生化工程连续培养动力学.pptx

D=F/VD=F/VD=F/VD=F/V 其中其中F F：体积流率：体积流率（体积（体积/时间时间)流速流速 稀释率稀释率稀释率稀释率（D D）：体积流率与培养液体积之比。体积流率与培养液体积之比。应用：应用：1 1）单细胞蛋白、乙醇、溶剂、啤酒、废水处）单细胞蛋白、乙醇、溶剂、啤酒、废水处 理、动物细胞培养、酶催化等领域理、动物细胞培养、酶催化等领域2 2）生物代谢、生理、生化、遗传、生态等特性）生物代谢、生理、生化、遗传、生态等特性 的研究。的研究。特征：连续培养进入稳定状态后，细胞的比特征：连续培养进入稳定状态后，细胞的比 生长速率与稀释率相同，培养液中的细胞、生长速率与稀释率相同，培养液中的细胞、基质和产物浓度恒定，不随时间变化。基质和产物浓度恒定，不随时间变化。分批培养分批培养分批培养分批培养:底物一次装入罐内，在适宜条件下接种底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。补料发酵补料发酵补料发酵补料发酵:先将一定量底物装入罐内，在适宜条件先将一定量底物装入罐内，在适宜条件下接种使反应开始。反应过程中，将特定的限制下接种使反应开始。反应过程中，将特定的限制性底物送入反应器，以控制罐内限制性底物浓度性底物送入反应器，以控制罐内限制性底物浓度保持一定，反应终止取出反应系。保持一定，反应终止取出反应系。连续培养类型恒化器恒化器恒化器恒化器：具有恒定化学环境的反应器。以恒定不变的：具有恒定化学环境的反应器。以恒定不变的 速率加入某一必需的限制性营养物。速率加入某一必需的限制性营养物。恒浊器恒浊器：维持细胞密度恒定不变。：维持细胞密度恒定不变。营养恒定反应器营养恒定反应器pHpH自动恒化器自动恒化器CERCER恒化器恒化器溶氧恒化器溶氧恒化器摄氧恒化器摄氧恒化器一、一、单级连续培养单级连续培养1、菌体平衡菌体平衡对于细胞：对于细胞：体系积累速率体系积累速率体系积累速率体系积累速率=（进入（进入（进入（进入-流出）速率流出）速率流出）速率流出）速率+（生长（生长（生长（生长-死亡）速率死亡）速率死亡）速率死亡）速率 （g/hg/hg/hg/h）VdX/dt=F(XVdX/dt=F(XVdX/dt=F(XVdX/dt=F(X0 0 0 0X)+V()X (1)X)+V()X (1)X)+V()X (1)X)+V()X (1)对于普通的单级恒化器对于普通的单级恒化器 X X0 0=0=0，=0=0，培养液体积不变，培养液体积不变 dX/dt=(D)XdX/dt=(D)XdX/dt=(D)XdX/dt=(D)X (2)(2)其中其中其中其中 D=F/VD=F/VD=F/VD=F/V 当连续培养处于稳态时，反应器中的细胞积累为当连续培养处于稳态时，反应器中的细胞积累为零，即：零，即：dX/dt=0dX/dt=0dX/dt=0dX/dt=0 D=D=D=D=即即在恒定状态时，比生长速率等于稀释速率在恒定状态时，比生长速率等于稀释速率在恒定状态时，比生长速率等于稀释速率在恒定状态时，比生长速率等于稀释速率2、限制性底物的物料平衡限制性底物的物料平衡对于限制性底物：对于限制性底物：体系积累速率（进入体系积累速率（进入体系积累速率（进入体系积累速率（进入 流出）速率流出）速率流出）速率流出）速率 （生长形成产物维持代谢）所消耗速率（生长形成产物维持代谢）所消耗速率（生长形成产物维持代谢）所消耗速率（生长形成产物维持代谢）所消耗速率 (g/h,mol/h)(g/h,mol/h)V V dS/dt=F dS/dt=F(S(S0 0 S)(dX/dt/Y S)(dX/dt/YGG+dP/dt/Y+dP/dt/Yp p+mX)+mX)V(3)V(3)dS/dt=D dS/dt=D(S(S0 0 S)(/Y S)(/YGG+q+qp p/Y/Yp p+m)+m)X (4)X (4)当连续培养处于稳态时，反应器中的基质的积累为零，当连续培养处于稳态时，反应器中的基质的积累为零，即：即：dS/dt=0dS/dt=0 D D(S(S0 0 S)(/Y S)(/YGG+q+qp p/Y/Yp p+m)+m)X=0 (5)X=0 (5)3、产物的物料平衡产物的物料平衡对于产物形成：对于产物形成：体系积累速率体系积累速率=（生成（生成 流出）速率流出）速率 V V dP/dt=V dP/dt=V(dP/dt)dP/dt)生成生成 F F P P dP/dt=Yp/xX D dP/dt=Yp/xX D P (6)P (6)或或 dP/dt=qdP/dt=qp pX D P (7)X D P (7)当连续培养处于稳态时，反应器中的产物的积累为零，当连续培养处于稳态时，反应器中的产物的积累为零，即：即：dP/dt=0dP/dt=0 Yp/x X P=0Yp/x X P=0 (8)(8)或或 q qp pX D P=0X D P=0 (9)(9)单级恒化器在稳态条件下的物料平衡方程：单级恒化器在稳态条件下的物料平衡方程：细胞：细胞：D=D=基质：基质：D(SD(S0 0 S)(/Y S)(/YGG+q+qp p/Y/Yp p+m)X=0+m)X=0 产物：产物：Yp/xX P=0 Yp/xX P=0 或或 q qp pX D P=0X D P=0在只培养细胞的特定连续培养过程中，设：在只培养细胞的特定连续培养过程中，设：产产物的形成物的形成忽略不计，忽略不计，维持代谢维持代谢忽略不计。忽略不计。则有：则有：(1)(1)D D=(2)D(S (2)D(S0 0 S)/Y S)/YGG X=0 (10)X=0 (10)X=YX=YG G(S(S0 0 S)=Yx/s(S S)=Yx/s(S0 0 S)S)(11)(11)X=?X=?Yx/s=Y Yx/s=YGG 根据莫诺方程根据莫诺方程=m m S/(Ks+S)S/(Ks+S)S=Ks/(S=Ks/(m m )(12)(12)代入上式代入上式(11)(11)得：得：X=Yx/s X=Yx/s SS0 0 KsD/(KsD/(m m D)D)(13)(13)在一定培养条件下，在一定培养条件下，Yx/sYx/s、S S0 0、KsKs和和 mm均为定值，均为定值，连续培养状态下培养液中的菌体浓度连续培养状态下培养液中的菌体浓度X X和限制性底物和限制性底物浓度浓度S S取决于稀释率取决于稀释率D D。S=Ks/(S=Ks/(mm/1)=Ks/()=Ks/(mm/D/D 1)(14)(14)当当D D m m,提高提高D D，增大，增大S S，则降低，则降低X X。当当D D mm时，时，SSSS0 0，此时，此时X0X0，临界稀释率临界稀释率临界稀释率临界稀释率D Dcritcrit为：为：D Dcritcrit=mmSS0 0/(Ks+S/(Ks+S0 0)通常情况下，通常情况下，KsKsS S0 0，故有：，故有：D Dcritcrit=mm 生产强度生产强度(生产率）：生产率）：Pt=Pt=产物浓度（产物浓度（g/Lg/L）/发酵时间（发酵时间（h h）Pt Pt=X/t=F X/V=X/(V/F)=X/t=F X/V=X/(V/F)=D XD X Pt PtDYx/s SDYx/s S0 0 KsD/(KsD/(mm D)D)（1616）令令 Pt Pt 对对 D D 的一阶导数为零，可获得最大生产强度的一阶导数为零，可获得最大生产强度下的稀释率下的稀释率 D Doptopt：D Dopt opt=mm11 Ks/(Ks+S Ks/(Ks+S0 0)1/21/2 （1717）对函数PtPtDYx/s SDYx/s S0 0 KsD/(KsD/(mm D)D)求极值求极值 令令Pt(DPt(Doptopt)=0)=0 m m=1.0 h=1.0 h-1-1Ks=0.2 g/LKs=0.2 g/LYx/s=0.5 gX/g SYx/s=0.5 gX/g SS S0 0=10 g/L=10 g/L例题6.1以葡萄糖为限制性基质，连续培养以葡萄糖为限制性基质，连续培养E.coliE.coli，在，在此培养条件下此培养条件下(流加基质浓度流加基质浓度S S0 0=0.968g/L)=0.968g/L)，测得试验数据如下：测得试验数据如下：D(hD(h-1-1)S(mg/S(mg/L)L)X(mg/L)X(mg/L)D(hD(h-1-1)S(mg/S(mg/L)L)X(mg/L)X(mg/L)0.060.066 64274270.60.61221224344340.120.1213134344340.660.661531534224220.240.2433334174170.690.691701704304300.310.3140404384380.710.712212213903900.430.4364644224220.730.732102103523520.530.53102102427427试比较连续培养的S、X和Pt的理论计算值和实验值。根据莫诺方程有：根据莫诺方程有：1/=1/1/=1/mm+Ks/+Ks/mm1/S1/S对对1/1/S1/1/S作线性回归曲线，求得：作线性回归曲线，求得：mm=1.05h=1.05h-1-1，Ks=0.0997g/L=99.7mg/LKs=0.0997g/L=99.7mg/L将实验数据将实验数据X X、S S和和D D代入方程代入方程X=Yx/s(SX=Yx/s(S0 0 S)S)和和Pt=D XPt=D X，计算对应的，计算对应的Yx/sYx/s和和PtPt，结果见下表：，结果见下表：D(hD(h-1-1)Yx/s Yx/s(g/g)(g/g)Pt(g/h)Pt(g/h)D(hD(h-1-1)Yx/s Yx/s(g/g)(g/g)Pt(g/h)Pt(g/h)0.060.060.440.440.0260.0260.60.60.520.520.2600.2600.120.120.450.450.0520.0520.660.660.520.520.2780.2780.240.240.450.450.100.100.690.690.550.550.2970.2970.310.310.470.470.1360.1360.710.710.500.500.2770.2770.430.430.470.470.1810.1810.730.730.470.470.2570.2570.530.530.490.490.2260.226 取取0.3 D0.70.3 D0.7之间的之间的Yx/sYx/s数值的平均值得：数值的平均值得：Yx/sYx/s均均 0.505 gX/gS0.505 gX/gS 将所求出的将所求出的 mm、KsKs和和Yx/sYx/s均均作为理论计算的依作为理论计算的依据，依据下列方程作图：据，依据下列方程作图：S=KsD/(S=KsD/(m m D)D)X=Yx/s X=Yx/s均均(S(S0 0 KsD/(KsD/(m m D)D)Pt=DYx/s Pt=DYx/s均均(S(S0 0 KsD/(KsD/(m m D)D)该例连续培养的理论计算值和实验值拟合图见该例连续培养的理论计算值和实验值拟合图见下图下图。(Excel 6.1)(Excel 6.1)D D 0.25D0.25Dcritcrit，不，不可忽略维持代谢可忽略维持代谢D D 0.75D0.75Dcritcrit,可能可能产生代谢产物。产生代谢产物。例6.2在甘露糖醇中培养大肠杆菌，其动力学方程为：在甘露糖醇中培养大肠杆菌，其动力学方程为：dX/dt=1.2SX/(2+S)g/(Lmin)dX/dt=1.2SX/(2+S)g/(Lmin)。已知。已知 S S0 06 g/L6 g/L，Yx/s=0.1Yx/s=0.1。试问（。试问（1 1）当甘露糖醇溶液）当甘露糖醇溶液以以1 L/min1 L/min的流量进入体积为的流量进入体积为5L5L的的CSTRCSTR中进行中进行反应时，其反应器内细胞的浓度及其生长速率反应时，其反应器内细胞的浓度及其生长速率为多少？（为多少？（2 2）如果寻求使大肠杆菌在）如果寻求使大肠杆菌在CSTRCSTR内内的生长强度达到最大，试问最佳加料速率应为的生长强度达到最大，试问最佳加料速率应为多少？大肠杆菌的生长速率为多大？多少？大肠杆菌的生长速率为多大？解（解（1 1）根据题意，单级根据题意，单级CSTRCSTR在稳态下有，在稳态下有，D=F/V=1/5=0.2 minD=F/V=1/5=0.2 min-1-1 依据莫诺方程依据莫诺方程 mmS/(Ks+S)S/(Ks+S)得，得，0.2=1.2S/(2+S)0.2=1.2S/(2+S)S=0.4 g/L S=0.4 g/L 由由 X XYx/s(SYx/s(S0 0 S)S)得，得，X=0.1X=0.1（6 0.46 0.4）0.56 g/L0.56 g/L 由由 dX/dt=X dX/dt=X 得，得，dX/dt=0.20.56dX/dt=0.20.560.112 g/(Lmin)0.112 g/(Lmin)（2 2）生产强度）生产强度Pt=D Pt=D Yx/s Yx/s SS0 0 Ks Ks D/(D/(mm D)D)令令dPt/dD=0dPt/dD=0，此时，此时PtPt为极大值，相应的稀释率为为极大值，相应的稀释率为 D Dopt opt=mm 1 1(Ks/(Ks+S(Ks/(Ks+S0 0)1/21/2 =1.21 =1.21(2/(2+6)(2/(2+6)1/21/2 =0.6 min =0.6 min-1-1 最佳加料速率最佳加料速率 F=DF=Doptopt V=0.65=3 L/min V=0.65=3 L/min dX/dt=0.60.16 dX/dt=0.60.16 20.6/(1.2 20.6/(1.2 0.6)0.6)=0.24 g/(L.min)=0.24 g/(L.min)二、多级连续培养二、多级连续培养把几个生物反应器串连起来，前一级反应器的出把几个生物反应器串连起来，前一级反应器的出料作为下一级反应器的进料，即组成了多级连续料作为下一级反应器的进料，即组成了多级连续培养系统。进行多级连续培养时，也可以向第二培养系统。进行多级连续培养时，也可以向第二级以后的各级反应器补充新培养基。级以后的各级反应器补充新培养基。第二级反应器反应动力学第二级反应器反应动力学第二级反应器反应动力学第二级反应器反应动力学X V V(dX(dX2 2/dt)/dt)体系体系 =F=F(X(X1 1XX2 2)+V)+V 2 2 X X2 2 (dX (dX2 2/dt)/dt)体系体系=D=D(X(X1 1XX2 2)+)+2 2 X X2 2 稳态下：稳态下：2 2=D=D(1X(1X1 1/X/X2 2)(1)(1)由于由于X X2 2 X X1 1 0 0，因此，因此 2 2D DS V dS V dS2 2/dt=F(S/dt=F(S1 1SS2 2)V(dX)V(dX2 2/dt)/dt)/Yx/s/Yx/s dS dS2 2/dt=D(S/dt=D(S1 1SS2 2)2 2 X X2 2/Yx/s/Yx/s 稳态下：稳态下：2 2=Yx/s D(S=Yx/s D(S1 1SS2 2)/X)/X2 2 (2)(2)已知已知 X X1 1 Yx/s (SYx/s (S0 0SS1 1)(3)(3)联立方程（联立方程（1 1）、）、(2)(2)和（和（3 3），求得：），求得：X X2 2=Yx/s=Yx/s（S S0 0SS2 2）(4)(4)依据莫诺方程得依据莫诺方程得 2 2=mmS S2 2/(Ks+S/(Ks+S2 2)(5)(5)联立方程（联立方程（2 2）和（）和（5 5），求得），求得 X X2 2=Yx/s D(Ks+S=Yx/s D(Ks+S2 2)(S)(S1 1SS2 2)/()/(mmS S2 2)(6)(6)S S1 1，S S2 2？联立方程（联立方程（4 4）和（）和（6 6），得：），得：Yx/s (SYx/s (S0 0SS2 2)=Yx/s D(Ks+S)=Yx/s D(Ks+S2 2)(S)(S1 1SS2 2)/()/(m m S S2 2)(S (S0 0SS2 2)=D(Ks+S)=D(Ks+S2 2)(S)(S1 1SS2 2)/()/(m m S S2 2)(7)(7)将方程将方程S S1 1=Ks D/(=Ks D/(mmD)D)代入方程（代入方程（7 7），得二次方程：），得二次方程：(mmD)SD)S2 22 2(m m S S0 0Ks DKs D2 2/(/(mmD)+Ks D)SD)+Ks D)S2 2 +Ks +Ks2 2 D D2 2/(/(mmD)=0D)=0解此方程求出解此方程求出S S2 2，进而确定，进而确定X X2 2。D(X2X1)稳态下第稳态下第n n级反应器中的细胞浓度、比生长速级反应器中的细胞浓度、比生长速率、限制性基质浓度和产物浓度：率、限制性基质浓度和产物浓度：X Xn n=D=D X Xn-1 n-1/(D/(Dn n)n n=D=D(1X(1Xn-1n-1/X/Xn n)S Sn n=S=Sn-1n-1n n X Xn n/(D/(D Yx/s)Yx/s)P Pn n=P=Pn-1n-1+q+qp p X Xn n/D/D 三、进行细胞回流的单级连续培养将单级恒化器中流出的培养液进行分离，经浓缩将单级恒化器中流出的培养液进行分离，经浓缩后的细胞悬浮液被送回反应器中。后的细胞悬浮液被送回反应器中。提高了反应器中细胞的浓度提高了反应器中细胞的浓度提高了反应器操作的稳定性提高了反应器操作的稳定性单级反应器单级反应器临界稀释率临界稀释率临界稀释率临界稀释率 D Dcritcrit =mm物料循环比（体积比）：=Fr/F 1流速、生物量、基质浓度？对反应器（不包括分离器）进行物料衡算：对反应器（不包括分离器）进行物料衡算：对于细胞：对于细胞：积累速率（进入积累速率（进入 流出）速率（生长流出）速率（生长 死死 亡）亡）速率循环液细胞流入速率速率循环液细胞流入速率 V V dX/dt=F dX/dt=F X X0 0 (1+)(1+)F F X+V X+V()()X X +FX +FX dX/dt=dX/dt=X 1+X 1+(1)(1)D D X X (X(X0 0=0=0，=0=0，培养液体积不变），培养液体积不变）当连续培养处于稳态时，反应器中的细胞积累为当连续培养处于稳态时，反应器中的细胞积累为零，即：零，即：dX/dt=0dX/dt=0 =D=D 1+1+(1)(1)(1)(1)对于限制性基质：对于限制性基质：积累速率（进入积累速率（进入 流出）速率流出）速率 （生长形成（生长形成产物产物 维持代谢）所消耗速率由循环液进入速率维持代谢）所消耗速率由循环液进入速率 V V dS/dt=F dS/dt=F S S0 0 (1+)(1+)F F S S V V(dX/dt/Y(dX/dt/YG G+dP/dt/Yp+mX)+FS+dP/dt/Yp+mX)+FS dS/dt=D dS/dt=D(S(S0 0S)X/Yx/s S)X/Yx/s （不考虑产物形成和维持代谢）（不考虑产物形成和维持代谢）当连续培养处于稳态时，反应器中的底物积累当连续培养处于稳态时，反应器中的底物积累为零，即：为零，即：dS/dt=D dS/dt=D(S(S0 0S)X/Yx/s S)X/Yx/s=0=0 X=Yx/s X=Yx/s D D(S(S0 0S)/(2)S)/(2)将将=D=D 1+1+(1)(1)代入代入(2)(2)得：得：X=Yx/s X=Yx/s(S(S0 0S)/1+S)/1+(1)(1)X=Yx/s X=Yx/s(S(S0 0S)/RS)/R (3)(3)其中其中R R为循环浓缩因子为循环浓缩因子 R=1+R=1+(1)(1)1 1 S?S?根据莫诺方程有：根据莫诺方程有：S=KsS=Ks/(/(mm)将将(1)(1)式代入上式，得式代入上式，得 S=Ks S=Ks R R D/(D/(m m R R D)D)(4)(4)将将(4)(4)式代入式代入(3)(3)式得：式得：X=1/RYx/s X=1/RYx/s S S0 0 Ks Ks R R D/(D/(mmR R D)D)(5)(5)A A、B B、C C 循环循环 ；D D、E E 不循环；不循环；A A、D D 反应器中细胞浓度反应器中细胞浓度X X；B B、E E 细胞生产率（生产强度）细胞生产率（生产强度）D XD X；C C 出口细胞浓度出口细胞浓度X X mm=1.0h=1.0h-1-1，Yx/s=0.5g/LYx/s=0.5g/L，Ks=0.2g/LKs=0.2g/L，S S0 0=10g/L=10g/L，=2=2，=0.5=0.5临界稀释率条件下，临界稀释率条件下，X0X0，S SS S0 0，依据，依据MonodMonod方程方程 R R D=D=m m S S0 0/(Ks+S/(Ks+S0 0)DDcritcrit=1/R=1/Rm m S S0 0/(Ks+S/(Ks+S0 0)一般一般Ks SKs S0 0，故故DDcritcrit=mm/R /R mmR=/D=1+(1)在上例中，在上例中，mm=1.0h=1.0h-1-1，=2=2，=0.5=0.5 R=1+R=1+（11）0.50.5 D Dcrit crit=m/R 2 D2 Dcritcrit由于由于0 0R R1 1，DDcritcrit mm依据方程（依据方程（1 1）得）得 /D=1+(1)/D=1+(1)浓缩比浓缩比 越大，达到一定越大，达到一定/D/D所需的循环比所需的循环比 越小；反越小；反之则越大。之则越大。例6.3 在一带循环的单级在一带循环的单级CSTRCSTR（连续操作的搅拌槽式反（连续操作的搅拌槽式反应器）中进行下述反应，应器）中进行下述反应，dX/dt=2SX/(1+S)dX/dt=2SX/(1+S)g/(L.min)g/(L.min)已知已知X X0 0=0=0，S S0 0=3g/L=3g/L，F=1 L/minF=1 L/min，Yx/s=0.5Yx/s=0.5，V=1 LV=1 L，Fr=1/2 FFr=1/2 F，Xr=4XeXr=4Xe。试求：试求：X X，S S，XeXe各为多少？各为多少？KsKs，mm，?解：循环比Fr/F=0.5，Xe=(1+)F X F X/F =1+(1)X Xr/Xe=X /(1+(1)X=4 =2 循环浓缩因子R=1(1)0.5 D=F/V=1 min-1 由于该反应服从莫诺方程，由于该反应服从莫诺方程，dX/dt=2SX/(1+S)dX/dt=2SX/(1+S)得：得：Ks=1Ks=1，m m=2=2由由S=Ks R D/(S=Ks R D/(mmR D)R D)，得，得 S=10.51/(20.51)=1/3 g/LS=10.51/(20.51)=1/3 g/L由由X=1/R Yx/s(SX=1/R Yx/s(S0 0SS），得），得 X=1/0.50.5(31/3)=8/3 g/LX=1/0.50.5(31/3)=8/3 g/L由由Xe=1+(1)XXe=1+(1)X，得，得 Xe=0.58/3=4/3 g/LXe=0.58/3=4/3 g/L四、连续培养的应用1 1、确定、确定最佳培养条件最佳培养条件最大生产强度最大生产强度Pt=D XPt=D X最高转化率最高转化率 Yx/sYx/s最少副产物产生最少副产物产生从右图中，得到什么结论从右图中，得到什么结论？2 2、富集、选育特殊性状的菌种、富集、选育特殊性状的菌种 建立高选择性的环境条件，筛选和富集培养专一建立高选择性的环境条件，筛选和富集培养专一性的微生物性的微生物 筛选的环境条件包括：限制性底物、培养温度、筛选的环境条件包括：限制性底物、培养温度、pHpH、生长促进剂、抑制性物质等。、生长促进剂、抑制性物质等。在选择性富集培养过程中，生长速率不同菌种的在选择性富集培养过程中，生长速率不同菌种的“去去”“”“留留”由各自的比生长速率决定，最后系由各自的比生长速率决定，最后系统保留的是在该体系中比生长速率最大的微生物。统保留的是在该体系中比生长速率最大的微生物。设一连续培养微生物设一连续培养微生物 X X 的过程中被的过程中被 Y Y 或或 Z Z 或或W W 微生物污染。其中杂菌微生物污染。其中杂菌 Y Y在给定的限制性底在给定的限制性底物物S S中的比生长速率中的比生长速率 Y Y X X，杂菌，杂菌 Z Z 在在S S中的中的比生长速率比生长速率 Z Z X X，而杂菌，而杂菌 W W 在在S S中的比生长中的比生长速率速率 WW与与 X X的大小差异与的大小差异与S S的浓度有关的浓度有关。三种。三种杂菌杂菌Y Y、Z Z、WW在连续培养中与微生物在连续培养中与微生物X X的生长的生长关系如下图所示。关系如下图所示。根据连续培养理论，某种微生物在培养过程根据连续培养理论，某种微生物在培养过程中的积累速率为生长速率与稀释速率之差中的积累速率为生长速率与稀释速率之差（不考虑菌体死亡，进入的速率为零）：（不考虑菌体死亡，进入的速率为零）：细胞积累速率生长速率细胞积累速率生长速率 流出速率流出速率 dX/dt=X D XdX/dt=X D X 对于杂菌对于杂菌Y Y，在一定，在一定S S下，下，Y Y小于正常培养小于正常培养微生物微生物X X条件下的稀释率条件下的稀释率D D，因，因 dY/dt=dY/dt=Y Y Y D YY D Y 且且 Y YD D，故，故 dY/dt dY/dt 为负值。结果杂菌为负值。结果杂菌Y Y不能不能残存在培养系统中。残存在培养系统中。对于杂菌对于杂菌Z Z，在一定，在一定S S下，下，Z Z大于正常培养微大于正常培养微生物生物X X条件下的稀释率条件下的稀释率D D，因，因 dZ/dt=dZ/dt=Z Z ZD ZD Z Z 且且 Z Z D D，故，故 dZ/dt dZ/dt 为正值。结果杂菌为正值。结果杂菌Z Z残残存在培养系统中。存在培养系统中。由于由于dZ/dtdZ/dt0 0，微生物，微生物Z Z积积累，结果导致限制性底物浓度累，结果导致限制性底物浓度S S的下降，下降的下降，下降至至SS时，有时，有 Z ZD D，对于微生物，对于微生物Z,Z,建立了一个建立了一个在在SS下的新稳定状态。在下的新稳定状态。在SS下，微生物下，微生物X X的的 X X随随S S下降至下降至SS，而下降至，而下降至 X X，此时，此时 X X D D，微，微生物生物X X将从培养系统中洗出。将从培养系统中洗出。对于杂菌对于杂菌 WW，W W 的残存决定于操作稀释率，在的残存决定于操作稀释率，在D=0.25D D=0.25D critcrit时，时，WW不可能与不可能与X X竞争，如竞争，如Y Y与与X X的情的情形，形，WW终被终被 洗处；当洗处；当D=0.75 DD=0.75 Dcricrit t时，时，X X不可能与不可能与WW竞争，如竞争，如Z Z与与X X的情形，的情形，X X终将被洗出，终将被洗出，WW在系在系统中残存。统中残存。3、连续发酵与产物的形成研究限制性底物种类、浓度与产物形成之间的关系。研究限制性底物种类、浓度与产物形成之间的关系。表表表表6.3 6.3 在连续培养中链球菌变异株由葡萄糖生成乳酸在连续培养中链球菌变异株由葡萄糖生成乳酸在连续培养中链球菌变异株由葡萄糖生成乳酸在连续培养中链球菌变异株由葡萄糖生成乳酸限制性营限制性营养物养物稀释率稀释率（h h-1-1）细胞产酸细胞产酸力（力（g gp p/g/gx x)比产物生比产物生成速率成速率（g gp p/g/gx.x.h)h)乳酸乳酸(g/L)(g/L)葡萄糖葡萄糖0.0170.0175.45.40.0920.0924.04.0葡萄糖葡萄糖0.0340.0346.16.10.210.214.04.0葡萄糖葡萄糖0.0510.0516.06.00.310.313.83.8氮源氮源0.0340.03426.326.30.890.8910.010.0磷酸盐磷酸盐0.0340.03480.080.02.72.74.84.84、生产强度（培养细胞）连续培养的最大生产强度连续培养的最大生产强度 PtmPtm Yx/sYx/s m m S S0 0（若（若 S S0 0KsKs）分批培养的生产强度：分批培养的生产强度：生产周期：生产周期：t tB B=t=tL L+1/+1/m mlnXlnXF F/X/X0 0+t+tR R+t+tP P t tB B分批培养一个生产周期所需的时间分批培养一个生产周期所需的时间 t tL L延迟期占用时间延迟期占用时间 t tR R放料占用时间放料占用时间 t tP P清洗反应器，重新加入培养基、灭菌、冷却等操作清洗反应器，重新加入培养基、灭菌、冷却等操作所需时间所需时间 分批培养的细胞生产强度：分批培养的细胞生产强度：PtPtB B=(X=(XF FXX0 0)/t)/tB B =Yx/sS=Yx/sS0 0/(t/(tL L+1/+1/m mlnXlnXF F/X/X0 0+t+tR R+t+tP P)连续培养与分批培养的生产强度之比：连续培养与分批培养的生产强度之比：Ptm/PtPtm/PtB B=lnX=lnXF F/X/X0 0+m m(t(tL L+t+tR R+t+tP P)连续培养的优缺点优点：1)可用于进行细胞代谢、生理生化和遗传特性的研究。2）提高生产效率。3）产物质量比较稳定。4）连续培养所需设备和投资少，而且便于自动化。缺点：1）长时间培养过程中，菌种易老化、变异，工程菌质粒易丢失和染杂菌等。2）培养液中产物浓度较低，分离成本高。3）新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合，影响培养和营养物质的利用。