4.2.2.2产物抑制动力学
)23.4(),()1(:4
)22.4()()/1(:)3(
)21.4(:l i m)2(
)20.4()(
)/(
)1(
m a x
m a xm a xm a x
m a x
m a x
经验常数)(
允许的最大产物抑制常数修正




nKKC
CK
C
dH i n s h e l w o o
CCCCL e v e n s p i e l
CK
CK
CK
C
skyJ e r u s a
K
KCCK
C
egM o n o d
P
SS
S
PP
n
PP
PIP
PIP
SS
S
IP
IPPSS
S




4.2.3分批培养的细胞生长动力学
)27.4()e x p (,,)(:5
)26.4(),()1(),e x p (:)4(
)25.4)(,)3((,:)2(
)24.4(
3.2
:)1(
m a x
m a x0m a x,
m a xm a x
0m a x
tkCCCkrCkr
C
CrtCC
Cr
C
C
Lgttt
dXXXddXdX
X
XXXX
XX
X
X
LL







)衰亡期(
常数静止期略减速期指数生长期与接种量、基质有关延迟期的时间
4.2.4 细胞生长动力学的结构模型( SKM)
μ~ ( ( 1)质粒丧失 ( 2)基因的诱导、阻遏( 3)细胞
RNA,E的变化( 4)储存物质的累积( 5)细胞形体的改变
(( 3) ~( 5)常为 DO的函数等)。 SKM还较难建立,它用于设计、控制、阐述生物系统中传递过程。 1982年 Harder等提出简单的双区模型为图 4.4。该细胞生长分两组生物质合成区即 K区和 G区
)(
)(反应速率常数
30.4)1(
29.4,)1(
)28.4(1,,m a x.
XKGKXGGKGK
KGXKKKGXGKKGKG
KGGX
GG
G
ss
ss
SK
CWkCWk
kCWWkCWWk
WW
X
X
WC
WK
W
CK
cq G



4.3 基质与氧消耗动力学
)33.4(
1
,/
1
2.3.4
)32.4(
11
)(
1
)31.4(
111
1.3.4
22
m a x,m a x
m a x
22



o
xOx
o
xO
sS
S
s
sS
s
s
x
s
xs
x
s
x
sS
s
s
xx
s
xx
s
xs
Y
qO C RO U R
Y
CK
C
q
CK
C
YYC
q
C
CK
C
Y
C
YY



氧消耗动力学基质消耗动力学当 [DO]>[DO]cri:qo2=f([DO]0) (酶反应控制 )
此时 [DO]∝ time (通常培养条件控制区 )
F S,F X C S
r GK
r SK
r KG
K
G
图4.4 细胞生长双区模型
[DO] cri [DO]/gL
-1
图4.5 呼吸强度 q O 2 与[DO ]关系
q
O
2
/gg cellh
-1
-1
4.3.3包括维持代谢的基质消耗动力学
)36.4(
1111
)35.4(
1
,
1
)34.4(
1
)(/
**
**
*
2
2
22
2
2
P
SPSX
SP
SP
XX
SX
S
O
OX
OXOX
OX
O
XX
SX
S
q
Y
m
Y
qr
Y
mCr
Y
r
m
Y
qCmr
Y
r
mCr
Y
r




为:该限制性基质消耗速率持代谢及生成产物,则同时考虑细胞生长、维类似有代谢内源维持细胞生长
4.4产物生成动力学模型( Gaden分类法)
)42.4()1(
41.4
40.4)(:)(
)4(
39.4,
6.4,:)3(
38.4,
6.4:)2(
37.4.
6.4:)1(
21
/m a x,
///
xxP
PdXXP
XPPP
PXP
PXXP
XPPXXPXXPP
CKCKrc
CkCrrb
Yqqa
qCr
C
qCrr
B
YqCYrYr
A











:)高活性细胞加权(
)()产物分解影响:(
)(黑曲霉生产黑素负相关模型其它
)(
))(同化作用,(图与能源代谢无关非相关模型
)(
))(图能源代谢中间产物,(部分相关模型
)(,
))(物,(图异化作用、分解代谢产相关模型
r i
t
(A)
S
P
X
r i
(B)
t
X
S P
r i
(C)
t
S
X
P
图4.6 产物生成动力学
4.4.2微生物反应中的产热速率( 6— 10( 40) KW/m3,6.3— 11.3KJ/g(cell)(dry))
)43.4())./((111 hgJmqYYdtdCCq HVp
HVPHVX
HV
X
HV
式中,CHV-J/l(Reactor),YX/HV-g(cell)/J
(一 )需氧反应,代谢产物为 CO2,Q=△ HR( -△ O2) ( 4.44)
][ 3mm o lm o lJ?
(复合培养基中,丝状真菌,385~494 细菌为 385~565,以细菌、酵母、霉菌顺序递减) ][molKJ
)45.4())(()())((Q:)(,.,i jpicjxcisic PHXHSH据燃烧热二其中:△ Hc,x测定得为 -17.6[KJ/g],代谢产物 CO2(g),O2,H2O,N2( g),SO2、
NH3( N源为 NH3,且燃烧 S,P及 X中的 N最终产物均为 NH3)的△ Hc,p均为 0,
其余可查手册 。
(三)据式( 4.1),Q/△ X=△ Ha(ssimilation)+△ Hd(issimilation) [J/g] (4.46)
4.5 非均相微生物反应过程
4.5.1 质量传递过程胞内 kin.(MT); l~ 细胞膜 hom; 超细胞 MT,G-G/L(kL1)-L-(kL2)L/Ss-l/s; medi-
Welcell-in-cell.ds(mm),kL1aL> kL2as ;ds(μm):kL2as> kL1aL.好气培养 (O.T.),kg>>kl,[kla]
4.5.2 关于 kLa kLa (Rea) ; a ;kL,a ; kLa
4.5.2.1影响 kLa的因素 (一 )操作变量,(a)通风与搅拌 [DO]:n (Pg ) ;Q +n (Pg不变 );
通 O2 ( b) t/p,t ( μL,D,); P [γ[DO] ],↑ kLa )
LL Tk
(二 )反应液理化性质
( a)有机物( a):( kL~flow) pro.(kLa ↓) 酮、醇、酯( kLa ↑)
( b)离子强度( a):多种盐 0.2-0.5mol/l,a ↑; Pg↑,Q↑,kLa随离子强度上升影响更显著
(c)表面活性剂,基质中或微生物分泌出 δ表面 ↓( dGB↓,a↑) ;泡沫在相界面使 kL↓
(d) CX:悬浮粒使 kLa ↓
(三 )反应器结构影响不大
(a) H/D≥2.5多层桨 (+大 Q+大 Pg)
(b) 档极
H/D↑均可改善 kLa 。
4.5.2.2测定 kLa 方法
(一 )亚硫酸盐法,
)48.4(
CC2C
No
ak
][0:4520,45.00 1 8.0
)47.4(22
21***
2
L
0
42232
32
32
22
)(则当
YY
V
V
DOCCtm o lC
SONaOSONa
L
AASONa
SONa
o r C oCu






式中,C*-与气相分压 (ρ)相平衡的液相浓度 [mol/m3];
下标 A-Air ;VL-反应液体积 [m3];Y1(2)-进 (出 )口气体中 O2摩分率适用,kLa 高的体系,简便,CNa+↑使 kLa ↑,大反应器耗大量 。
(二)葡萄糖氧化法( glucose oxidae):生成葡萄糖酸,用 NaOH中和滴定计算 No2,用氧电极测氧浓度 C,( E价高,用于实验室,接近真实体系) ( 4.49)
32SONa
C * 2L C
Noak
(三 )动态法,有菌体呼吸时某时刻停止通气,
)50.4(CX)Q( ak 1-CXQ-)a ( Ck *O2
L
O2*L dt
dcC
dt
dc 即
)51.4(Q,7.4)(QX-Q O2'O2'O2 可求见图积得 XttXCCdtdc
再通气后 (图 4.7)可由式 (4.50)作图 4.8解 kLa
适用,一般实际系统。 >10m3不宜用。 C不能低于 [DO]cri,如反复停气以致接近 [DO]cri会造成微生物死亡。
C
*停气通气
t/min
图4.7 动态法测k L a
图4.8 求参数k L a
C/PPM
min/2 PPMO XQdtdC?
4.5.3固相微生物的传质限制效应
(一 ) 4.5.3.1固相微生物的形成及其颗粒度大小形成 ⑴絮凝物(体):酵母,
植物细胞 ⑵菌丝团,fila,⑶ 微生物膜
⑷固定化细胞
)(,球,圆柱膜(二)颗粒度 53.410.106.11,23 i iiii ip dndnd
)(
)(
”:生物膜“活性厚度
)试差迭代)(,否则稳态下:无外扩散抑制时
!)(级不可逆反应)(生物膜的反应速率(一
56.4
1
21
*
55.4()(
)54.4(,,
)2.3.5.4
1
5.012
1
/
m a x
00
5.0
m a x


mS
mS
m
S
meSX
ii
SiPSiSLSSi
e
P
SiPSiSSiPSi
m
Si
SiS
KC
KC
K
C
KDY
LL
CkCCakCC
D
k
LCk
th
RRCkC
K
r
R
LRR
4.5.3.3其它固相微生物的 RS
絮凝物颗粒 —— 球形颗粒;菌丝团亦作球状。并假定:颗粒内菌体密度分布均匀,粒内无主体流动仅为扩散,-qs无分布,定常态。
)()((四)稳态法,52.4*2 CCakXQ LO
4.6影响发酵的主要因素及其控制菌种 —— 反应条件 —— 反应工程,CAO等应用 —— 发酵工艺控制优化
)(,,一
);(;);、(;、、:(三)
,,,,);;((二)
,一温度
,,...~][)]([2.6.4
.Re.][.
..~~~
)(1.6.4
22
*
/
m a x,
MVVQDOCCDO
c h e m o s t a tgd i rS y nakDOP h yEkkT
PS t aEC o n dXDYPXT o p t
QQQQQQQ
A i ro p tOc r iO
Li
SX
F e rr a dtv a ps t ib i oF e r


(二 ) [DO]值与异常 2况:( a)污染好气性杂菌,[DO]提前 →O,长时间不回 升。污染不好气杂菌、生产菌被抑制,[DO]↑。( b)污染噬菌体等:
[DO]↑。( c)补料过密:(赤霉素发酵)氨基 N2↑,[DO] ↑,发酵液发酵酸。
( d)搅拌故障或不 正常操作。
(三) [DO]与发酵中间控制:( a)质量:天门冬酰氨酶( 0.45[DO]*
转为厌氧 (b) 代谢方向,P[DO](同化) > P[DO] cri> P[DO](异化 )( c) [DO]*—
kLa— PH协调(自动)控制系统,PH~补糖 ~[DO],kLa,[DO]cri
(四 ) PH的影响与控制 ( a) Phopt( x,stage)( b) PH↓:( C,N) ↑;由,H+ /PH↑,( N,C ) ↑; OH-;补料 (NH3·H 2O…)
(五 ) CO2和 RQ CO2:S,P; bal.c:γx,p ;(CO2)l:AA,Ab;RQ:met
(a) γx,p,CCO2,out>4% γmet/res↓-γx↓,Sdics↓,γATP↓,γP ↓
CO2/ →mcell( CO2— FA,— prot)
( b)前期 CER∝ γx,CCO2,out→Fs ( c) CER— 补糖速率 补糖 — CO2、
有机酸 — PH ( d) RQ,met.pathway (yea.[1]→x,[1.1] →C2H5OH,[0.93]
→citric a.) Dif S/Stages(ini.<[1],tra.↑,P···)/RQ<Rqtheo
(六 ) Foam(Froth) (a) foaming,resulting,(b) eff.factors:Qair,
Ci(s),Methstex,Meta,(c) Cont:mech;def.agent; mutant,mix.cul.
3HCO?3HCO
4.7无菌技术
4.7.1概述(一)纯培养,降低染菌概率;(二)规程、操作、环境设备、熟练、经验;
(三)症状,PH,[DO]、浑浊薄膜,rs、镜检 ;
4.7.2灭菌方法
4.7.2.1器皿灭菌(一)金属及玻璃材质 —— 干热( 160℃ /1h);
(二)硅胶、合成材料、聚四氯乙烯、聚碳酸酯、醋酸 /硝酸纤维 —— 高压蒸汽 (121℃ /20
min)
(三)塑料制品 —— 辐照( γ射线 /20~100krad);化学( 70%C2H5OH/30min,UV干燥)
4.7.2.2培养基、试剂灭菌(一)热稳定的 — 高压法( 121℃ /20 min,补液位! )
(一)热不稳定的 —— 移除杂菌(膜过滤,d≤0.22μm,无菌试验!)
4.7.2.3空气除菌 ~气候、地理、设备;热杀菌,过滤;常见流程如下:
.......,F i l tH e a tS e pN e tC o o lR o t olC o o lC o m pF i l tA i r
)(对数灭菌度:
)需平(所示,欲达一定灭菌水如图
)()即(积得,:由
)(活细胞浓度(个数))—(
数死亡规律)微生物死亡动力学(对菌芽孢灭菌;微生物、酶、细加热加热灭菌动力学批灭菌(二)连续灭菌灭菌操作方式(一)分
59.4lnln
.109.4
58.4lne x p
57.4
1.3.7.4
~
3.7.4
4.2.7.4
00
3
0
000
RN
RN
N
N
T
StN S t
d
N
N
dNNNN
NNd
N
VC
VC
C
C
tC
tk
C
C
tkCCCCttIC
CCk
dt
dC



C N
C N0
C NSt
t St t
图4.9
图 4.9 灭菌过程
)63.4())e x p ()( e x p (::0
)62.4(
2.3.7.4
1010
2 6 8
1 0 51.0
1 3 082.26
6
1 0 50 1 9.0
1 3 01 1 7.0
101010
61.4
ln
60.4][ m i ne x p
0
0
43
1
456
2
1
tk
k
k
tk
kk
k
C
C
CCCtCCt
CkCk
dt
dC
Ck
dt
dC
NNN
VC
C
C
k
C
C
kV
EEE
RT
E
dT
kd
T
RT
E
Akk
r
r
S
S
Sr
r
N
N
NSNRNNN
NSSNRr
NS
NRr
NR
D
k
S
k
R
CMHRNT
d
dB
d
dd
Sr








细胞芽孢死亡动力学
,,),(:一般要求(二)
)(
)(
嗜热脂肪芽孢杆菌:
)(
)(
:;营养物;一般微生物细菌芽孢
)(微分:取对数再对
)(:(单分子反应)(一)




m i n91.4
54.2
48.12
48.1216.1056.92.32
16.10
m i n21
m i n175 4 9.12
56.9
m i n21
m i n165 4 9.12
2.32
10
10
ln
m i n54.2
1 0 01 0 0m i n17m i n1 2 11 0 0
m i n161010]1.4[
3
11
1
1 2 1
311






d
M
M
CH
T
d
k
t
R i c h a r d s
tk
CCtCC


捷算表:,由解:
?,求灭菌作用,已知以下的,忽略内降到再在并保温升至从内个。发酵掖灭菌要求个,灭菌后为某发酵液活菌数例
。。。。