1、第五章 微生物發(fā)酵動力學(xué),第三節(jié) 微生物生長動力學(xué),分批培養(yǎng)動力學(xué) 1）分批式操作 2）半分批式操作 3）反復(fù)分批式操作 4）反復(fù)半分批式操作 連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué),分批式操作 底物一次裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過一定時間后將全部反應(yīng)系取出（圖a）。,反復(fù)分批式操作 分批操作完成后取出部分反應(yīng)系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作進(jìn)行如圖b。,半分批式操作 又稱流加操作，是指先將一定量基質(zhì)加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入反應(yīng)器中，反應(yīng)開始，反應(yīng)過程中將特定的限制性基質(zhì)按照一定要求加入到反應(yīng)器內(nèi)，以控制限制性基質(zhì)保持一定，當(dāng)反應(yīng)終止時取出反應(yīng)物料的操作方式(圖c)。,反復(fù)半分批

2、式操作 反復(fù)半分批式操作是指流加操作完成后，不全部取出反應(yīng)物料，剩余部分重新加入一定量的基質(zhì)，再按照流加操作方式進(jìn)行，反復(fù)進(jìn)行。其培養(yǎng)過程中基質(zhì)體積變化曲線如圖d所示。,連續(xù)式操作 是指在分批式操作進(jìn)行到一定階段，一方面將基質(zhì)連續(xù)不斷地加入反應(yīng)器內(nèi)，另一方面又把反應(yīng)物料連續(xù)不斷的取出，使反應(yīng)條件（如反應(yīng)液體積等）不隨時間變化的操作方式?；钚晕勰喾ㄌ幚韽U水、固定化微生物反應(yīng)等多采用連續(xù)式操作。連續(xù)培養(yǎng)過程中基質(zhì)體積變化曲線如圖e 所示。,分批培養(yǎng)動力學(xué),一、微生物在一個密閉系統(tǒng)中的生長情況：,時間,菌體濃度,延遲期,指數(shù)生長期,減速期,靜止期,衰亡期,延遲期：,指數(shù)生長期:,減速期:,靜止期：

3、;,衰亡期:,二、微生物的生長動力學(xué)、Monod方程,微生物的生長速度： f（S、P、T、pH、）,在一定條件下(基質(zhì)限制)： f (S),Monod研究了基質(zhì)濃度與生長速度的關(guān)系 Monod方程(1949),米氏方程:,：菌體的生長比速率 S：限制性基質(zhì)濃度 Ks：半飽和常數(shù) max: 最大比生長速率,限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的過程中，對微生物的生長起到限制作用的營養(yǎng)物。,Monod方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法)：,將Monod方程取倒數(shù)可得：,或：,這樣通過測定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長速率，就可以通過回歸分析計算出Monod方程的兩個參數(shù)。,例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如

4、下數(shù)據(jù)：,S(mg l-1) 6 33 64 153 221 (h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70,求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的max，Ks?,解：將數(shù)據(jù)整理：,S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221,max1.11 (h-1); Ks97.6 mg l-1,流加操作（半分批式操作）,流加操作的優(yōu)點是能夠任意控制反應(yīng)液中基質(zhì)濃度，這與分批操作明顯不同。 流加操作的要點是控制基質(zhì)濃度，因此核心問題是流加什么和怎么流加。在工程上要特別注意后者。 從流加方式上看 ，流加操作可分為無反饋控制流加操作與反饋控制流加操作。

5、前者包括定流量流加、指數(shù)流加和最優(yōu)流加量流加操作等。后者分為間接控制、直接控制、定值控制和程序控制等流加操作。,流加操作,無論采用哪一種流加方式，一旦特定基質(zhì)加入到反應(yīng)器后，反應(yīng)液體積就會發(fā)生變化，此時的狀態(tài)方程：,無反饋控制流加操作,采用這種方式時，基質(zhì)的流加按預(yù)先設(shè)置好的條件進(jìn)行。因此，表達(dá)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是否正確成為反應(yīng)成敗的關(guān)鍵。最簡單的微生物的生長反應(yīng)速率為：,作為流加基質(zhì)的平衡式，有,無反饋控制流加操作,培養(yǎng)液體積變化的方程式為：,如果流加的基質(zhì)能夠迅速并完全被菌體所消耗，并且維持代謝為零。由于基質(zhì)流加量與基質(zhì)消耗量相等，可認(rèn)為,無反饋控制流加操作,因此，,對于所給基質(zhì)的濃度，菌體濃

6、度近似一定，即dX/dt=0時，由上式，可以認(rèn)為,例題2、流加基質(zhì)為葡萄糖，培養(yǎng)大腸桿菌。流加培養(yǎng)開始時的V0=1.0L，Sin=80g/L，F(xiàn)=0.2L/h，反應(yīng)方程可以用Monod方程來表示，其中m=0.2h-1，KS=1.0g/L，YX/S=0.6g/g（以細(xì)胞/葡萄糖計）。流加培養(yǎng)2h后，求 1) 此時的培養(yǎng)液體積? 2) 擬穩(wěn)狀態(tài)下反應(yīng)器中葡萄糖濃度? 3)反應(yīng)完成時反應(yīng)器中的菌體濃度?,連續(xù)培養(yǎng),根據(jù)達(dá)成穩(wěn)定狀態(tài)的方法不同，分為三類： 恒化器法：指在連續(xù)培養(yǎng)過程中，基質(zhì)流加速度恒定以調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞的生長速率與恒定流量相適應(yīng)的方法。 恒濁器法：指預(yù)先規(guī)定細(xì)胞濃度，通過基質(zhì)流量控制，以

7、適應(yīng)細(xì)胞既定濃度的方法。 營養(yǎng)物恒定法：指通過流加一定成分，使培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分恒定的方法。,連續(xù)培養(yǎng),從設(shè)備上分類：罐式和管式 使用的菌種：循環(huán)式和非循環(huán)式 操作方式：單級或多級連續(xù)培養(yǎng),連續(xù)培養(yǎng),連續(xù)培養(yǎng)優(yōu)點： 1）可以提高設(shè)備利用率和單位時間產(chǎn)量，保持一定時期穩(wěn)定狀態(tài)。 2）發(fā)酵中各參數(shù)趨于恒值，便于自動化控制。 3）易于分期控制，可在不同罐中控制不同條件。,連續(xù)培養(yǎng)恒化器法連續(xù)操作,單級連續(xù)培養(yǎng) 培養(yǎng)系統(tǒng)中，流入液中僅一種成分為微生物生長的限制性因子，其他成分在不發(fā)生抑制的條件下充分存在。 培養(yǎng)過程中，菌體、限制性基質(zhì)及產(chǎn)物的物料衡算式為： 變化量=流入量+生成量-流出量,由于流入液中

8、菌體和產(chǎn)物的濃度為零，上述衡算式寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式為,推導(dǎo)：,根據(jù)菌體得率YX/S和產(chǎn)物得率YP/S的定義式，微生物生長符合monod方程，求穩(wěn)定狀態(tài)下：,上面三個公式兩邊同除V，得,根據(jù)菌體得率YX/S和產(chǎn)物得率YP/S的定義式，以及monod方程,此時的菌體濃度、基質(zhì)濃度和代謝產(chǎn)物濃度可分別表示為：,穩(wěn)定狀態(tài)下：,穩(wěn)態(tài)下，,由式：,由于D=F/V，反應(yīng)液供給的流量F的變化可以控制的 大小，這也是恒化器法又被稱為外部控制法的緣故。事實上，D是由限制的，就是在培養(yǎng)過程中要保證 即：,計算題1、葡萄糖為碳源，NH3 為氮源進(jìn)行酵母厭氧發(fā)酵，培養(yǎng)中分析結(jié)果表明，消耗100mol葡萄糖和12mol NH3生成了57mol菌體、43mol甘油、130mol乙醇、154molCO2和3.6molH2O，求酵母的經(jīng)驗分子式。,期中考試計算題答案,解由題意寫出相應(yīng)的反應(yīng)方程式為：,各元素平衡式：,計算題2：葡萄糖為基質(zhì)進(jìn)行面包酵母培養(yǎng)，培養(yǎng)的反應(yīng)式可用下式表達(dá)，求計量關(guān)系中的系數(shù)a、b、c 和 d。,解：根據(jù)