生化工程连续培养动力学实用版教学课件.pptx

1、将(1)式代入上式，得稳态下：2=Yx/s D(S1S2)/X2 (2)由于X2 X1 0，因此2D=D 1+(1)(1)三、进行细胞回流的单级连续培养(1)D=已知 S06 g/L，Yx/s=0.X=1/RYx/s S0 Ks R D/(mR D)(5)当连续培养处于稳态时，反应器中的产物的积累为零，即：dP/dt=0或 dP/dt=qpX D P (7)稳态下第n级反应器中的细胞浓度、比生长速率、限制性基质浓度和产物浓度：F=1 L/min，Yx/s=0.补料发酵:先将一定量底物装入罐内，在适宜条件下接种使反应开始。S=Ks R D/(m R D)(4)D(S0 S)(/YG+qp/Yp+

2、m)X=0 (5)75Dcrit,可能产生代谢产物。该例连续培养的理论计算值和实验值拟合图见下图。将实验数据X、S和D代入方程X=Yx/s(S0 S)和Pt=D X，计算对应的Yx/s和Pt，结果见下表：2、富集、选育特殊性状的菌种X=YG(S0 S)=Yx/s(S0 S)(11)X=?(S0S2)=D(Ks+S2)(S1S2)/(m S2)(7)(S0S2)=D(Ks+S2)(S1S2)/(m S2)(7)X=YG(S0 S)=Yx/s(S0 S)(11)X=?S=0.当D m时，SS0，此时X0，临界稀释率Dcrit为：Dcrit=mS0/(Ks+S0)coli，在此培养条件下(流加基质浓

3、度S0=0.以葡萄糖为限制性基质，连续培养E.(mD)S22(m S0Ks D2/(mD)+Ks D)S2=0.以恒定不变的 速率加入某一必需的限制性营养物。5(31/3)=8/3 g/L令 Pt 对 D 的一阶导数为零，可获得最大生产强度由Xe=1+(1)X，得以葡萄糖为限制性基质，连续培养E.3 在连续培养中链球菌变异株由葡萄糖生成乳酸R=1+(1)1D(S0 S)(/YG+qp/Yp+m)X=0 (5)级以后的各级反应器补充新培养基。将方程S1=Ks D/(mD)代入方程（7），得二次方程：=0.将(1)式代入上式，得0000222020200/DDDDDKSDDKSDDDKSDDDKS

4、YDmmmSmSmSmSSXSSmSSmmSmSmmmSSmmmSmmSmmSKSKDKSKDKSKDDKKSDDKSDDDKSDDDDKS0002222022202202201000202SSSSsSSmsxSSmmSSmssxSSmoptmoptssxopttopttcritoptSSmoptKSKKSKKSKSKYPtKSKKSKKSYKSKPtDDKSYDPXDPDDSKsKSKD0000/000/00/00111111细胞最大生产强度附近就在，可知因0/020000/20/0200/0000/000/0000/1111SYPtKSSKSKSSYPtKKSYPtKSKSKKSYPtKK

5、SKSKSKSKYPtKKKSSKSKYPtKSKKKSSKSKYPtmsxsSSmsxSSmsxSSSSmsxSSsSSSmsxsSSSSmsxSSSSSSmsx，则如果试比较连续培养的S、X和Pt的理论计算值和实验值。令 Pt 对 D 的一阶导数为零，可获得最大生产强度（生长形成产物维持代谢）所消耗速率Yp/x X P=0 (8)当Dm,提高D，增大S，则降低X。Dopt=m 1(Ks/(Ks+S0)1/2解此方程求出S2，进而确定X2。一、单级连续培养1、菌体平衡稳态下第n级反应器中的细胞浓度、比生长速率、限制性基质浓度和产物浓度：(S0S2)=D(Ks+S2)(S1S2)/(m S2)

6、(7)V(dX/dt/YG+dP/dt/Yp+mX)+FS2、富集、选育特殊性状的菌种把几个生物反应器串连起来，前一级反应器的出5(31/3)=8/3 g/L积累速率（进入 流出）速率 （生长形成产物 维持代谢）所消耗速率由循环液进入速率C 出口细胞浓度X根据连续培养理论，某种微生物在培养过程中的积累速率为生长速率与稀释速率之差（不考虑菌体死亡，进入的速率为零）：临界稀释率条件下，X0，S S0，依据Monod方程X=Yx/s均(S0 KsD/(m D)(S0S2)=D(Ks+S2)(S1S2)/(m S2)(7)（生长形成产物维持代谢）所消耗速率dP/dt=Yp/xX D P (6)=D 1

7、+(1)(1)0)()(0)()()(0)()()()()()()()()()()()()()()()()(77)()()()()(22220222222220222222222222202222222222022222202222202222012212202212/20/mSmSSmmSSmSmmmmSmSSmmmmmSmSSmmmmSmSSmmmmmSSmmmSSmmSmSmSSXSXDKDSDKDDKSSDKDSKDSDDKSDSSDSDDSKDSDDKKDSDSDSSDDSKDSDDKKDDSSSSDDKSDSDDKKDDSSSDSDDKSDKDSSSSDDKSKDSSSDDKSSS

8、SSKDSSSSSSKDYSSY）得：代入（将方程）（D(X2X1)物料循环比（体积比）：=Fr/F 1流速、生物量、基质浓度？(S0S2)=D(Ks+S2)(S1S2)/(m S2)(7)当连续培养处于稳态时，反应器中的底物积累为零，即：dS/dt=D(S0S)X/Yx/s=0X2=Yx/s（S0S2）(4)Yp/x X P=0 (8)在一定培养条件下，Yx/s、S0、Ks和m均为定值，连续培养状态下培养液中的菌体浓度X和限制性底物浓度S取决于稀释率D。令dPt/dD=0，此时Pt为极大值，相应的稀释率为试求：X，S，Xe各为多少？Xr=4Xe。dX/dt=X 1+(1)D X已知X0=0，

9、S0=3g/L，75 Dcrit时，X不可能与W竞争，如Z与X的情形，X终将被洗出，W在系统中残存。由 XYx/s(S0 S)得，以葡萄糖为限制性基质，连续培养E.对反应器（不包括分离器）进行物料衡算：以葡萄糖为限制性基质，连续培养E.B、E 细胞生产率（生产强度）D X；当Dm,提高D，增大S，则降低X。+FX其中R为循环浓缩因子或 qpX D P=0 (9)依据莫诺方程mS/(Ks+S)得，临界稀释率 Dcrit=mR=/D=1+(1)在一带循环的单级CSTR（连续操作的搅拌槽式反应器）中进行下述反应，dX/dt=2SX/(1+S)g/(L.Yx/s均 0.由于该反应服从莫诺方程，dX/d

10、t=2SX/(1+S)得：Ks=1，m=2令dPt/dD=0，此时Pt为极大值，相应的稀释率为65=3 L/min+FX在上例中，m=1.且YD，故 dY/dt 为负值。=2细胞产酸力（gp/gx)将实验数据X、S和D代入方程X=Yx/s(S0 S)和Pt=D X，计算对应的Yx/s和Pt，结果见下表：S=Ks/(m/1)=Ks/(m/D 1)(14)25D crit时，W不可能与X竞争，如Y与X的情形，W终被 洗处；05h-1，Ks=0.coli，在此培养条件下(流加基质浓度S0=0.其中R为循环浓缩因子令 Pt 对 D 的一阶导数为零，可获得最大生产强度16 20.Yp/x X P=0 (

11、8)2、富集、选育特殊性状的菌种细胞浓缩比：Xr/X 1根据莫诺方程=m S/(Ks+S)2、限制性底物的物料平衡由Xe=1+(1)X，得=1.tB分批培养一个生产周期所需的时间其中R为循环浓缩因子=0.Yx/s均 0.Xr=4Xe。X=Yx/s(S0S)/R (3)由于X2 X1 0，因此2DV(dX/dt/YG+dP/dt/Yp+mX)+FS解（1）根据题意，单级CSTR在稳态下有，在一定培养条件下，Yx/s、S0、Ks和m均为定值，连续培养状态下培养液中的菌体浓度X和限制性底物浓度S取决于稀释率D。解此方程求出S2，进而确定X2。对反应器（不包括分离器）进行物料衡算：V dS/dt=F(

12、S0 S)(dX/dt/YG+dP/dt/Yp+mX)V(3)研究限制性底物种类、浓度与产物形成之间的关系。PtDYx/s S0 KsD/(m D)（16）dX/dt=0.将方程S1=Ks D/(mD)代入方程（7），得二次方程：=0.05h-1，Ks=0.代入上式(11)得：X=Yx/s S0 KsD/(m D)(13)=2解此方程求出S2，进而确定X2。25D crit时，W不可能与X竞争，如Y与X的情形，W终被 洗处；下的稀释率 Dopt：V dX/dt=F X0 (1+)F X+V()X下的稀释率 Dopt：(S0S2)=D(Ks+S2)(S1S2)/(m S2)(7)D(S0 S)(

13、/YG+qp/Yp+m)X=0 (5)通常情况下，KsS0，故有：Dcrit=m建立高选择性的环境条件，筛选和富集培养专一性的微生物该例连续培养的理论计算值和实验值拟合图见下图。恒浊器：维持细胞密度恒定不变。将(4)式代入(3)式得：dX/dt=X 1+(1)D X级以后的各级反应器补充新培养基。B、E 细胞生产率（生产强度）D X；令Pt(Dopt)=0当连续培养处于稳态时，反应器中的细胞积累为连续培养与分批培养的生产强度之比：=1+(1)X在上例中，m=1.25D crit时，W不可能与X竞争，如Y与X的情形，W终被 洗处；05h-1，Ks=0.(mD)S22(m S0Ks D2/(mD)

14、+Ks D)S2根据连续培养理论，某种微生物在培养过程中的积累速率为生长速率与稀释速率之差（不考虑菌体死亡，进入的速率为零）：由Xe=1+(1)X，得PtB=(XFX0)/tBdY/dt=Y Y D Y将(1)式代入上式，得提高了反应器操作的稳定性112 g/(Lmin)7之间的Yx/s数值的平均值得：75Dcrit,可能产生代谢产物。将方程S1=Ks D/(mD)代入方程（7），得二次方程：(S0S2)=D(Ks+S2)(S1S2)/(m S2)(7)对函数PtDYx/s S0 KsD/(m D)求极值对1/1/S作线性回归曲线，求得：S=0.下的稀释率 Dopt：在一带循环的单级CSTR（

15、连续操作的搅拌槽式反应器）中进行下述反应，dX/dt=2SX/(1+S)g/(L.最佳加料速率 F=Dopt V=0.S=10.=0.58/3=4/3 g/L1）长时间培养过程中，菌种易老化、变异，工程菌质粒易丢失和染杂菌等。令dPt/dD=0，此时Pt为极大值，相应的稀释率为Ks，m，?0h-1，Yx/s=0.2）培养液中产物浓度较低，分离成本高。(g/h,mol/h)5(31/3)=8/3 g/L当D m时，SS0，此时X0，临界稀释率Dcrit为：Dcrit=mS0/(Ks+S0)将单级恒化器中流出的培养液进行分离，经浓缩循环浓缩因子R=1(1)0.2、限制性底物的物料平衡0h-1，Yx/s=0.（2）生产强度Pt=D Yx/s S0 Ks D/(m D)(2)D(S0 S)/YG X=0 (10)Yx/s=YG65=3 L/min以葡萄糖为限制性基质，连续培养E.该例连续培养的理论计算值和实验值拟合图见下图。X2=Yx/s（S0S2）(4)在一定培养条件下，Yx/s、S0、Ks和m均为定值，连续培养状态下培养液中的菌体浓度X和限制性底物浓度S取决于稀释率D。在上例中，m=1.