第三章间接参数检测.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 间接参数检测,第一节 概述,在生物反应过程中许多的关键参数，如产物浓度、底物浓度等在工业上还没有在线可检测的传感器，而这些,参数在生物反应过程的控制和优化操作中,又非常重要。为了获得这些有用的信息，在科学研究上和工业生产上往往用间接测量的方法，,即用其他可测量的参数，通过有关模型进行推断估计，这种测量方法有时又称为软测量（模型测量）。,因为这种测量方法要用多个参数和模型通过计算才能获得有用的信息。本章将介绍间接参数测量的一些基本方法。,参数名称,单位,测试方法,意义、主要作用,温度,罐压,空气流量,搅拌转速,搅拌功率,粘度,浊度,泡沫,体积氧传质系数,KLa,C,Pa,V/V.min,R/min,KW,Pa.s,透光度,l/h,传感器,压力表,传感器,传感器,传感器,粘度计,传感器,传感器,间接计算,维持生长、合成,维持正压、增加溶氧,供氧、排泄废气、提高,K,La,物料混合、提高,K,La,反映搅拌情况、,K,La,反映菌的生长、,K,La,反映菌的生长情况,反映发酵代谢情况,反映供氧效率,物理参数,参数名称,单位,测试方法,意义、主要作用,pH,基质浓度,溶解氧浓度,氧化还原电位,产物浓度,尾气氧浓度,尾气,CO,2,浓度,菌体浓度,RNA,、,DNA,含量,ATP,、,ADP,、,AM,NADH,含量,摄氧率,呼吸强度,呼吸商,比生长速率,g/ml,ppm,mV,g/ml,Pa,%,G(DCW)/ml,Mg(DCW)/g,Mg(DCW)/g,gO,2,/L.h,gO,2,/g,菌,.h,1/h,传感器,取样,传感器,传感器,取样,传感器,传感器,取样,取样,取样,间接计算,间接计算,间接计算,间接计算,了解生长和产物合成,了解生长和产物合成,反映氧供需情况,反映菌的代谢情况,产物合成情况,了解耗氧情况,了解菌的呼吸情况,了解生长情况,了解生长情况,了解能量代谢活力,了解耗氧速率,了解比耗氧速率,了解菌的代谢途径,了解生长,化学、生物参数,目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转速、,pH,、,溶氧、基质浓度、菌体浓度,(,干重、离心压缩细胞体积,%),等。,不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的,O,2,和,CO,2,含量等。,参数测定方法有：,在线测定,取样测定（离线测定）,主要间接参数,根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌体的,比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生产速率,。,1,氧利用率,(OUR,oxygen utilization rate,),以单位时间、单位发酵液体积内细胞消耗的氧量表示的氧利用速率，可以根据氧的动态质量平衡进行估算。在发酵过程中氧既连续进入系统，也连续排出系统，因此氧的平衡可以表示为：,氧在系统内的变化率，等于氧进入系统的速率减去氧排出系统的速率和氧在系统内的消耗速率。,呼吸强度,Q,O2,：,单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量（,mmol/g.h,）,2,呼吸强度,Q,O2,3,二氧化碳释放率,(CER,carbon dioxide evolution rate,),在单位时间、单位发酵液体积内细胞释放的二氧化碳量，叫二氧化碳释放速率或称二氧化碳生成率，他可以有系统内二氧化碳的动态质量平衡进行估算。这一平衡为,二氧化碳在系统内的变化等于在系统内产生的速率加上二氧化碳进入系统的速率减去二氧化碳排出系统的速率。,4,呼吸商（,RQ,respiration quotient,),二氧化碳释放速率除以氧消耗速率所得到的商叫,呼吸商。,呼吸商是,各种碳能源在发酵过程中代谢状况的指示值,，在碳能源限制及供氧充分的情况下，各种碳能源都趋向完全氧化。,第二节,微生物的生长速率,一、比生长速率,1,均衡生长,随着细胞质量的增加，细胞内所有可检测的菌体组成物质，如蛋白质、,DNA,、,RNA,等以相同比例增加。,2,非均衡生长,类似储存物质的积蓄过程及分批培养初期细胞组成物质的非均衡快速合成情况等则属于非均衡生长。,均衡生长类似于一级自催化反应，以菌体干重的增加为基准的生长速率，,即单位体积培养液中单位时间内生成菌体的干重,与菌体浓度成正比。,r,x,=,X,=r,x,/X,或,式,中的比例系数,称为,比生长速率,相对单位质量干菌体单位时间内增加的干菌体质量；,（,g/g h,）,（,1,）,生物种的,遗传基因,是决定比生长速率大小的,决定因素,。,细胞包含的遗传信息越复杂，细胞越大，即越是高等生物，,越,小。,（,2,）,越大,，说明这种微生物生长得,越快,。,3,特点,：,（,4,）,在,分批培养的对数生长期,，,一般为,常数,。,（,3,）,一般情况下微生物的,并非常数,。,因菌体所处的,环境条件如温度、,pH,、,培养基组成及浓度等不同而异。,若,为,常数，,t,d,与之间存在如下关系：,4,倍增时间（,doubling time;t,d,）,：,微生物的细胞质量（或数量）增大到,2,倍所需的时间。,对于二分分裂繁殖的微生物，倍增时间约等于世代时间,=ln2/t,d,0.693/t,d,微生物 温度,()(h,-1,)t,d,嗜热脂肪芽孢杆菌,60 5.0 8.4min,硝化假单胞菌,30 4.2 10min,大肠杆菌,40 2.0 21min,产气气杆菌,37 2.3,1.4 18,30min,枯草杆菌,40 1.6 26min,黑曲霉,30 0.35 2h,啤酒酵母,30 0.17,0.35 2,4h,不同微生物的比生长速率和世代时间,细菌的倍增时间一般,0.25,1h,，,酵母约为,1.15,2h,，,霉菌约为,2,6.9h,二、,Monod,生长动力学模型及其推广,1,、,Monod,模型,（,1,）温度和,pH,恒定时，,随培养基组分浓度变化而变化。,（,2,）,若着眼于某一特定培养基组分的浓度,S,，,并假设其它培养基组分浓度不变，则是,S,的函数。,最著名的表达式是,Monod,提出的直角双曲线经验式：,Monod,方程,描述比生长速率的代表性模型,比生长速率与基质浓度的关系,max,称为,最大比生长速率,（,h,-1,）,是在,S,Ks,，,且其它成分保持不变的情况下取得的。,S,是限制性底物浓度,(g/L),Ks(,半,),饱和常数，,Monod,常数,代表当微生物的生长速率等于最大比生长速率的一半时的底物浓度,(g/L,；,mol/m,3,),。,即当,=,max,/2,时，,Ks=S,Ks,表示微生物对生长限制基质的亲和力，,Ks,越大，亲和力越小，对,S,的变化越不敏感。,几种微生物对底物的饱和常数,Ks,微生物,底物,mg/L,Ks(10,-5,mol/L),埃希氏菌属,葡萄糖,6.810,-2,3.810,-2,埃希氏菌属,甘露醇,2.0,1.1,埃希氏菌属,乳糖,2.010,5.9,曲霉属,葡萄糖,5.0,2.8,假丝酵母属,甘油,4.5,4.9,酵母属,葡萄糖,2.510,1.410,假单胞菌属,甲醇,710,-1,2.0,假单胞菌属,甲烷,410,-1,2.6,Monod,方程是,典型的决定论均相非结构模型,；它是基于以下假设建立的：,1,）菌株生长为均衡型非结构式生长。,Monod,方程,成立的基本假设：,2,）培养基中只有一种底物是生长限制性底物，其它营养成分不影响微生物生长。,3,）将微生物生长视为简单反应，并假设菌体得率为常数，没有动态滞后。,Monod,方程与酶催化反应的米氏方程形式一样，但,Monod,方程完全是经验的，而米氏方程则是推导出来的。,应当指出，该方程只适用于单基质限制及不存在抑制性基质的情况，即除了被试验的一种生长限制基质外，其它必需营养基质都是过量的，但这种过量又不致造成生长的抑制。,当存在抑制剂或在培养基中有混合基质时，用修改后的,Monod,方程才能符合实验数据。,2,、,Monod,模型的推广,1,）包含维持代谢的生长动力学方程,维持,是指活细胞群体在没有实质性生长和繁殖（或者说生长和死亡处于动态平衡状态），也没有胞外产物产生情况下的生命活动，如细胞的运动、细胞内外营养物质的转运、细胞物质的更新等；这种生命活动仅仅是为了维持细胞生存的需要。,只消耗少量的营养物质（能量）以维持菌体生命，菌体数量和质量并不增加的代谢过程称为,维持代谢,。,供单位重量的细胞（干重）在单位时间内进行维持代谢所消耗的基质量称作,维持因数（维持系数）,。,维持因数的大小代表细胞能量代谢效率的高低；维持因数越大，表示能量代谢效率越低。,一般来说，对于特定的菌株，特定的培养条件和特定的营养基质，维持因数是个常数。,包含维持代谢的生长动力学方程：,当,SS,m,=,Ksb,/(,max,-b,),时，,=0,，即,r,x,=0,即有维持代谢时，表观菌体得率,Y,x/s,=X/S,，,只在,S,S,m,时成立，而,SS,m,时,Y,x/s,=0,有时高浓度的基质会对细胞的生长产生抑制，即发生底物（基质）抑制现象。如以醋酸为基质培养产朊假丝酵母，以亚硝酸盐为底物培养硝化杆菌等。,2,）有底物抑制时的生长动力学方程：,K,i,抑制常数,抑制剂对比生长速率的影响,3,）有产物抑制时的,生长动力学方程,如果微生物的某些代谢产物对细胞的生长有抑制作用，即使这时限制性基质浓度还相当高，细胞的比生长速率也会随着这种代谢产物的积累逐渐下降。,描述产物抑制的动力学方程有多种，如：,P,产物浓度,k,1,、,k,2,、,k,3,常数,第 三节,底 物 消 耗 速 率,一、比底物消耗速率,生长得率（菌体得率）,表示发酵中微生物的生长相对于基质或能量消耗的效率。,生长得率有不同的表示方法；最常用的是,以基质消耗为基准的生长得率,Y,X/S,和,以氧消耗为基准的生长得率,Y,X/O,符 号 定 义 因 次,Y,X/S,X/-S,g,细胞干重,/g,基质,or g,细胞干重,/mol,基质,Y,X/O,X/-O,2,g,细胞干重,/gO,2,or g,细胞干重,/mol O,2,Y,ATP,X/ATP,g,细胞干重,/mol ATP,生长得率的各种表示方法,不同的微生物、不同的培养基、采用不同的培养条件，在不同的生长速率下，所获得的生长得率是不同的。即使同一种微生物，在同一培养基和同一培养条件下，不同的培养阶段生长得率也不相同。,一些微生物在基础培养基中通气培养时的生长得率,微生物,基质,Y,X/S,Aerobacter aerogenes,（气乳杆菌）,麦芽糖,0.46,葡萄糖,0.40,核糖,0.35,甘油,0.45,Candida utilis,（产朊假丝酵母）,葡萄糖,0.51,醋酸,0.36,乙醇,0.68,Methylomonas methanolico,甲醇,0.48,Penicillium chrysogenum,葡萄糖,0.43,Pseudomonas fluorescens,葡萄糖,0.45,底,物,消耗速率可通过菌体得率（生长得率）与菌体生长速率关联起来。,r,s,底物,消耗速率,：单位体积培养液在单位时间内消耗的底物的量。,底物,消耗的快慢也常用,比底物消耗速率,Qs,(g/gh),表示,比底物,消耗速率,Qs,相对单位质量干菌体单位时间内的底物消耗量。,Qs=r,s,/X,根据前两式得：,Qs=,/Y,X/s,若,可用,Monod,方程表示，得,Qs,max,最大比底物消耗速率,Y,X,/S,为一定时间内生成菌体的干质量与完全消耗于菌体生长的底物质量之比。表示,无维持代谢时的菌体得率,;,也即,最大菌体得率,m,维持因数,是培养基组成、,pH,、,温度等的函数,对于像氮源、无机盐及维生素等可作为菌体组成成分而不能作为能源的营养物，菌体得率,Y,X/S,基本上恒定，前式能很好地适用。,当底物既是能源又是碳源时，就必须考虑维持代谢。,对于能源的消耗速率的物料衡算为：,二、包含维持代谢的底物消耗速率模型,能源总消耗速率,=,用于生长的能源消耗速率,+,用于维持代谢的能源消耗速率,三、氧消耗速率,氧作为一种底物不可能被菌体单独消耗，必然在需氧培养过程中随着能源底物的消耗而消耗。,单位体积培养液中菌体在单位时间内摄取（消耗）氧的量称为,摄氧率,(OUR),用,r,O2,表示。,r,O2,与菌体,浓度之比，即,比氧消耗速率,Q,O2,，,也称为,呼吸速率,或,呼吸强度,。（单位质量的干菌体在单位时间内消耗氧的量）,第 四 节,代 谢 产 物 生 成 速 率,一、代谢产物生成速率,微生物反应生成的代谢产物范围非常广，在合成途径及代谢调节机理上，各具不同特征，无法用统一方式表示这些产物的生产速率。,与菌,体,生长速率和底物消耗速率相同，代谢产物的生成速率也有两种不同的表示方式：,代谢产物生成速率,单位体积培养液中单位时间内的产物生成量。,r,p,(g/Lh),比代谢产物生成速率,相对于单位质量干菌体在单位时间内的代谢产物生成量。,Qp,(g/gh),Q,p,=,r,p,/,X,r,p,与菌体浓度,X,有关，是反应器设计时的一个重要参数,Q,p,与菌体浓度无关，表示细胞合成代谢产物的活性大小；可利用其定量比较不同微生物的生物合成活性，从而有效筛选优良菌株。,CO,2,虽然不是目的产物，但却是微生物反应中几乎必然生成的副代谢产物。,二氧化碳释放速率,(CER),单位体积培养液在单位时间内的,CO,2,释放量；用,r,CO,2,(g/Lh),表示。,比二氧化碳生成率,相对于单位质量干菌体在单位时间内的,CO,2,生成量；用,Q,CO,2,（,g/gh,）,表示。,对于需氧型微生物反应，,CO,2,的生成量与,O,2,的消耗量之比称为,呼吸商,，用,RQ,表示：,RQ=,CO,2,/(-O,2,)=CER/OUR,RQ,常用于基本上停止生长的休眠或静止细胞的呼吸生理学研究中。,二、代谢产物合成,的动力学类型,类型,：生长关联型,特点：,菌体生长、基质消耗和产物合成大体上呈正比关系（菌体生长、碳源利用和产物形成几乎都在相同的时间出现高峰，即表现出产物形成直接与碳源利用有关）,例,由碳源直接氧化进行的初级代谢物的生产；产物的积累与菌体增长相平行，并与碳源消耗有准量关系。如酒精、乳酸、,-,酮戊二酸等。,动力学,可表示为：,dP/dt,=,X,类型,为生长关联型产物的形成比率（,g,产物,/g,菌体）,比产物合成速率,Qp=,dP/Xdt,=,由此可见，产物的,合成速度,（,dP/dt,）,与,比生长速率和菌体浓度成正比,；产物的,比合成速率,（,Qp,）,仅与,比生长速率成正比,。,对于生长关联型产物来说，应通过获得,高比生长速率来提高产物合成的速度,。,类型,第一阶段为菌体生长阶段，菌体生长与基质消耗成正比，但无产物生成；,第二阶段为产物合成阶段，产物合成、菌体生长和基质消耗成正比，但菌体生长量比前一阶段要小得多；,菌体生长和产物合成是分开的，糖分既供应生长的能量，又充作产物合成的碳源。发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅速，一个是最高生长时期，另一个是最大产物合成时期。,类型,：部分生长关联型,发酵过程可分为两个阶段：,动力学,可表示为：,dP/dt,=,X+X,Qp=,dP/Xdt,=+,为非,生长关联型产物形成常数,产物形成的速度分别受生长关联型和非生长关联常数,和的影响。,柠檬酸和一些氨基酸的生产属此类,类型,：非生长关联型,产物为次级代谢产物；,特征是产物合成与碳源利用无准量关系；,通常产物合成在菌体生长停止及底物耗完后才开始,分,两,阶段：,第一阶段，菌体生长占主导，生长和基质消耗间成正比关系，没有或只有少量产物合成；,第二阶段，以产物合成为主，只有少量生长（甚至不生长或负生长）和少量基质消耗。,动力学,dP/dt,=,X Qp=,dP/Xdt,=,抗生素、维生素等的生产属此类型,（土霉素、氯霉素、杆菌肽例外,）,产物形成速度只同已有的菌体量有关，而比生长速率对产物合成速率没有直接影响。,一、微生物对氧的需求的量,受菌种的影响：呼吸强度不同、细胞的组成。,受,碳源种类的影响,受产物的影响,(,当有细胞外产物如青霉素）,Darlington,1964,酵母成分表示为,C3.92H6.5O1.94,从碳氢化合物和碳水化合物生成酵母的反应可用下式表示：,7.4CH2+6.135O2=C3.92H6.5O1.94+3.22CO2+3.98H2O,6.67CH2O+2.1O2=C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O,碳源的性质决定着发酵的需氧量,。,第五节,kLa,的测定,影响因素,Qo,2,为比耗氧速率,/,呼吸强度,mol/,（,kg,干细胞,.s).(Qo2)M,为最大比耗氧速率；,X,为菌体浓度,(kg,干细胞,/m3);YG:,单位质量的底物生成细胞的得率,.YP:,单位质量的底物生成产物的得率。耗氧速率,r=Qo,2,X(mol/m,3,.s),临界溶氧浓度：,当培养基中不存在其它限制性基质时，不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。一般为饱和浓度的,1-25%,。,饱和溶氧浓度,:,该温度下的氧的溶解度。,氧的饱满度,：溶解氧的浓度与临界氧浓度之比。,培养的目的不同，选取不同的供氧条件,获取细胞本身,：保持溶解氧的浓度高于临界溶氧浓度。从而满足微生物的最大需氧而得到最高的微生物的细胞产量。,以获得细胞代谢产物为目的,，溶氧对代谢产物影响有不同的情况,代谢产物的生成的,最佳需氧量,与,细胞生长的最佳需氧量相同,。采用,供养的浓度大于临界溶氧浓度,。,代谢产物的生成的,最佳需氧量比细胞生长的最佳需氧量高,。尽可能的,提高供氧浓度,。脯氨酸、谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸等。,代谢产物的生成的,最佳需氧量,比,细胞生长的最佳需氧量低,。使氧的满足度小于,1,，如苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、头孢霉素的生产。,二、培养过程中的传质理论,好氧微生物只能利用溶解态的氧，发酵过程中不断地通过通风和搅拌，使气态中的氧经过一系列的传递步骤到液相。,气,液相间的氧传递,从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面；,通过气液界面；,从气液界面扩散通过气泡的液膜到液相主体；,液相溶解氧的传递；,从液相主体扩散通过包围细胞的液膜到大细胞表面；,氧通过细胞壁；,微生物细胞内氧的传递；,通常和步传递阻力最大，是整个过程的控制步骤,描述氧传递的模型有三种：双膜理论、渗透扩散理论和表面更新理论。其中以双膜理论应用最广泛。,1,双膜理论基本论点是：,（,1,）在气液两个流体相间存在着界面，在界面两旁具有两层稳定的薄膜，即气膜与液膜。这两层稳定的薄膜在任何流动体力学条件下，均呈滞流状态。,（,2,）在气液界面上，两相的浓度总是相互平衡（空气中氧的浓度与溶解在液体中的氧浓度处于平衡状态），即界面上不存在氧传递的阻力。,（,3,）在两膜以外的气液两相的主流中，由于流体充分流动，氧的浓度基本上是均匀的，也就是无任何传质阻力，因此，氧由于气相主体到液相主体所遇阻力仅存在于两层滞流膜中。,气体溶解过程：双膜理论,气,液界面,气膜动力：,P-Pi,液膜动力：,Ci-CL,阻力：,1/kG,阻力：,1/kL,气体扩散方向,气膜,液膜,C,i,C,L,空气泡,P,O,2,P,P,i,发酵液,NA,：,氧传递速率；,p,，,pi,气相中和气液界面处氧的分压；,CL,，,Ci,：,液相中和气液界面处氧的浓度；,kG,：,气膜传质系数；,kL,：,液膜传质系数；,KG,：,以氧分压差为推动力的总传质系数；,KL,：,以氧浓度差为推动力的总传质系数；,p*,：,与液相中氧浓度,c,相平衡时的氧分压；,C*,：,与气相中氧分压,p,达平衡的氧的溶解度；,上式使用不便，改用总传质系数、总推动力表示：,内界面面积：,a,；,单位：,m2/m3,Ka,：,体积溶氧系数，溶氧速率方程为：,N,：,氧的传递速率,kmol/,（,m,3,h,）,；,K,L,a,：,以浓度差为动力的体积溶氧系数（,h,-1,）；,K,G,a,：,以分压差为动力的体积溶氧系数,kmol/,（,m3hM pa,）,；,c,L,：,发酵液中氧浓度（,kmol/m,3,）；,c*,：,与气相中氧分压,p,平衡的发酵液氧浓度（,kmol/m,3,）；,p,：,气相中氧分压（,M Pa,）；,p*,：,与液相中氧浓度,c,平衡的氧分压（,M Pa,）；,H,：,亨利常数（,m,3,M Pa/kmol,）,四、,kLa,的测定方法,亚硫酸盐氧化法,取样极谱法,物料衡算法,排气法,复膜电极法,三、溶氧的测定方法,化学法,极谱法,复膜氧电极法,压力法,1,亚硫酸盐氧化法,（,1,）原理,利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被氧迅速氧化的特性来估计发酵设备的通气效果。,当亚硫酸盐浓度为,0.018,0.47mol/L,，温度,20,45,之间时，与氧反应的速度几乎不变，用碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠，便可根据亚硫酸钠的氧化量来求得氧的溶解量。,操作,反应原理：,剩余的亚硫酸根与过量的碘反应：,再用,Na,2,S,2,O,3,滴定剩余的碘：,将一定温度（,20,45,）的自来水加入实验罐，加入化学纯的,Na,2,SO,3,晶体，使亚硫酸根约为,1M,，,再加化学纯的,CuSO,4,晶体，使,Cu,2+,浓度约为,10,-9,M,，,待完全溶解后，开阀通气，空气阀一开就接近预定流量。当气泡从喷管中冒出的同时，立即计时,氧化时间控制在,5,20min,。,（,2,）计算方法,:,N,：,体积溶氧系数,S,：,取样量,C,：,硫代硫酸钠浓度,mol/L,t,：,两次取样的时间间隔,P,：,发酵罐的罐压,实验前后各用移液管取,10,100mL,样液，立即移入新吸取的过量标准碘液中，以淀粉为指示剂，用,Na2S2O3,标准液滴定至终点,2,取样极谱法,原理：当电压为,0.61.0V,时，其扩散电流的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。,操作：将从发酵罐中取出的样品置入极谱仪的电池中，并记下随时间而下降的发酵液中的氧浓度,CL,的数值,KLa,=Qo,2,X/C*-CL,=,斜率,/C*-CL,驱出溶解氧，开始通气后，在被测定的发酵罐中用氮气定时取样，用极谱仪测出溶氧浓度,dc/,dt,=,KLa,(C*-CL),Ln(C,*-CL)=-,KLa,t+,常数,KLa,2.303,斜率,3,排气法,C*,4,复膜电极测定,和 氧分析仪测定,原理：,用能透过氧分子的薄膜将电极系统与被测定溶液分离开来，避免外界溶液的性质及通风搅拌所引起的湍动对测定的影响。,测定发酵液中溶解氧浓度、菌的好氧率,r,及溶氧系数,该式可写成,:,5,溶氧系数的换算,以氧浓度差作为动力的传质系数；,以氧分压差作为动力的传质系数；,以大气压作为动力来讨论的传质系数；,以压力差作为动力的溶氧系数；体积吸收系数,（,1,）,K,V,与,K,d,的换算,:,（,2,）,K,L,a,与,K,G,a,的换算,:,在标准状况（,0.101M Pa,，,25,）,下饱和溶氧浓度为：,0.2 mmol O.2/L,，,氧分压为,0.021M Pa,。,（,3,）,k,d,与,KLa,、,KGa,换算：,KL,：,K,d,是以大气压为动力的溶氧系数。根据气体分压定律，其中对溶氧有贡献的仅是氧分压部分，即,K,La,：,再根据其单位进行换算：,若,直接以氧分压为推动力，在计算时就不要,0.021,。,第 六 节,动 力 学 参 数 的 确 定,动力学参数即,动力学方程中代表发酵过程特性值的常数项,；,确定这些参数，靠的是,严密的实验数据,；,应准确、可靠、具有重现性,目前由于发酵检测手段的缺乏和检测精度的不足，影响了数学模型的精确度，限制了其在生产上的应用；,确定动力学参数的具体方法，是,使动力学方程与实验数据拟合,；,直线拟合相对简单，下面举例说明其应用,通常有,直线拟合,和,曲线拟合,两种,；,最大比生长速率,max,和,常数,Ks,的确定,Monod,方程,两边取倒数，得：,在,1/,对,1/S,坐标上，,Monod,方程式成了典型的直线方程，其斜率为,Ks/,max,，,截矩为,1/,max,两种常用的连续培养器,(1),恒浊器,(,turbidostat,),这是,根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器,。,在这一系统中，当培养基的流速低于微生物生长速度时，菌体密度增高，这时通过光电控制系统的调节，可促使培养液流速加快，反之亦然。,在恒浊器中的微生物，始终能以,最高生长速率进行生长,，,并可在允许范围内控制不同的菌体密度。在生产实践上，为了获得,大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物,如乳酸、乙醇时，都可以利用恒浊器。,(2),恒化器,(,chemostat,或,bactogen,),恒化器是一种使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置,。,在恒化器中，一方面菌体密度会随时间的增长而增高，另一方面，限制生长因子的浓度又会随时间的增长而降低，两者互相作用的结果，出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡。这样，既可获得,一定生长速率的均一菌体，又可获得虽低于最高菌体产量，却能保持稳定菌体密度的菌体,。,恒化器主要用于实验室科学研究中，尤其用于,与生长速率相关,的各种理论研究中。,恒化器示意图,如何获得,1/,和,1/S,数组？,实际应用，是在,恒化器,中进行实验：,改变,稀释率,D,（,=F/V),；,当达到稳定状态后,D=,，,同时测定,S,，,可获得一系列,1/D,（即,1/,）对,1/S,的数组；,作图，求得,max,和,Ks,稀释度,(D),-,单位时间内新进入的培养基体积,占罐内培养液总体积的分数。,F,单位时间内输入或输出的培养液体积，,L/h,V,发酵过程中培养液的体积，,L,D=F/V,当系统平衡后，,D=,，,为什么？,连续培养中菌体的物料平衡,F,单位时间内输入或输出的培养液体积，,L/h,X,0,输入料液中的菌体浓度，,g/L,X,输出培养液中菌体浓度，,g/L,单位时间内单位体积培养液中菌体的增长量，,g/L h,V,发酵过程中培养液的体积，,L,(,净增加量）（输入量）（生长量）（输出量）,如料液为新鲜培养基，则,X,0,=0,当系统达到平衡时,dX/dt,=0,则,V,=FX F/V=,/X,/X,相当于分批培养中的,故当整个系统达到平衡时,D=,