课件下载_百万课件网

生化工程6 连续培养动力学

声明:本课件在电脑上可正常浏览,在手机或平板电脑上只能浏览到简介。

生化工程6 连续培养动力学的内容简介:

第六章 连续培养动力学
在培养过程中,不断向反应器流加培养基,同时以相同流量从反应器中取出培养液,这种操作方式称为连续培养。 D=F/V 其中F:体积流率(体积/时间) 流速 稀释率(D): 体积流率与培养液体积之比。 应用: 1)单细胞蛋白、乙醇、溶剂、啤酒、废水处 理、动物细胞培养、酶催化等领域 2)生物代谢、生理、生化、遗传、生态等特性 的研究。 特征:连续培养进入稳定状态后,细胞的比 生长速率与稀释率相同,培养液中的细胞、 基质和产物浓度恒定,不随时间变化。 分批培养:底物一次装入罐内,在适宜条件下接种进行反应,经过一定时间后将全部反应系取出。 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。反应过程中,将特定的限制性底物送入反应器,以控制罐内限制性底物浓度保持一定,反应终止取出反应系。 连续培养类型 恒化器:具有恒定化学环境的反应器。以恒定不变的 速率加入某一必需的限制性营养物。 恒浊器:维持细胞密度恒定不变。 营养恒定反应器 pH自动恒化器 CER恒化器 溶氧恒化器 摄氧恒化器

一、 单级连续培养
1、菌体平衡 对于细胞: 体系积累速率=(进入-流出)速率+(生长-死亡)速率 对于普通的单级恒化器 X0=0,=0,培养液体积不变 当连续培养处于稳态时,反应器中的细胞积累为 零, 即在恒定状态时,比生长速率等于稀释速率
2、限制性底物的物料平衡 对于限制性底物: 体系积累速率=(进入流出)速率 (生长+形成产物+维持代谢)所消耗速率 当连续培养处于稳态时,反应器中的基质的积累为零,
3、产物的物料平衡 对于产物形成: 体系积累速率=(生成 – 流出)速率 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 单级恒化器在稳态条件下的物料平衡方程: 在只培养细胞的特定连续培养过程中,设:产物的形成忽略不计,维持代谢忽略不计。 在一定培养条件下,Yx/s、S0、Ks和μm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。 生产强度(生产率): Pt =产物浓度(g/L)/发酵时间(h) 令 Pt 对 D 的一阶导数为零,可获得最大生产强度 下的稀释率 Dopt: 对函数Pt=D Yx/s [S0Ks D/(μm –D)]求极值
例题6.1 以葡萄糖为限制性基质,连续培养E. coli,在此培养条件下( 流加基质浓度S0=0.968g/L),测得试验数据如下: 根据莫诺方程有: 对1/μ—1/ S作线性回归曲线,求得: 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: 取0.3 0.7之间的Yx/s数值的平均值得: Yx/s均 = 0.505 gX / gS 将所求出的μm、Ks和Yx/s均作为理论计算的依据,依据下列方程作图: 该例连续培养的理论计算值和实验值拟合图见下图。(Excel 6.1) D <0.25Dcrit,不可忽略维持代谢 D > 0.75Dcrit,可能产生代谢产物。
例6.2 在甘露糖醇中培养大肠杆菌,其动力学方程为:dX/dt = 1.2X/(2+S) g/(L min)。已知 S0=6 g/L,Yx/s = 0.1。
试问
(1)当甘露糖醇溶液以1 L/min的流量进入体积为5L的CSTR中进行反应时,其反应器内细胞的浓度及其生长速率为多少?
(2)如果寻求使大肠杆菌在CSTR内的生长强度达到最大,试问最佳加料速率应为多少?大肠杆菌的生长速率为多大?
解(1)根据题意,单级CSTR在稳态下有, 依据莫诺方程μ=μmS/(Ks+S)得, (2)生产强度Pt=D Yx/s [S0 – Ks D/] 令dPt/dD=0,此时Pt为极大值,相应的稀释率为

二、多级连续培养
把几个生物反应器串连起来,前一级反应器的出 料作为下一级反应器的进料,即组成了多级连续 培养系统。进行多级连续培养时,也可以向第二 级以后的各级反应器补充新培养基。 第二级反应器反应动力学 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:

三、进行细胞回流的单级连续培养
将单级恒化器中流出的培养液进行分离,经浓缩 后的细胞悬浮液被送回反应器中。 提高了反应器中细胞的浓度 提高了反应器操作的稳定性 单级反应器 临界稀释率 Dcrit =μm 对反应器(不包括分离器)进行物料衡算: 对于细胞: 积累速率=(进入流出)速率+(生长–死 速率+循环液细胞流入速率 (X0=0,培养液体积不变) 当连续培养处于稳态时,反应器中的细胞积累为零,即:dX/dt = 0 (1) 对于限制性基质: 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 (不考虑产物形成和维持代谢) 当连续培养处于稳态时,反应器中的底物积累为零, 其中R为循环浓缩因子 根据莫诺方程有:
例6.3 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, 由于该反应服从莫诺方程,

四、连续培养的应用
1、确定 最佳培养条件 最大生产强度Pt=D X 最高转化率 Yx/s 最少副产物产生 从右图中,得到什么结论?
2、富集、选育特殊性状的菌种 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 筛选的环境条件包括:限制性底物、培养温度、pH、生长促进剂、抑制性物质等。 在选择性富集培养过程中,生长速率不同菌种的去留由各自的比生长速率决定,最后系统保留的是在该体系中比生长速率最大的微生物。 设一连续培养微生物 X 的过程中被 Y 或 Z 或W 微生物污染。其中杂菌 Y在给定的限制性底物S中的比生长速率μY<μX,杂菌 Z 在S中的比生长速率Z>μX,而杂菌 W 在S中的比生长速率 μW与μX的大小差异与S的浓度有关。三种杂菌Y、Z、W在连续培养中与微生物X的生长关系如下图所示。 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): 细胞积累速率=生长速率 – 流出速率 ① 对于杂菌Y,在一定S下,μY小于正常培养微生物X条件下的稀释率D,因 且μY<D,故 dY/dt 为负值。结果杂菌Y不能残存在培养系统中。 ② 对于杂菌Z,在一定S下,Z大于正常培养微生物X条件下的稀释率D,因 且Z > D,故 dZ/dt 为正值。结果杂菌Z残存在培养系统中。 由于dZ/dt>0,微生物Z积累,结果导致限制性底物浓度S的下降,下降至S时,有μZ=D,对于微生物Z,建立了一个在S下的新稳定状态。在S下,微生物X的μX随S下降至S,而下降至μX,此时X<D,微生物X将从培养系统中洗出。 ③ 对于杂菌 W,W 的残存决定于操作稀释率,在D = 0.25D crit时,W不可能与X竞争,如Y与X的情形,W终被 洗处;当D = 0.75 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。
3、连续发酵与产物的形成 研究限制性底物种类、浓度与产物形成之间的关系。 表6.3 在连续培养中链球菌变异株由葡萄糖生成乳酸
4、生产强度(培养细胞) 连续培养的最大生产强度 分批培养的生产强度: 生产周期: tB分批培养一个生产周期所需的时间 tL延迟期占用时间 tR放料占用时间 tP清洗反应器,重新加入培养基、灭菌、冷却等操作所需时间 分批培养的细胞生产强度: 连续培养与分批培养的生产强度之比:
连续培养的优缺点 优点:
1) 可用于进行细胞代谢、生理生化和遗传特性的研究。
2)提高生产效率。
3)产物质量比较稳定。
4)连续培养所需设备和投资少,而且便于自动化。
缺点:
1)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。
2)培养液中产物浓度较低,分离成本高。
3)新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合,影响培养和营养物质的利用。

课件下载:下载地址 页数:150页 [ 收藏 推荐 ]
课件大小:0.79 MB 上传时间:2013-02-26 17:27:25 下载次数: 所需金币:0个