第一章生物反应器课件

第六章 典型发酵过程动力学及模型,第一节 概述 第二节 细胞生长及代谢过程动力学 第三节 生物反应器的基本类型,第一节 概述,微生物发酵的实质是生化反应，研究发酵动力学就是研究微生物的生化反应动力学。 主要研究方法： 利用数学模型定量描述发酵过程中影响细胞生长、基质利用和产物生成的各种因素。 可分为：分批发酵、补料分批发酵和连续发酵。,此外发酵动力学又是化学工程的一个分支，其中除了化学反应工程要在下面较详细的介绍以外(结合生物化学反应工程)，化学工程还包括下面几个重要的内容：,(1) 流体的输送及混合。 其核心问题是流体之间动量的传递、机械能的转化。 (2) 热量的传递。 对于生物反应器要考虑发酵热的传出以及发酵蹈温度的控制。所用的手段多采用间壁的传热。其传热量大小决定于冷热两流体的温度差及其接触面积的大小。,(3) 物质的传递。 在生物反应器内进行着各种物质传递过程，如细胞内外物质的交换、营养物到细胞的传递、氧从气泡到细胞的传递、二氧化碳从细胞到气泡的传出。这些传递过程的强度主要由浓度差以及扩散(传递)的面积决定。,第二节 细胞生长及代谢过程动力学,一、细胞生长的特点、描述方法的分类 二、均衡生长模型 三、其它模型,一、细胞生长的特点、描述方法的分类,动力学研究的目的是要定量地描述过程的速率以及影响过程速率的诸因素。生物过程动力学研究的主要问题是生物反应的速率，特别是细胞生长的速率、各种基质组分消耗的速率、代谢产物的生成速率。,(1) 反应速率,单位时间物质浓度的变化量。如细胞的生长速率可表示为dxdc，其中x为细胞浓度(g/L)，t为时间(h)； 代谢产物的生成速率为dpdt，基质的消耗速率为-ds/dt，其中p及s分别为产物和基质(碳源、氮源等)的浓度。,(2) 得率系数,两种物质得失之间的计量比。如菌体生成量(生物量)对基质消耗量的得率系数 Yx/s-dxds， 而产物生成量对基质消耗量的得率系数 Yp/s-dpds 。,特别值得一提的有两点：,一是上面定义式给的是微分量的关系，即得率系数可能随着生物培养进程有变化，其原因主要是代谢途径有所变化。对于较简单的过程有时得率系数随时间变化不大，也可以把得率系数表示为变化总量之间的关系，如Yx/s-x s； 第二点是在分析代谢过程时常用一个特殊的得率系数呼吸商，它是释放出二氧化碳的摩尔数与消耗氧的摩尔数之比。,(3) 比速率,是单位质量的菌体单位时间引起某物质浓度的变化量。 如菌体的比生长速率 基质的比消耗速率qs 产物的比生成速率qp 。 在作动力学分析时比速率的概念是很重要的，它表示菌体活力的大小，能力的大小。,(4) 理想流动与非理想流动,前已说过动力学讨论的是生物反应速率与各环境因素之间的关系，在研究中我们希望确切知道在生物反应器内各点环境因素的值。但实际生物反应器尤其是较大的生物反应器由于混合、传热等需要时间，其内部往往不是均一的，给研究造成困难。,在研究小型反应器时根据其流动待点分为两种理想流动模式； 一是全混式，即反应器内各点浓度及其它条件均一； 二是活塞流式，即反应器内物质沿一定方向流动，完全没有反向混合。讨论反应动力学时常常假定生物反应是在全混的状态下进行的。而实际反应装置因其流动特点常常介于上述两种理想流动之间，讨论及计算比较复杂。,生物反应过程的核心问题是细胞的生长,细胞的生长(繁殖)、代谢是一个复杂的生物化学过程，既包括有各种细胞内的生化反应、胞内与胞外的物质交换，也包含有胞外的物质传递及生化反应。与一般化学工程不同，这个反应体系的特点是多相、多组分、非线性的体系。多相指的是体系内常含有气相、液相以及菌体(固)相，而各相状态及物理性质不同，相内的反应及传递各有特点，相间还有复杂的相互作用。,多组分反映的是在培养液内有各种营养成份，也有代谢排出的各种产物，在胞内更有具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。非线性指的是细胞的代谢过程通常不能用线性方程或方程组来描述，即使简化模型中的参数也常具有时变性。,除了上述特点以外，细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命活动，通常每毫升培养液中含104 108个细胞，而且细胞都经历着新生、成长成熟直至衰老的过程，在其生命的循环中也存在着退化与变异的问题。,因此，要对这样一个复杂的体系进行精确的描述几乎是不可能的，而且为了工程的目的也不必要过分细致。在进行定量的描述之前，首先要进行合理的简化。在简化假设的基础上建立起过程的物理模型，再据此推出数学模型。,通常对细胞群体所进行的简化假设，主要有两方面 (1) 是否考虑细胞内部复杂的结构? (2) 是否考虑细胞之间的差别?,根据上述两方面的考虑，对细胞群体可以有图11所示4种模型。,图11右上角的模型是非离散的结构模型，文献上简称结构模型。这种模型把细胞分为具有不同生理功能的组分，各组分相互配合、相互转化完成了整个细胞的生长、繁殖及代谢。这种模型考虑到胞内不同的结构单元，对更精细地分析细胞的代谢调控是很重要的，其分析结果对于过程的优化往往具有指导作用，而在工程菌培养过程中对外源基因表达的分析更需要用这种模型。结构模型考虑了胞内各结构单元的代谢及相互作用，因此列出的方程参数多、复杂，不容易解，因此在过程控制中较少用这种模型。,图1-1中左下角的模型是离散型非结构模型。它是把细胞分为几种不同形态或功能的类别。总的细胞量是各类细胞量的和，各类细胞有不同的生理功能。对于培养中细胞有明显差异(形态、功能)的过程用此种离散模型是好的，这种模型也有一个缺点，即分别测出各类细胞量是有困难的。 图1-1右下角的模型描述的是细胞培养的实际情况，但在求解及分析中也是繁杂的，因此应用较少。 上述3种模型在实际过程分析中应用较少，本章不作详细讨论。,在工程上应用最多的是图1-1中左上角非结构非离散模型，通常简称为均衡生长模型。 由于这种模型没有考虑细胞内部的结构(组分)，又不考虑各种细胞之间有任何差异，因此可以 把细胞用“浓度”这一个量来描述，即把细胞看成一种“溶质”，从而简化了胞内外的传递过程分析，也简化过程的数学描述。对于相当多的微生物过程分析，特别是过程控制来说，均衡生长模型是可以满足要求的。,二、均衡生长模型,1细胞生长模型 均衡生长模型只用一个量来描述细胞的量，即生物量或细胞的浓度。通常用每毫升培养液中菌体个数或干菌重来描述。 描述细胞生长速率的一个重要参数是比生长速率，它的定义是： (1-1) 式中x为细胞浓度t为时间。,因此，比生长速率表示在单位体积内单位量细胞经过单位时间增加的细胞量。这种增加包括生长和繁殖两个部分。比生长速率的单位是时间的倒数，即h1、Min1或s1 。,如在一段培养过程中比生长速率不变，则(1-1)式积分得到菌量的变化为： X=x0exp(t) (1-2) 式中x0为t=o时的菌量。,由(1-2)式也可以计算在一段均衡生长过程中的比生长速率： （1/t）ln(x/x0) (1-3),比生长速率表示了菌体增长的能力，它也受菌株及各种物理化学环境因素的影响，在菌株决定后环境因素中研究的最多的是限制性底物的影响，最常用的定量表达式为Monod方程： mS/(KsS) (1-4) 米氏方程：,m为最大比生长速率； Ks为饱和系数又叫Monod常数。在很多情况下用Monod方程关联基质浓度S与比生长速率的关系都得到了满意的结果。对于比较粘稠的发酵液，由于菌体对基质的扩散阻力， Monod方程有偏差，常可用contois式表示： mS/(xKxS) (1-5) 式中KX是比例系数。 对于高密度培养，特别是丝状真菌培养过程，应用上式常得到满意的结果。,其它还有几个常用的关联式： 对于基质抑制的情况Andrews式(1-6) 对于产物抑制的情况Aiba式(1-7) 对于限制底物多于一种的情况(1-8),当然菌体的生长还要受许多物理因素的影响，例如，温度、pH值等。目前多把这些因素控制在最佳值。这样适当选择式(1-4)(1-8)就可以定量地描述菌体的生长了。, mS/(KsS) (1-4) contois式： mS/(xKxS) (1-5),3,对于基质抑制的情况Andrews式(16) 对于产物抑制的情况Aiba式(17) 对于限制底物多于一种的情况(18),2基质消耗的模型,基质包括细胞生长所需各种营养成分，其消耗主要有3个方面： 一是细胞的生长，合成新的细胞； 二是细胞维持生命要消耗能源物质； 三是合成次级代谢产物。 这样可以建立基质消耗的数学模型是：,幻灯片 84,(19),3产物生成动力学模型,产物主要指的是细胞培养过程中代谢生成的除细胞量以外的产品。按照其生成待点产物的生成可分为两类：生长偶联型及非生长偶联型。这两者之区别在于前者的生成只是在细胞生长时才能生成，而后者则只要有细胞存在就会生成。,至于具体代谢产物究竟是哪种类型的还要从代谢动力学作深入的分析。 通常把抗生素或生物毒素看作是非生长偶联型的，也有些产物可以叫混合生长偶联型，即既与生长有关也与菌量有关，产物生成的通用模型是：,(110),式中、是与生长及菌体有关的比例系数，与前面Monod常数一样，它们也受菌株及各种环境因素的影响，在对代谢途径作了一番研究以后可以列出相应的表达式表示、与环境因素的关系，从而对式(1-10)求解。,实际在生物培养过程中菌体的生长、基质的消耗及产物的生成三方面是交织在一起的：菌体的生长消耗了基质，而基质浓度的变化又影响菌体的生长速度，对于产物也是这样。因此细胞培养整体的动力学模型是上述几个微分方程联立的结果。已知初始条件即可以应用合适的数学方法对过程求解及分析。,下面以青霉素球状菌发酵动力学为例来说明均衡生长动力学的应用。图1-2给出了青霉素发酵过程代谢曲线。这是一个中间有补料的批式培养过程，可补的料有碳源糖液、氮源 尿素溶液和青霉素发酵的前体苯乙酸。为了研究菌体的生长、前体的消耗、产物的生成、基质的消耗，为过程的控制提供信息，拟采用尽量简化的模型，通过代谢曲线的分析及菌体形态的观察提出如下的假设。,（1E-1）,(1) 菌体均衡生长，用单一参数生物量来描述菌体生长。 (2) 发酵中菌体呈丝状，浓度较大，最高达40g/L，因此采用contois方程来关联比生长速率，即: （1E-1）,(3) 在发酵过程中菌丝缠绕成球，菌球直径为50一300m，球内基质浓度受到扩散阻碍，因此用基质的有效浓度来代替发酵液中浓度，即： sSKix (1E一2),(4) 青霉素的合成受到糖的非竞争性抑制作用。 (5) 在合适的条件下氮源、溶氧均不是限制性基质。 基于上述假设(亦即物理模型)可以建立数学模型。,(1E3),上式中V表示发酵的体积，因此各式中最后一项表示由于流加物料导致体积变化而引起的各组分的“稀释”作用；Fs表示糖(碳源)的流加速率；p为产物生成的比速率；Ki为抑制常数；Kh为水解速率常数。用多批实验数据采用非线性回归方法得到上述数学模型中各参数值为：1;2,由图可以看出计算曲线与实验点是符合的，用统计方法分析了6组试验91个数据，相对偏差仅46，说明上述模型是合适的。,三、其它模型,上面介绍的均衡生长模型把细胞看成一个“溶质”，没有考虑胞内的结构和细胞之间的差别。在分析胞内诱导作用、对基因工程菌进行动力学描述以及细胞形态及功能有较大差异时应用上述模型是不力的。离散模型和结构模型解决了这些困难。由于考虑问题的重点不同，文献 中所建立的模型是很多的。课本以一个形态结构动力学模型实例来说明考虑问题的方法。,第三节 生物反应器的基本类型,一、生物反应器的特点及分类 微生物的种类很多，特点各异，生物反应器也五花八门，各以不同的方式提供适宜的生长环境，图15为一个用于青霉素发酵的大型生物反应器。青霉素的发酵是一个好氧的深层培养过程，该设备可以作为好氧生物反应器的一个典型代表，其主要组