微生物发酵工程课件第8章 连续发酵
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管道发酵器、 塔式发酵罐
搅拌发酵罐串联（菌 体部分重复使用）
塔式发酵罐、装有隔 板的管道发酵罐 （卧式、立式）
搅拌发酵罐（菌 搅拌发酵罐串联(菌 体100％重复使用) 体100％重复使用）
塔式发酵罐（菌 塔式发酵罐（菌体 体100％重复使用) 100％重复使用）
循环
管道发酵器、塔 式发酵罐（菌体部
分重复食用
又由于, 莫诺方程:μ=μm S /(Ks + S)
S = Ksμ/(μm-μ) = Ks D/(μm- D)
所以:Ｘ= YG (S0 - S)
可写成:Ｘ= YG {S0 - Ks D/(μm- D)} ----------------------------------------------------------------------------------------式 B
D的倒数 t h表示培养液在罐中的平均停留时间,单位为h; x/X 相当于分批培养中的比生长速率μ
所以: 整个系统平衡时: D =μ
微生物在单罐连续培养时达到稳定的平衡条件就是 D =μ
情况2, 如: X0 = 0, D ≠ μ, 则: dX/dt = x - DX 由于: x = μX 所以: dX/dt = (μ- D)X;
在连续培养中菌体的物料平衡关系为:
V(dX/dt) = FX0 + xV - FX (净增加量) (输入量) (生长量) (输出量)
式中: F: 单位时间内输入或输出的培养液体积, L/ h;
X0:输入料液中的菌体浓度, g / L; V: 发酵过程中的培养
X: 输出培养液中的菌体浓度, g / L;
如果D =μ, 则: dS/dt = 0
因为: dS/dt = DS0 - DS - s dS/dt = DS0 - DS - s = DS0 - DS - Xμ/ YG ------------------------------------------------------------------------------式 C
塔式发酵罐、装有隔 板的管道发酵器（菌
体部分重复使用）
管道发酵器 （菌体100％ 重复使用）
塔式发酵罐、装 有隔板的管道发 酵器（菌体100％
重复使用）
三. 罐式连续发酵 发酵设备与分批发酵设备无根本区别.根据所用罐数又可
分为单罐连续发酵和多罐连续发酵。 1. 单罐连续发酵 通常先要进行一段时间的分批发酵.当反应器中的细胞
封闭式连续发酵系统是在连续发酵系统中运用某种方法使细胞一直保持在培养器内，并使其数量不 断增加。这种条件下，某些限制因素在培养器中也发生变化，最后导致大部分细胞死亡。因此在这种系 统中，不可能维持稳定状态。封闭式连续发酵可以通过改装开放式连续发酵设备，使全部菌体循环使用， 也可以采用各种固定化载体，使菌体在上面生长而不随发酵液流出而流失。
式中 S0 新鲜培养基中的基质浓度,g/L;
S 培养罐中及放出培养液中的基质浓度, g/L;
s 单位时间内单位体积培养液中基质的耗用量, g/L･h;
dS /dt 培养液中基质浓度随时间改变的变化率, g/L･h｡
如: dS/dt = 0, 而式a dS/dt = DS0 - DS – s，则: D = s /(S0 - S) -------------------------------------------------------------式 A
在连续培养中基质的物料平衡关系为:
V(dS/dtLeabharlann = FS0 - FS - Vs (基质浓度的变化) (输入) (输出) (消耗度)
上式两边除以V则: dS/dt = DS0 - DS – s
--------------------------------------------------------------------------式a
膜连续发酵是典型的封闭式连续发酵，它是采用一种只能通过发酵产物，而不能通过菌体细胞的有 机膜将发酵设备分隔，将培养液连续流加到发酵设备的具有菌体的间隔中，微生物的代谢产物通过膜连 续不断地从另一间隔流出。对于具有产物抑制的连续发酵体系，采用膜发酵的方法可不断移出代谢产物， 从而提高产品得率。
名称 设备方面
当达到新的平衡时, μ又会自动地和 D 在数值上相等。S 和 X 可通过下式求得： S = Ksμ/(μm-μ) = Ks D/(μm- D) Ｘ= YG {S0 - Ks D/(μm- D)}
根据式C dS/dt = DS0 - DS - s = DS0 - DS - Xμ/ YG 当 D 增大, dS/dt 为正数, 即 S 随之上升。
D 与μ关系所致将出现以下三种状况:
如 D小于μ: 则dX/dt是正数, 培养液中菌体浓度将随时间而增加; 如 D大于μ: 则dX/dt是负数, 菌体浓度因培养物被“洗出”罐外而减少; 如 D = μ: 则dX/dt = 0, 培养物中的菌体浓度不随时间而变化, 培养液达到稳定状态。 (2) 稀释速率对菌体与培养液中限制基质浓度的关系:
3. 多罐串联连续发酵
下图是多罐串联连续发酵的示意图。多罐串联连续培养可提高生产能力。
第一罐情况与单罐培养相同。
第二罐料液中菌体浓度 X02 即为第一罐流出液的菌体浓度 X1, 第二罐料液的基质浓度 S02 即为第一罐流出液的基质浓度 S1, 则F1 = F2 如考虑二级连续培养时,
X01= 0，X02 = X1, dX1/dt = dX2/dt = 0, V1 = V2 则第一级 FX1 = x1V 或 μ1 = D
必须与全部工艺系统中的其 它工段保持连续一致
营养成分的利用较分批 发酵稍差产物浓度较分
批发酵略低 杂菌污染的机会较多，菌 种发生变异的问题没有解决
开放式（菌体取出）
单罐
多罐
封闭式（菌体不取出）
单罐
多罐
均匀混合
非循环
搅拌发酵罐 搅拌发酵罐（串联）
透析膜培养
___
非均匀混合
循环 非循环
搅拌发酵罐（菌 体部分重复使用 )
b. 恒化器法(chemostat) 与 a 相似之处是维持一定的体积, 不同之处是菌体浓度不是直接控制的,而是通
过恒定输入的养料中某一种生长限制基质的浓度(共余组分均为过量)来控制.产生菌的生长最终便
由生长限制因素所决定.
2. 连续发酵动力学--------以恒化器法培养进行研究
(1) 稀释速率与菌体生长的关系:
在二级连续培养中，μ2可相当于单级连续培养中的μ, 因此, 1/μ2可以单罐连 续培养时的停留时间 th代 入，于是前式可写为:
t h ` ＝1/μ1 + t h (1 －X1/ X2 ) 通过实例可看出培养液在罐中的培养时间比单罐连续培养时少，因此相应地提高了生产力。
四. 管式连续发酵 连续管式反应器（其理想型为活塞流反应器，PFR）用于单细胞或絮凝物悬浮状态的微生物反应时，因 必须不断地供给菌种, 所以不能单独使用。可按下页图所示, 将其接在连续搅拌罐(其理想型为CSTR)后, 或在 PFR后安装分离装置利用循环进行运转。这种微生物反应器的运转存在许多困难, 所以目前主要用于理论研究, 基本上未进行实际应用。
第八章 连续发酵（Continuous Fermentation）
一. 连续发酵的概念 二. 连续发酵的分类及其特点 三. 罐式连续发酵 四. 管式连续发酵 五. 几个连续发酵的例子
全混流是理想流动的一种。其特征是在连续流动过程中，无论轴向或是径向都是达到完全混合，以致物 系参数均一。全混流流是返混程度最在的一种流动。该模型的基本假定是设备内物料的浓度均一，且等于设 备出口处的浓度。
S = Ksμ/μm- μ = 0.2･0.5/1.0 - 0.5
= 0.2g/L 根据 Ｘ= YG (S0 - S)
得:Ｘ= YG (S0 - S) = 0.5 (10 - 0.2)
= 4.9 g/L 以不同的D代入,则得 到不同的 S, X值; (如图所示)
以不同的 D 代入，则得到不同的S及X 值。左图所示，随着D逐步增加X 即随之减 少，其变化在开始时并不明显，在 D=0.8以前 还相当稳定，但当 D增大到接近μm时，X 即 开始急剧下跌，最后达到0。这时， D = Dc = μm，Dc称为临界稀释度。当稀释度 等于或大于Dc时，培养液中的微生物将全部被 “洗出”。S的变化则与X相反，在D=0.8以前， S值甚小。但当D连续增大时，S即急剧上升， 最后等于S0。在D不太大时，X则与D的关系不大，但其流出液中菌体的总量DX却随着D之增大而增加，可 得一最大的DX值，此时之D值称为Dm。Dm点即为连续培养中理论上最适宜的稀释度值。当然，此时流出 液的S值稍高，在实践中应结合经济问题考虑。该图是一种理想状态，应结合实验得出相关关系，但可以 由此知道单罐连续培养中一些参数的相互关系，并且了解如何描述一个连续过程和掌握μm、Ks、V、S0等 值。
由于: x/s 相当于分批培养中的 YG值, (YG碳源对菌体的理论得率)
因此: YG= x/s =μX/s或 s=(X/ YG)μ
那么: D = s /(S0 - S)
D (S0 - S) = (X / YG)μ
在平衡时由于 D =μ
D (S0 - S) = (X / YG)μ
Ｘ= YG (S0 - S)
液的体积, L;
x: 单位时间内单位体积培养液中菌体的增长量, g / L･h;
情况1, 如: 料液是新鲜培养基
则: X0 = 0
当整个系统达到平衡时, dX/dt = 0,
前式 V(dX/dt) = FX0 + xV - FX 就为:
xＶ= FX;
F/V = x/X
这里, F/V = D 稀释度, (ｈ-1 )含义是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;
操作情况 生产情况 微生物的情况
优点
设备的体积可以减小 能合理的按照发酵阶
段实行连续化
操作时间可以缩短 总的操作管理较方便 中间产物和最终产物稳定 生产系统化可节约人力、 物力、降低生产费用 对微生物的生理、生态 和反应机制比较容易分析
存在的问题
将原有分批发酵设备改装成 连续化有一定困难设备的合
理性和加料设备的精确 性要求甚高
第二级 FX2 ＝ FX1+X2V μ2 = D(1 － X1/X2) D =μ2 X2 / (X2－X1)
由于两级中 D 相等，而第二级中比生长速率μ2一般可相当于单罐连续培养中的比生长速率μ, 所以二 级培养时的稀释度可较单级培养时大X2 / (X2－X1) 倍。
在二级连续培养中，欲达到与单级连续培养同样的微生物量所需的培养时间 t h `为： t h ` ＝1/μ1 + (1/μ2) { (X2－X1) / X2 }
下面介绍一个说明 D, X, S 之间关系的例子
设: μm = 1.0 h -1; YG = 0.5; Ks =0.2 g/L; S0 = 10g/L; 如: D = 0.5 h -1; 根据 平衡时 D =μ 以及公式 (莫诺方程) μ=μm S /( Ks +S) 得:μ= D =μm S /( Ks +S) = 0.5 = 1 S / (0.2 + S)
浓度达到一定程度后,以恒定的流量向反应器中流加培养基, 同时以相同流量取出发酵液,使反应器内的发酵液体积保持 恒定.如果在反应器中进行充分的搅拌,则培养液中各处的组 成相同,并且也与流出液的组成相同,成为一个连续流动搅拌 罐反应器(CSTR)｡
连续发酵的控制方式有两种: 恒浊器法 恒化器法
a. 恒浊器法(turbidostat) 通过自控仪表调节输入料液的流量, 以控制培养液中的菌体浓度达到恒定值。
平推流是理想状态下在流动方向上完全没有返混，而在垂直于流动方向的平面上达到最大程度的混合。 返混是不同停留时间的粒子的混合。 混合是不同空间位置的粒子的混合。停留时间指的是年龄，所谓年龄就 是说从物料进入平推流反应器开始，未出平推流的情况下，在反应器中停留的时间。平推流中的物料在径向 截面上物质参数均相同，浓度、温度与轴向距离有关系。
这三个公式可以定量地描述恒成分培养中培养物的性质。
以上的公式表明不管培养物的最初状态如何, 终将建立稳定的状态。
在连续培养中, 变数很多, 但主要的有D, X以及 S0 其它如μ, x 和 s等则是应变数, 各个变数中, 以 D 的变化为最基本, 因为在一个稳定的连续过程中, 各个参数均保持恒定不变, 而当 D 变化时, 即会引起 X, S, μ等的变化, 直至达到一个新的平衡为止。
搅拌发酵罐串联（菌 体部分重复使用）
塔式发酵罐、装有隔 板的管道发酵罐 （卧式、立式）
搅拌发酵罐（菌 搅拌发酵罐串联(菌 体100％重复使用) 体100％重复使用）
塔式发酵罐（菌 塔式发酵罐（菌体 体100％重复使用) 100％重复使用）
循环
管道发酵器、塔 式发酵罐（菌体部
分重复食用
又由于, 莫诺方程:μ=μm S /(Ks + S)
S = Ksμ/(μm-μ) = Ks D/(μm- D)
所以:Ｘ= YG (S0 - S)
可写成:Ｘ= YG {S0 - Ks D/(μm- D)} ----------------------------------------------------------------------------------------式 B
D的倒数 t h表示培养液在罐中的平均停留时间,单位为h; x/X 相当于分批培养中的比生长速率μ
所以: 整个系统平衡时: D =μ
微生物在单罐连续培养时达到稳定的平衡条件就是 D =μ
情况2, 如: X0 = 0, D ≠ μ, 则: dX/dt = x - DX 由于: x = μX 所以: dX/dt = (μ- D)X;
在连续培养中菌体的物料平衡关系为:
V(dX/dt) = FX0 + xV - FX (净增加量) (输入量) (生长量) (输出量)
式中: F: 单位时间内输入或输出的培养液体积, L/ h;
X0:输入料液中的菌体浓度, g / L; V: 发酵过程中的培养
X: 输出培养液中的菌体浓度, g / L;
如果D =μ, 则: dS/dt = 0
因为: dS/dt = DS0 - DS - s dS/dt = DS0 - DS - s = DS0 - DS - Xμ/ YG ------------------------------------------------------------------------------式 C
塔式发酵罐、装有隔 板的管道发酵器（菌
体部分重复使用）
管道发酵器 （菌体100％ 重复使用）
塔式发酵罐、装 有隔板的管道发 酵器（菌体100％
重复使用）
三. 罐式连续发酵 发酵设备与分批发酵设备无根本区别.根据所用罐数又可
分为单罐连续发酵和多罐连续发酵。 1. 单罐连续发酵 通常先要进行一段时间的分批发酵.当反应器中的细胞
封闭式连续发酵系统是在连续发酵系统中运用某种方法使细胞一直保持在培养器内，并使其数量不 断增加。这种条件下，某些限制因素在培养器中也发生变化，最后导致大部分细胞死亡。因此在这种系 统中，不可能维持稳定状态。封闭式连续发酵可以通过改装开放式连续发酵设备，使全部菌体循环使用， 也可以采用各种固定化载体，使菌体在上面生长而不随发酵液流出而流失。
式中 S0 新鲜培养基中的基质浓度,g/L;
S 培养罐中及放出培养液中的基质浓度, g/L;
s 单位时间内单位体积培养液中基质的耗用量, g/L･h;
dS /dt 培养液中基质浓度随时间改变的变化率, g/L･h｡
如: dS/dt = 0, 而式a dS/dt = DS0 - DS – s，则: D = s /(S0 - S) -------------------------------------------------------------式 A
在连续培养中基质的物料平衡关系为:
V(dS/dtLeabharlann = FS0 - FS - Vs (基质浓度的变化) (输入) (输出) (消耗度)
上式两边除以V则: dS/dt = DS0 - DS – s
--------------------------------------------------------------------------式a
膜连续发酵是典型的封闭式连续发酵，它是采用一种只能通过发酵产物，而不能通过菌体细胞的有 机膜将发酵设备分隔，将培养液连续流加到发酵设备的具有菌体的间隔中，微生物的代谢产物通过膜连 续不断地从另一间隔流出。对于具有产物抑制的连续发酵体系，采用膜发酵的方法可不断移出代谢产物， 从而提高产品得率。
名称 设备方面
当达到新的平衡时, μ又会自动地和 D 在数值上相等。S 和 X 可通过下式求得： S = Ksμ/(μm-μ) = Ks D/(μm- D) Ｘ= YG {S0 - Ks D/(μm- D)}
根据式C dS/dt = DS0 - DS - s = DS0 - DS - Xμ/ YG 当 D 增大, dS/dt 为正数, 即 S 随之上升。
D 与μ关系所致将出现以下三种状况:
如 D小于μ: 则dX/dt是正数, 培养液中菌体浓度将随时间而增加; 如 D大于μ: 则dX/dt是负数, 菌体浓度因培养物被“洗出”罐外而减少; 如 D = μ: 则dX/dt = 0, 培养物中的菌体浓度不随时间而变化, 培养液达到稳定状态。 (2) 稀释速率对菌体与培养液中限制基质浓度的关系:
3. 多罐串联连续发酵
下图是多罐串联连续发酵的示意图。多罐串联连续培养可提高生产能力。
第一罐情况与单罐培养相同。
第二罐料液中菌体浓度 X02 即为第一罐流出液的菌体浓度 X1, 第二罐料液的基质浓度 S02 即为第一罐流出液的基质浓度 S1, 则F1 = F2 如考虑二级连续培养时,
X01= 0，X02 = X1, dX1/dt = dX2/dt = 0, V1 = V2 则第一级 FX1 = x1V 或 μ1 = D
必须与全部工艺系统中的其 它工段保持连续一致
营养成分的利用较分批 发酵稍差产物浓度较分
批发酵略低 杂菌污染的机会较多，菌 种发生变异的问题没有解决
开放式（菌体取出）
单罐
多罐
封闭式（菌体不取出）
单罐
多罐
均匀混合
非循环
搅拌发酵罐 搅拌发酵罐（串联）
透析膜培养
___
非均匀混合
循环 非循环
搅拌发酵罐（菌 体部分重复使用 )
b. 恒化器法(chemostat) 与 a 相似之处是维持一定的体积, 不同之处是菌体浓度不是直接控制的,而是通
过恒定输入的养料中某一种生长限制基质的浓度(共余组分均为过量)来控制.产生菌的生长最终便
由生长限制因素所决定.
2. 连续发酵动力学--------以恒化器法培养进行研究
(1) 稀释速率与菌体生长的关系:
在二级连续培养中，μ2可相当于单级连续培养中的μ, 因此, 1/μ2可以单罐连 续培养时的停留时间 th代 入，于是前式可写为:
t h ` ＝1/μ1 + t h (1 －X1/ X2 ) 通过实例可看出培养液在罐中的培养时间比单罐连续培养时少，因此相应地提高了生产力。
四. 管式连续发酵 连续管式反应器（其理想型为活塞流反应器，PFR）用于单细胞或絮凝物悬浮状态的微生物反应时，因 必须不断地供给菌种, 所以不能单独使用。可按下页图所示, 将其接在连续搅拌罐(其理想型为CSTR)后, 或在 PFR后安装分离装置利用循环进行运转。这种微生物反应器的运转存在许多困难, 所以目前主要用于理论研究, 基本上未进行实际应用。
第八章 连续发酵（Continuous Fermentation）
一. 连续发酵的概念 二. 连续发酵的分类及其特点 三. 罐式连续发酵 四. 管式连续发酵 五. 几个连续发酵的例子
全混流是理想流动的一种。其特征是在连续流动过程中，无论轴向或是径向都是达到完全混合，以致物 系参数均一。全混流流是返混程度最在的一种流动。该模型的基本假定是设备内物料的浓度均一，且等于设 备出口处的浓度。
S = Ksμ/μm- μ = 0.2･0.5/1.0 - 0.5
= 0.2g/L 根据 Ｘ= YG (S0 - S)
得:Ｘ= YG (S0 - S) = 0.5 (10 - 0.2)
= 4.9 g/L 以不同的D代入,则得 到不同的 S, X值; (如图所示)
以不同的 D 代入，则得到不同的S及X 值。左图所示，随着D逐步增加X 即随之减 少，其变化在开始时并不明显，在 D=0.8以前 还相当稳定，但当 D增大到接近μm时，X 即 开始急剧下跌，最后达到0。这时， D = Dc = μm，Dc称为临界稀释度。当稀释度 等于或大于Dc时，培养液中的微生物将全部被 “洗出”。S的变化则与X相反，在D=0.8以前， S值甚小。但当D连续增大时，S即急剧上升， 最后等于S0。在D不太大时，X则与D的关系不大，但其流出液中菌体的总量DX却随着D之增大而增加，可 得一最大的DX值，此时之D值称为Dm。Dm点即为连续培养中理论上最适宜的稀释度值。当然，此时流出 液的S值稍高，在实践中应结合经济问题考虑。该图是一种理想状态，应结合实验得出相关关系，但可以 由此知道单罐连续培养中一些参数的相互关系，并且了解如何描述一个连续过程和掌握μm、Ks、V、S0等 值。
由于: x/s 相当于分批培养中的 YG值, (YG碳源对菌体的理论得率)
因此: YG= x/s =μX/s或 s=(X/ YG)μ
那么: D = s /(S0 - S)
D (S0 - S) = (X / YG)μ
在平衡时由于 D =μ
D (S0 - S) = (X / YG)μ
Ｘ= YG (S0 - S)
液的体积, L;
x: 单位时间内单位体积培养液中菌体的增长量, g / L･h;
情况1, 如: 料液是新鲜培养基
则: X0 = 0
当整个系统达到平衡时, dX/dt = 0,
前式 V(dX/dt) = FX0 + xV - FX 就为:
xＶ= FX;
F/V = x/X
这里, F/V = D 稀释度, (ｈ-1 )含义是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;
操作情况 生产情况 微生物的情况
优点
设备的体积可以减小 能合理的按照发酵阶
段实行连续化
操作时间可以缩短 总的操作管理较方便 中间产物和最终产物稳定 生产系统化可节约人力、 物力、降低生产费用 对微生物的生理、生态 和反应机制比较容易分析
存在的问题
将原有分批发酵设备改装成 连续化有一定困难设备的合
理性和加料设备的精确 性要求甚高
第二级 FX2 ＝ FX1+X2V μ2 = D(1 － X1/X2) D =μ2 X2 / (X2－X1)
由于两级中 D 相等，而第二级中比生长速率μ2一般可相当于单罐连续培养中的比生长速率μ, 所以二 级培养时的稀释度可较单级培养时大X2 / (X2－X1) 倍。
在二级连续培养中，欲达到与单级连续培养同样的微生物量所需的培养时间 t h `为： t h ` ＝1/μ1 + (1/μ2) { (X2－X1) / X2 }
下面介绍一个说明 D, X, S 之间关系的例子
设: μm = 1.0 h -1; YG = 0.5; Ks =0.2 g/L; S0 = 10g/L; 如: D = 0.5 h -1; 根据 平衡时 D =μ 以及公式 (莫诺方程) μ=μm S /( Ks +S) 得:μ= D =μm S /( Ks +S) = 0.5 = 1 S / (0.2 + S)
浓度达到一定程度后,以恒定的流量向反应器中流加培养基, 同时以相同流量取出发酵液,使反应器内的发酵液体积保持 恒定.如果在反应器中进行充分的搅拌,则培养液中各处的组 成相同,并且也与流出液的组成相同,成为一个连续流动搅拌 罐反应器(CSTR)｡
连续发酵的控制方式有两种: 恒浊器法 恒化器法
a. 恒浊器法(turbidostat) 通过自控仪表调节输入料液的流量, 以控制培养液中的菌体浓度达到恒定值。
平推流是理想状态下在流动方向上完全没有返混，而在垂直于流动方向的平面上达到最大程度的混合。 返混是不同停留时间的粒子的混合。 混合是不同空间位置的粒子的混合。停留时间指的是年龄，所谓年龄就 是说从物料进入平推流反应器开始，未出平推流的情况下，在反应器中停留的时间。平推流中的物料在径向 截面上物质参数均相同，浓度、温度与轴向距离有关系。
这三个公式可以定量地描述恒成分培养中培养物的性质。
以上的公式表明不管培养物的最初状态如何, 终将建立稳定的状态。
在连续培养中, 变数很多, 但主要的有D, X以及 S0 其它如μ, x 和 s等则是应变数, 各个变数中, 以 D 的变化为最基本, 因为在一个稳定的连续过程中, 各个参数均保持恒定不变, 而当 D 变化时, 即会引起 X, S, μ等的变化, 直至达到一个新的平衡为止。