第九章 生物反应动力学（重点）
内容： 1.概述
2.微生物生长动力学 3.基质消耗动力学 4.产物生产动力学 5.分批发酵的模拟 6补料分批发酵
一、概述
生物反应动力学：生物反应速率规律的定量描述。
基本假设：
反应器内保证良好的混合；
温度、pH等能够控制并稳定好；
细胞内固有的化学成分不随时间和条件的变化而改变； 描述发酵动态的变量对发酵条件变化的反应物明显滞后。 速率：生长速率，基质消耗速率，产率（单位时间……的量）
比速率：生长比速率，基质消耗比速率，产物生成比速率（单位时间，单位菌体……的量） 得率：所得产物浓度（量）与原料的比。
二、微生物生长动力学
①不受环境影响：In Xt =InX0+μt（X为菌体浓度，μ为比生长速率） ②Monod方程：表示了生长限制性基质浓度和比生长速率之间的关系：
μ=????[??]/(???? +[??])
其中，μm为最大比生长速率1/h；Ks为饱和常数g/L或mol/L；[S]生长限制性基质浓度g/L或mol/L。该方程只适合单一基质限制以及不存在抑制性基质的情况。即除了生长抑制基质外，其他营养都是过量。
③Logistic方程：
μ=μm[1-（X/Xm）]。
该方程缺点在于没有将比生长速率和底物浓度建立关系。但对于微生物生长停止时才产生产物的情况，具有较好的适用性。
三、基质消耗动力学
1）生长得率：菌体生长量相对于基质消耗量的收得率。
纯生长得率：理论生长得率，是生长得率的极限值。对于特定的基质及在特定的环境下培养的特定微生物菌株，它是个常数，固也称，最大生长得率或生长得率常数。
YX/S = △X/-△S(实际生长得率) Ygs=△X/(-△S)G（纯生长得率）
2）产物得率：相对于基质消耗的代谢产物的收得率 理论产物收得率：决定于生物合成途径。对于特定的基质经过特定生物合成途径得到的产物来是个常数，而实际产物得率随着菌株代谢效率和发酵条件不同有很大的差别。
3）维持因数：单位质量干菌体在单位时间内因为维持代谢消耗的基质质量。
ms=1/X*(-dS/dt)M
ms表示基质消耗为基准的维持因数 X为菌体干重
S基质量（或浓度） t发酵时间 M表示维持
维持指活细胞群体没有实质生长和胞外代谢产物合成下的生命活动。维持因素是菌株的一个特征值，对于特定菌株特定基质和特定条件来说是常数，也称维持常数。 4）基质平衡
基质比消耗速率=维持因素+菌体比生长速率+产物比生产速率
（类似的，O2的消耗，CO2的产生这个等式都成立）
四、产物生成动力学
QP=k1 μ+k2
μ比生长速率。Qp为产物生成速率。 产物生成与生长相关联时，k1>0，k2=0； 产物生成与生长无关联时，k1=0,k2>0； 复合模式下（部分相关），k1>0,k2>0.
五、简单分批发酵过程模拟 基本程序： ①基本假设；
②根据生物反应特征和质量平衡列方程组 ③确定方程参数和边条件 ④方程求解 ⑤实验验证
例如，假设微生物好氧发酵生产胞外多糖： 菌体生长没有延迟期； 生长限制基质为氮源； 生长遵循Monod方程
发酵过程中发酵液体积保持不变
简单分批发酵（密闭系统投入有限数量营养物质，接入少量微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法）。 其动力方程组如下：
???????????
菌体生长动力学： μ==?X (菌体n为浓度，Kn为饱和常数，X是菌体量)
????????+??
????1????
氮源基质平衡：?=? (理论生长得率的倒数乘以菌体生长速率即是氮源消耗
??t??????????速率)
碳基质平衡：?
??S????
=????+
1??????????????
+
1??????
?
????????
(碳的消耗速率分成三块，维持因数，
1??????????????
菌体生长消耗碳速率，产物生产消耗碳速率。ms为维持因数，
相对碳源消耗的生长得率倒数乘以菌体生长速率就是菌体生长消耗碳源的速率，同理相对碳源消耗的产品得率的倒数成产品产率就是产品生产部分消耗的碳源速率)
dp????????????
产物生成动力学：= (QPm为最大比生长速率，S为基质，X为菌体，Z为基
??????+??
质限制产物的合成常数)
六、补料分批发酵
补料分批发酵：在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法，又称半连续发酵。
补料的目的：
a)控制菌体的最大生长速率和最大生物量；
b)通过控制某一成分的浓度使微生物处于适合生产的状态； c）降低分解代谢产物对产物形成的阻遏作用；
d)不断补料稀释对降低发酵液粘度改善发酵液流变性，强化好氧发酵供氧有利。
第十章、发酵后技术和设备
内容：
1.发酵液预处理 2.固液分离技术 3.细胞破碎技术
一、发酵液预处理
1）发酵液杂质的去除，包括：蛋白质（可溶性蛋白，盐析，等点沉淀，加热，有机溶剂处理），无机离子（影响离子交换树脂容量），有色物质（吸附法，活性炭，大孔树脂，离子交换树脂）毒性物质等。
2）改善发酵液的处理性能主要是：降低粘度（加热处理使蛋白质凝聚；加水稀释，但会增加后续分离处理量）；调节pH 3）絮凝处理：基于架桥作用使胶粒形成粗大的絮凝团。目的：增大悬液中固体粒子大小、提高沉降速率。与其他预处理手段结合可以降低发酵液粘度，有助于固液分离。应用：除去细胞、细胞碎片和蛋白；细胞循环使用。常见类型：絮凝剂絮凝，细胞自身絮凝。
二、固液分离技术
固液分离常用方法：离心，过滤，悬浮分离，重力沉降。
（通常，丝状菌体一般用过滤，细菌和酵母用高速离心效果好。细菌发酵液也常用絮凝后过滤处理）
1. 过滤方式：
饼层过滤：悬浮液中固体的体积百分数大于1%，则过滤过程中在过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼层，称饼层过滤。
深层过滤：悬液于液体中的固体颗粒截留在床层内部，且过滤介质表面不形成滤饼的过滤。
过滤介质：织物介质（滤布）；堆积介质（细砂，木炭）；多孔固体介质（多孔陶瓷，多孔金属）
过滤理论：过滤操作以压差作为液体透过的推力，一般在0.4MPa以下，阻力来自滤饼和过滤介质，主要是滤饼。
过滤操作：开始时恒速当压力升高到临界值，支路阀打开，之后的过滤基本采用恒压。（一直恒速后期压力升高会导致渗漏和动力设备超负荷；开始恒压操作会因为猛然加压使较细的可以堵塞介质孔隙而导致阻力增大）
强化过滤的途径：①改变悬浮液中颗粒的聚集状态；②改变滤饼结构；③认为地干扰或限制滤饼的增厚。
工业过滤设备：①板框压滤机；②真空转鼓过滤机；③加压叶滤机 2. 离心
1）实验室设备和操作： 普通离心沉降；
差速离心沉降：在均匀介质中不同颗粒沉降速度存在差异的基础上建立的离心方法； 密度梯度离心沉降：用一定介质在离心管内形成连续或不连续的密度梯度，将细胞混悬液或匀浆置于介质顶部，通过离心力场作用使大分子或细胞器分离。密度梯度常用介质
为氯化铯，蔗糖等。
2）工业离心设备：管式离心机，碟片市离心机，倾析式离心机，三足离心机（离心过滤设备）
三、细胞破碎技术
细胞破碎技术：利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物释放出来的技术，是分离纯化细胞内合成的非分泌型生化物质的基础。
1）机械破碎法
珠磨：细胞悬液于极小的研磨机（玻璃珠，石英砂等）一起高速搅拌，相互碰撞剪切使细胞达到某种程度的破碎，释放内含物。
高压匀浆：利用高压使悬液通过针型阀，由于突然减压和高速冲撞，造成细胞破碎。 超声波破碎：利用超声波在高强度声能输入下破碎细胞。 2）物理破碎法
渗透压冲击法：先将细胞放在高渗介质中达到平衡后快速稀释介质或将细胞转入低渗缓冲液，渗透压变化导致细胞胀破。
冷冻-融化法：通过水结晶的形成和随后融化使细胞破裂。 3）化学法：
酸碱处理：利用酸碱对细胞壁物质的水解作用破碎。
有机溶剂处理：使细胞表面发生变化胞内产物释放出来。不会导致整体破碎。可能实现选择性释放。
表面活性剂：使膜蛋白结构中的脂蛋白成分部分溶解，细胞渗透作用增加，利于一些蛋白通过。
4）生物法
溶菌酶处理：常用的有溶菌酶，蛋白酶，糖苷酶。
自溶：细胞或细胞物质被自身所含有的一些酶所消化的现象。
国科大研究生课程-生化生产工艺笔记教材
