南开大学微生物发酵工程-8 连续发酵

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; 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; D 与μ关系所致将出现以下三种状况
第八章 连续发酵（Continuous Fermentation）
分批发酵的不足之处 ?
在分批发酵过程中,微生物处于连续变化的环境中.由于基质的不断 消耗,有害代谢产物的不断积累,环境条件不断变化,使微生物不能长久 地处在旺盛的发酵期.发酵设备的利用率较低,单位体积时间所产生的产 物量也较少。
一. 连续培养 (发酵) 的概念及其优缺点
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
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)
X: 输出培养液中的菌体浓度, g / L;
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
间 t h‘ 为: t h‘＝1/μ1 + (1/μ2) { (X2－X1) / X2 } 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
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)
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 如果D =μ, 则: dS/dt = 0
如: dS/dt = 0, 则: D = s /(S0 - S) ----------------------------------------------------式 A
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
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
四. 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
代谢产物的目的。
下页是连续培养(发酵)的优缺点表
二. 连续发酵的类型
连续发酵的类型根据反应器可分为罐式连续发酵和管式连续发酵; 纯培养的连续操作主要是采用搅拌罐连续反应器;
管式反应器无法单独使用, 必须与其它形式的反应器联合使用。 根据控制菌体的方法可以分成:开放式和封闭式两类系统, 各类系统 又可细分 (见下页表)
1
见下页
糖液
在连续培养中基质的物料平衡关系为:
V(dS/dt) = 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｡
因为: dS/dt = DS0 - DS - s dS/dt = DS0 - DS - s = DS0 - DS - Xμ/ YG --------------------------------------------式 C
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。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 = 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;
th
(如图所示)
2. 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。
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。 一个说明 D, X, S 之间关系的例子 （见下页）
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.
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.
地提高了生产力。(P131)
五. 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。
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, 菌本浓度因培养物被“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)｡