生物化学工程基础：05-连续培养和半连续培养.ppt

李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering五五. . 连续培养与半连续培养连续培养与半连续培养李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering主要内容主要内容5.1 连续培养连续培养 5.1.1 单级连续培养单级连续培养 5.1.2 连续培养的应用连续培养的应用5.2 补料分批培养补料分批培养 —— 流加技术流加技术李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering5.1 连续培养连续培养• 在培养过程中，不断在培养过程中，不断向反应器加入培养基向反应器加入培养基( (液液) )，同时以相同流量从反应，同时以相同流量从反应器中取出培养液，这种操器中取出培养液，这种操作方式就是连续培养作方式就是连续培养 连续培养使用的反应连续培养使用的反应器可以是器可以是搅拌罐反应器搅拌罐反应器，，也可以是也可以是管式反应器管式反应器 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering5.1.1 单级连续培养（恒化器）单级连续培养（恒化器）•积累速率积累速率＝＝•流入速率－流出速率＋流入速率－流出速率＋•生成速率－消耗速率生成速率－消耗速率物料衡算物料衡算李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering细胞的衡算细胞的衡算•积累速率积累速率＝＝ ( (流入速率－流出速率流入速率－流出速率) )＋生成速率＋生成速率李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering细胞的衡算细胞的衡算 其中：其中： F — 液体流量，液体流量，m3/s V — 反应器内培养液体积，反应器内培养液体积，m3 (dX/dt)G — 生长引起的细胞浓度变化率，生长引起的细胞浓度变化率，kg/(m3 s)；； dX/dt — 培养液中细胞浓度变化率，培养液中细胞浓度变化率，kg/(m3 s)。

李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering细胞的衡算细胞的衡算 流量与培养液体积之比称为流量与培养液体积之比称为稀释率稀释率，用，用D(1/时间时间)表示：表示：于是于是稳态时，稳态时，dX/dt=0，，所以，所以，可见，控制培养基加入速率可改变稳态时细胞比生长速率可见，控制培养基加入速率可改变稳态时细胞比生长速率李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering限制性基质物料平衡限制性基质物料平衡限制性基质物料平衡限制性基质物料平衡 积累率＝（流入－流出）－积累率＝（流入－流出）－ 消耗消耗 (dS/dt)C — 因细胞消耗造成的基质浓度变化速率，因细胞消耗造成的基质浓度变化速率，kg/(m3s) dS/dt — 培养液中基质浓度变化率，培养液中基质浓度变化率，kg/(m3s)李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering限制性基质物料平衡限制性基质物料平衡•整理得：整理得：••在稳态下，在稳态下，dS/dt = 0，流出液中细胞浓度，流出液中细胞浓度注意大写！李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering限制性基质物料平衡限制性基质物料平衡•在在稳态下稳态下，单级连续培养时（，单级连续培养时（X0=0），不管细），不管细胞生长符合何种规律，均有胞生长符合何种规律，均有:注意注意: :以上公式的适用条件以上公式的适用条件!!!!!!X0＝0稳态李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering限制性基质物料平衡限制性基质物料平衡 若细胞生长若细胞生长符合符合MonodMonod方程方程，将，将μ= Dμ= D代入代入MonodMonod方程，则反应器中限制性基质的稳态方程，则反应器中限制性基质的稳态浓度为：浓度为： 流出液中细胞浓度为流出液中细胞浓度为①①②②李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering临界稀释率临界稀释率Dc临界稀释率：临界稀释率：流出液中的基质浓度流出液中的基质浓度流出液中的基质浓度流出液中的基质浓度与流入液流中的基质浓度相等时与流入液流中的基质浓度相等时与流入液流中的基质浓度相等时与流入液流中的基质浓度相等时的最小稀释率。

的最小稀释率的最小稀释率的最小稀释率 若细胞生长符合若细胞生长符合MonodMonod方程表方程表达式，临界稀释率如右式达式，临界稀释率如右式 稀释率超出临界稀释率，细胞稀释率超出临界稀释率，细胞的生长速率跟不上稀释速率，反的生长速率跟不上稀释速率，反应器中的细胞浓度不断降低，最应器中的细胞浓度不断降低，最后细胞从反应器中被洗光后细胞从反应器中被洗光(wash (wash out)out) D↑,S ↑, μ↑, D= μ李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering细胞生产速率细胞生产速率单位时间内单位体积培养液中的单位时间内单位体积培养液中的细胞生产量细胞生产量为为细胞生产速率有一极大值，此时细胞生产速率有一极大值，此时③③李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering细胞生产速率细胞生产速率•d(DX)/dD=0时时, 细胞的最大生产速率为细胞的最大生产速率为••如果如果S0>>Ks，则，则李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering连续培养时细胞浓度、限制性基质浓度、连续培养时细胞浓度、限制性基质浓度、细胞生产与稀释率的关系细胞生产与稀释率的关系XSDX李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering5.1.2连续培养的应用连续培养的应用1) 微生物菌种筛选微生物菌种筛选 例如：例如： 以甲醇作碳源的微生物筛选以甲醇作碳源的微生物筛选 提高温度筛选高温耐受菌提高温度筛选高温耐受菌 基因工程菌质粒稳定性研究基因工程菌质粒稳定性研究 。

李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering连续培养的应用连续培养的应用2）研究确定最佳培养条件和动力学规律）研究确定最佳培养条件和动力学规律 菌体浓度、比生长速率、限制性基质浓度、菌体浓度、比生长速率、限制性基质浓度、产物浓度等关系的确定产物浓度等关系的确定 获得最大生长率获得最大生长率( (细胞为产物细胞为产物) )的条件？的条件？ 获得最高转化率的条件？获得最高转化率的条件？ 控制副产物生成的条件？控制副产物生成的条件？李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering真养产碱杆菌代谢曲线 通过批式培养测通过批式培养测得一系列的变量得一系列的变量随时间的变化随时间的变化值计算出一系列的计算出一系列的变量变化速率、变量变化速率、各种得率系数随各种得率系数随着变量的变化关着变量的变化关系系李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering3）研究微生物的特性）研究微生物的特性 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering连续培养的不足连续培养的不足建立起平衡时间比较长建立起平衡时间比较长杂菌污染杂菌污染变异问题，导致生产能力下降（可用来研究细变异问题，导致生产能力下降（可用来研究细胞的遗传稳定性。

胞的遗传稳定性李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering5.2 补料分批培养补料分批培养(fed-batch culture)补料分批培养补料分批培养 —— 流加技术流加技术 是指在培养过程中不断向反应是指在培养过程中不断向反应器内加入培养基，但不同时取器内加入培养基，但不同时取出培养液的培养方法，出培养液的培养方法，它是一它是一种介于分批培养和连续培养之种介于分批培养和连续培养之间的培养方法，间的培养方法，有时也称为半有时也称为半分批培养法分批培养法22李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering特点：特点：培养液的体积不断变化培养液的体积不断变化是应用最广泛的发酵技术!!!23李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering补料分批培养基本方程补料分批培养基本方程反应器中细胞、基质和产物总量的变化速率反应器中细胞、基质和产物总量的变化速率：： 24李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering补料分批培养细胞生长补料分批培养细胞生长细胞总量的变化率细胞总量的变化率如果为如果为恒速流加恒速流加,流量为流量为F，则，则1注意注意批式培养的批式培养的体积变化方程体积变化方程25李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering补料分批培养基质消耗补料分批培养基质消耗基质总量的变化率基质总量的变化率如果为如果为恒速流加恒速流加,流量为流量为F，则，则26李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering补料分批培养基质消耗补料分批培养基质消耗基质浓度的变化率基质浓度的变化率227李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering恒速流加分批培养的计算机模拟恒速流加分批培养的计算机模拟S0=0.01，，F/V0，，μm＝＝2.0 随着培养基的流加，随着培养基的流加，细胞浓度逐渐增大，限制细胞浓度逐渐增大，限制性基质浓度逐渐减小，最性基质浓度逐渐减小，最后限制性基质浓度趋向零，后限制性基质浓度趋向零，而细胞浓度则趋于定值。

而细胞浓度则趋于定值28李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering补料分批培养产物生成补料分批培养产物生成产物总量的变化率产物总量的变化率如果为恒速流加如果为恒速流加,流量为流量为F，则，则29李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering补料分批培养产物生成补料分批培养产物生成产物浓度的变化率产物浓度的变化率330李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering恒速流加培养恒速流加培养动力学表达式汇总动力学表达式汇总31李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering补料分批培养优化应用的思路补料分批培养优化应用的思路反馈流加：反馈流加：根据采集过程数据，通过模型计算，及时调整流加速率发酵过程的不确定因素：1. 1. 种子质量种子质量2. 2. 灭菌质量灭菌质量3. 3. 通气实际情况通气实际情况4. 4. 轻度染菌轻度染菌判断发酵过程的实际情况，采取相应的流加策略判断发酵过程的实际情况，采取相应的流加策略32李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering补料分批培养应用举例补料分批培养应用举例反馈流加实例：反馈流加实例：控制糖浓度 提高产量30%控制无机氮浓度 提高产量25%青青霉霉素素发发酵酵控控制制系系统统33李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering补料分批培养应用的场合补料分批培养应用的场合针对的问题：针对的问题：1. 为了使细胞达到很高的浓度(如达到100g干重/L)2. 基质抑制（如甲醇）3. 代谢物阻遏和抑制（如酒精, 葡萄糖效应）4. 有毒物质的添加（如前体）5. 控制发酵进程（如青霉素发酵）6. 优化工艺要求：优化工艺要求：如碳、氮、磷源浓度、溶氧等李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering作业四作业四•1)根据课堂上讲授的内容从恒化器物料衡算和相应根据课堂上讲授的内容从恒化器物料衡算和相应的动力学模型推导出下式的动力学模型推导出下式(符合符合Monod模型，菌体本模型，菌体本身为产物身为产物)••总结该式成立的条件总结该式成立的条件.李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering 2））对一个单级连续培养过程，反应器总容积为对一个单级连续培养过程，反应器总容积为4 M3，装液量，装液量60％，培养基加入的流量为％，培养基加入的流量为0.2 M3/h，请计算此时的稀释率为多少。

请计算此时的稀释率为多少若进口限制性基质浓度为若进口限制性基质浓度为40g/L，进口菌体浓度为，进口菌体浓度为0，如微生物生长，如微生物生长符合符合Monod方程的规律（如下式），方程的规律（如下式），μmax = 0.25h-1，当基质浓度为，当基质浓度为20 g/L时，比生长速率为时，比生长速率为0.125 h-1，求，求临界临界稀释率下节课再见了下节课再见了……李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical EngineeringThe end。