,基質(zhì)消耗：,或 用基質(zhì)比消耗速率和產(chǎn)物比生成速率表示：,產(chǎn)物生成 ：,.,.,.,小結(jié),上述方程反映了分批發(fā)酵過程中細胞、基質(zhì)和產(chǎn)物濃度的變化。 對各種不同的微生物分批發(fā)酵過程，通過實驗研究這三參量的變化規(guī)律，建立適合的微分方程組，就可以對分批發(fā)酵過程進行模擬，進行優(yōu)化控制，最終達到大大提高生產(chǎn)效率。,課程的敘述方法： 一、微生物發(fā)酵過程分型 二、分批培養(yǎng)動力學(xué) 1. 細胞生長動力學(xué) 2. 基質(zhì)消耗動力學(xué) 3. 產(chǎn)物生成動力學(xué) 三、連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 1.單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 2.多級串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 3.細胞循環(huán)使用

23、單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 四、連續(xù)培養(yǎng)的實施,9.3連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué),連續(xù)培養(yǎng)（連續(xù)發(fā)酵）是指在培養(yǎng)過程中，連續(xù)地向發(fā)酵罐中加入培養(yǎng)基，同時以相同流速從發(fā)酵罐排出含有產(chǎn)品的培養(yǎng)基。 有兩種方式： 罐式（或攪拌發(fā)酵罐）； 管式反應(yīng)器。,9.3.1連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)點,分批培養(yǎng)中，微生物細胞群體都經(jīng)過五個階段：延遲期、對數(shù)生長期、減速期、穩(wěn)定期和衰亡期。其實對特定微生物發(fā)酵過程，目標產(chǎn)物只僅僅在某一個期間合成。如第型的發(fā)酵，產(chǎn)物積累出現(xiàn)在對數(shù)生長期；而屬于第型的發(fā)酵，產(chǎn)物積累則在穩(wěn)定期。其它幾期是多余的，浪費時間。同時分批培養(yǎng)中輔助時間很長，所以設(shè)計了連續(xù)培養(yǎng)。 優(yōu)點如下： 提高設(shè)備利用率和單位時間產(chǎn)量，只保持

24、一個穩(wěn)定狀態(tài)。 發(fā)酵中各參數(shù)趨于穩(wěn)定，便于自動控制。 易于分期控制?？梢栽诓煌墓拗锌刂撇煌臈l件。 還有多種分類：（以設(shè)備分類或控制方法分類） 恒成分培養(yǎng)；恒濃度培養(yǎng)、循環(huán)式、非循環(huán)式、單級和多級連續(xù)培養(yǎng)等。,9.3.2單級連續(xù)培養(yǎng),在進行任何連續(xù)培養(yǎng)的開始，都要先進行分批培養(yǎng)，讓微生物在接種后生長繁殖達到一定細胞濃度，并進入產(chǎn)物合成時期，然后才開始以恒定的流量向發(fā)酵罐加入培養(yǎng)液，同時以同樣的流量排放出培養(yǎng)液，使發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)液的體積保持恒定，微生物能持續(xù)生長并合成產(chǎn)物。如果在發(fā)酵罐中進行充分攪拌，則培養(yǎng)液中各處的組分均勻，與流出液的組分相同，即為連續(xù)流動攪拌發(fā)酵罐。,各種物質(zhì)的物料平衡按下式

25、計算： 流入速率=流出速率+消耗速率+積累速率 由于加入的培養(yǎng)基中不含有細胞，因此有,式中： 液體流量(m3/s)； 發(fā)酵罐培養(yǎng)液體積(m3)； 因細胞生長造成的細胞濃度變化率； 培養(yǎng)液中細胞濃度變化率。,上式可以整理成：,式中流量與培養(yǎng)液體積比稱為稀釋率，用D表示,單位為1/s,其含義是單位時間內(nèi)加入的培養(yǎng)基體積占發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)基體積的分率；D的倒數(shù)t表示培養(yǎng)液在發(fā)酵罐內(nèi)的平均停留時間（s）。因此,開始連續(xù)培養(yǎng)一段時間，（大約為平均停留時間的35倍）以后，過程進入穩(wěn)態(tài)。培養(yǎng)液中的細胞、基質(zhì)和產(chǎn)物濃度保持恒定，不再隨時間變化。所以連續(xù)培養(yǎng)亦稱恒化培養(yǎng)。達到穩(wěn)態(tài)時， ， 。,單級連續(xù)培養(yǎng)的一個重要

26、特性，就是進入穩(wěn)定狀態(tài)后，細胞的比生長速率與稀釋率相等。此外分批培養(yǎng)時，細胞的比生長速率是無法人為控制的；而連續(xù)培養(yǎng)時，穩(wěn)態(tài)下細胞的比生長速率可以通過改變培養(yǎng)基的流量速率而加以改變。但稀釋率的大小有一定的限制。即有一個臨界稀釋率。,前面講分批培養(yǎng)中細胞動力學(xué)時，進入“減速期”,即接近穩(wěn)定態(tài)時有一個Monod方程(或米氏方程),9.2.1.3減速期,經(jīng)過對數(shù)生長期細胞的大量繁殖，培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)迅速消耗，有害物質(zhì)逐漸積累，細胞的比生長速率逐漸下降，進入減速期。 無抑制性基質(zhì)時 式中: S 限制性基質(zhì)濃度; Km飽和常數(shù)。 該式稱Monod方程式，是經(jīng)驗公式。 當限制性基質(zhì)濃度很低時，增加基質(zhì)濃度

27、可以提高細胞的比生長速率；但，若限制性基質(zhì)濃度接近Km時，再增加其濃度 就不能提高比生長速率。,若假設(shè)加入的限制性基質(zhì)濃度為S0，則 臨界稀釋率：,若稀釋率超過臨界稀釋率，細胞的比生長速率小于稀釋率，隨著時間的延續(xù)，細胞的濃度不斷降低，最后細胞從發(fā)酵罐中被洗清。 當 時，發(fā)酵罐中限制性基質(zhì)的穩(wěn)態(tài)濃度為,關(guān)于限制性基質(zhì)，可以有以下物料平衡關(guān)系：,式中 因細胞消耗造成的限制性基質(zhì)濃度變化率； 培養(yǎng)液中限制性基質(zhì)變化率。經(jīng)整理得：,細胞的生產(chǎn)速率為：,穩(wěn)態(tài)時 ，發(fā)酵罐中的細胞濃度為：,方程組應(yīng)用的一個例子,（9.35）,此時（即穩(wěn)態(tài)時）， D=,圖9-5是S0=10g/L,=1h-1(2.78x10

28、-4 s-1),Yx/s=0.5kg細胞/kg基質(zhì)，Ks=0.2g/L時，細胞濃度X、限制性基質(zhì)S、細胞生產(chǎn)率DX與稀釋率、D（h-1）的關(guān)系。當d(DX)/dD=0,即,時，細胞的生產(chǎn)速率最大，為,如果 ，則,（9.39）,有的微生物連續(xù)培養(yǎng)的結(jié)果會與圖9-5所示情況發(fā)生差異。例如， 當限制性基質(zhì)為碳源時，消耗的碳源中有一部分用于能量釋放以供細胞維持生命活動之需，因此在低稀釋率時，細胞濃度明顯偏低（圖9-6(a)）。 以氮或硫為限制性基質(zhì)時，細胞在低稀釋率下可能積累多糖、脂肪或-羥基丁酸，細胞濃度會偏高（圖9-6(b)）。 以鎂、磷或鉀作為限制性基質(zhì)時，與上述情況類似，只是起因不一樣（圖9-

29、6 （c）。 在復(fù)合培養(yǎng)基時，往往難以確定哪一種是限制性基質(zhì) ，并且隨著比生長速率的變化，限制性基質(zhì)可能發(fā)生改變。因此細胞濃度隨稀釋率增大而下降（圖9-6(d)）。,關(guān)于產(chǎn)物，有如下物料恒算式：,式中 由細胞合成產(chǎn)物引起的產(chǎn)物濃度變化率kg/(m3s); 培養(yǎng)液中產(chǎn)物濃度變化速率kg/(m3s);,當連續(xù)培養(yǎng)處于穩(wěn)態(tài)時,且加料中不含產(chǎn)物P0=0時,9.3.3多級串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué),把多個發(fā)酵罐串聯(lián)起來,第一罐的情況與單罐培養(yǎng)相同,以后下一罐的進料便是前一發(fā)酵罐的出料,這樣就組成了多級串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)。,如果各級發(fā)酵罐的培養(yǎng)體積相同,并且第二級以后的各級發(fā)酵罐中不加新培養(yǎng)基,那么根據(jù)各級發(fā)酵罐的物料

30、平衡,可得出穩(wěn)態(tài)下個發(fā)酵罐中的細胞濃度、比生長速率、限制性基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度。,當達到穩(wěn)態(tài)時:,由于前一級發(fā)酵罐流出液中的限制性基質(zhì)濃度已經(jīng)有所下降，因此在后一級發(fā)酵罐中細胞的增長就不多了，這樣從第二級開始，細胞的比生長速率不再與稀釋率相等。在第二級發(fā)酵罐中細胞的比生長速率為：,根據(jù)Monod方程：,（9.47）,（9.48）,（9.49）,合并式（9.35）、（9.47）、（9.48）和（9.49）可得,解此方程可得第二級發(fā)酵罐中穩(wěn)態(tài)時限制性基質(zhì)濃度 ，再有式（9.48）確定 。,9.3.4細胞循環(huán)使用的單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué),進行單級連續(xù)培養(yǎng)時，有細胞循環(huán)使用和不循環(huán)使用兩種方法。 經(jīng)連續(xù)培養(yǎng)后，流出的培養(yǎng)液進行固液分離，經(jīng)濃縮后的細胞懸浮液再被送回發(fā)酵罐中，也稱為細胞回流的連續(xù)培養(yǎng)（圖9.8）。,F,S0,(1+)F,X,