高中生物课件第一章生物反应器111

第六章 典型发酵过程动力学 及模型l第一节 概述l第二节 细胞生长及代谢过程动力学l第三节 生物反应器的基本类型第一节 概述l l微生物发酵的实质是生化反应，研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究发酵动力学就是研究微生物的生 化反应动力学。化反应动力学。l l主要研究方法：主要研究方法：l l利用数学模型定量描述发酵过程中利用数学模型定量描述发酵过程中 影响细胞生长、基质利用和产物生影响细胞生长、基质利用和产物生 成的各种因素。成的各种因素。l l可分为：分批发酵、补料分批发酵可分为：分批发酵、补料分批发酵 和连续发酵。和连续发酵。l l此外发酵动力学又是化学工程的一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在下面较详细的介绍以外( (结合生物结合生物 化学反应工程化学反应工程) )，化学工程还包括下，化学工程还包括下 面几个重要的内容：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。第二节第二节 细胞生长及代谢过程动力学细胞生长及代谢过程动力学一、细胞生长的特点、描一、细胞生长的特点、描 述方法的分类述方法的分类 二、均衡生长模型二、均衡生长模型 三、其它模型三、其它模型一、细胞生长的特点、描述方法的分类一、细胞生长的特点、描述方法的分类l 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 l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) ；l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) (2) 得率系数得率系数l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，l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：特别值得一提的有两点：l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 ；l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) (3) 比速率比速率l是单位质量的菌体单位时间引起某物质浓度 的变化量。l如菌体的比生长速率µ l基质的比消耗速率qs l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) (4) 理想流动与非理想流动理想流动与非理想流动 l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l 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。l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。l l除了上述特点以外，细胞的培养和代除了上述特点以外，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常每毫升培养液中含10104 410108 8个细胞，个细胞， 而且细胞都经历着新生、成长成熟直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。在着退化与变异的问题。l l因此，要对这样一个复杂的体系进因此，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，再基础上建立起过程的物理模型，再 据此推出数学模型。据此推出数学模型。l l通常对细胞群体所进行的简化假设通常对细胞群体所进行的简化假设 ，主要有两方面，主要有两方面l l(1) (1) 是否考虑细胞内部复杂的结构是否考虑细胞内部复杂的结构? ?l l(2) (2) 是否考虑细胞之间的差别是否考虑细胞之间的差别? ?根据上述两方面的考虑，对细胞群根据上述两方面的考虑，对细胞群 体可以有图体可以有图1 11 1所示所示4 4种模型。种模型。l 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。l l图图1-11-1中左下角的模型是离散型非结构模型。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。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。同的生理功能。对于培养中细胞有明显差异对于培养中细胞有明显差异( ( 形态、功能形态、功能) )的过程的过程用此种离散模型是好的，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。量是有困难的。l l图图1-11-1右下角的模型描述的是细胞培养的右下角的模型描述的是细胞培养的实际实际 情况情况，但在求解及分析中也是繁杂的，因此应，但在求解及分析中也是繁杂的，因此应 用较少。用较少。l l上述上述3 3种模型在实际过程分析中应用较少种模型在实际过程分析中应用较少 ，本章不作详细讨论。，本章不作详细讨论。l 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。l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、均衡生长模型二、均衡生长模型l1细胞生长模型l 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µ，它的定义是： (1-1)式中x为细胞浓度t为时间。l 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、Min 1或s1 。l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(µt) (1-2) 式中x0为t=o时的菌量。l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：µ µ（1/t1/t）ln(x/xln(x/x0 0) ) (1-3(1-3) )l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MonodMonod方程方程：µ µ µ µmmS S/(Ks/(KsS) S) (1-4(1-4) )米氏方程：米氏方程：l lµ µm m为最大比生长速率； KsKs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µ µ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 ： µ µ µ µmmS/(xKxS/(xKxS) S) (1-5(1-5) )式中式中K KX X是比例系数。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。上式常得到满意的结果。l其它还有几个常用的关联式：l对于基质抑制的情况Andrews式(1-6)l对于产物抑制的情况Aiba式(1-7)l对于限制底物多于一种的情况(1-8)l l当然菌体的生长还要受许多物理因当然菌体的生长还要受许多物理因 素的影响，例如，温度、素的影响，例如，温度、pHpH值等。值等。 目前多把这些因素控制在最佳值。目前多把这些因素控制在最佳值。 这样适当选择式这样适当选择式(1-4(1-4) )(1-8(1-8) )就可就可 以定量地描述菌体的生长了。以定量地描述菌体的生长了。µ µ µ µmmS S/(Ks/(KsS) S) (1-4(1-4) )lcontois式： µ µ µ µmmS/(xKxS/(xKxS) S) (1-5(1-5) )3l对于基质抑制的情况Andrews式(16)l对于产物抑制的情况Aiba式(17)l对于限制底物多于一种的情况(18)2基质消耗的模型l l基质包括细胞生长所需各种营养成分，基质包括细胞生长所需各种营养成分， 其消耗主要有其消耗主要有3 3个方面：个方面：l l一是细胞的生长，合成新的细胞；一是细胞的生长，合成新的细胞；l l二是细胞维持生命要消耗能源物质；二是细胞维持生命要消耗能源物质；l l三是合成次级代谢产物。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：这样可以建立基质消耗的数学模型是：幻灯