Chapter 4 微生物反应器操作

X X 0 exp[ (t tlag )]
式中tlag为延迟期所需时间。 在稳定期,μ=0，菌体量达到最大。 进入衰亡期后，由于底物已全部耗尽，微生物大量死亡。
4.2.2 状态方程式
分批式培养过程的状态方程式（环境过程的状 态方程式）可表示为：
基质： 菌体： 产物：
dX X dt dS X dt
培养方式分类： • 分批式操作（batch operation） • 半分批式操作（semi-batch operation） • 反复分批式操作（repeated batch operation） • 反 复 半 分 批 式 操 作 （ repeated semi-batch operation） • 连续式操作（continuous operation)
连 续 式 操 作
通融性低（同一装置不能生产多 种产品）； 需要原料的品质均一； 设备投资高（控制、自动化等操 作具有一定难度）； 长时间培养，增加了杂菌污染或 菌种变异的几率； 反应器内保持醪液的恒定，有一 定困难（由于产生气泡、丝状菌 堵塞管路等）。
4.2 分批式操作
与连续式操作相比，分批式操作的特点是：微生物所处的环境是不 断变化的；可进行少量多品种的发酵生产；发生杂菌污染容易终止操作； 当运转条件发生变化或需生产新产品时，易改变生产策略；对原料组成 要求较粗放等。
4.2.1 分批式操作生长曲线
迟滞期的长短依培养条件不同而异，且受种子的种龄及 其培养条件的影响。工业生产中选用对数期的种子接种，正 是为了缩短延迟期。 在对数期，菌体量呈指数形式增长，此时μ一定，即：
dX X dt
(边界条件：
t0 tlag , X X 0 )
对上式积分，得 ln
X (t t lag ) X0
反应液体积变化的方程式为
dV F K vap dt
式中， Kvap 为单位时间里由于通气，随排出气 体而失去的水分。如果流加的基质能够迅速并完 全为菌体所消耗，并且维持代谢为零时，可得到 最大的菌体浓度Xmax。由于基质流加量与基质消耗 量相等，可认为，这样由流加基质的平衡式有
F 1 S in X V YX S
S K S ，所以Monod方程可写为 所以在整个反应过程中，
边界条件： t 0 ，X 0 0.1kg / m3
对上式积为，得
ln
dX max Xdt
X max t X0
所以，80％基质已反应时所需时间
t 1 max ln X 1 24.1 ln 5.87(h) X 0 0.935 0.1
流加培养操作
流加操作时，特定基质加入到反应器后，反 应液体积就会发生变化，这时μ、γ和π的可定 1 d ( XV ) 义如下： XV dt
1 d (VS) FSin XV dt
1 d (VP) VX dt
式中， V为反应液体积， F是体积流量， Sin 是流 加液中的基质浓度，FSin为基质的质量流量。
YX / S
X X0 S0 S
所以，培养至6h的葡萄糖浓度
S S0
X X0 16.4 0.1 50 19.2( g / L) YX / S 0.53
S K S，表明在培养6h时间范围内， max 的假设成立。
例2
3 采用合成培养基，在1m 生物反应器中进行大肠杆菌分批培养，菌体
培 养 过 程 中 基 质 体 积 变 化
a 分批（间歇）式操作
b 反复批式操作 c 半分批式（流加）操作 d 反复半分批式操作 e 连续式操作
优点
设备制作费用低； 同一设备可进行多种产品 生产； 高收率（若能对培养 高通融性； 可任意控制反应器中的基 质浓度； 可确保微生物所需的环境 ； 如果能够了解菌体在分批 过程中的性质，可获得产 物高收率。 易机械化、自动化； 节约劳动力； 反应器体积小（由于无非 生产准备时间）； 可确保产品品质稳定； 由于机械化操作，减少了 操作人员的操作带来的污 染； 几乎没有因杀菌，使检测 装置损伤的可能。
的生长变化可利用Monod方程描述，已知 max 0.935h 1 , K S 0.71kg / m3 ，基
3 质初始浓度为 50kg / m ，菌体初始浓度 X 0 0.1kg / m3 , YX / S 0.6kg / kg（以细胞
／基质计），求当80％的基质已反应时所需时间。
max 0.85h 1 ， S 0 50g / L 。反应方程式可以用Monod方程表示，
K S 1.23102 g / L, YX / S 0.53g / g （以细胞／葡萄糖计），若考虑诱
导期和死亡期，求培养至6h的菌体浓度。 解：生长符合莫诺模型，
max S KS S
对于所供给基质的浓度，菌体浓度近似一定，即 dX/dt=0时。由上式，可认为（D稀释率）。
一、定流量流加操作
定流量流加操作是指基质的流加速度保持一定 的流加操作。此时,由菌体的恒算式
XV Y X S ( FSin t V0 S 0 ) X 0V0
可知，时间t时的菌体浓度为
X
Y X S FSint V0 (Y X S S 0 X 0 ) Ft V0
Sin 80g / L, F 0.2L / h ，反应方程式可以用Monod方程来表示，其中
max 0.2h 1 , K S 1.0g / L, YX / S 0.6g / g （以细胞／葡萄糖计）。流加培
养2h后，求（1）此时的培养液体积V；（2）拟稳态下反应器中的葡萄 糖浓度；（3）完成时反应器中的菌体浓度。 解：（1）流加培养2h后，培养液体积 V V0 Ft 1.0 0.2 2 1.4( L) （2） F ( D ) 0.2 0.143(h 1 )
K S S 0
，所以假设在培养6h时间内， max
dX Xdt
t0 不考虑诱导期，边界条件：
0 ，X 0 0.1g / L
对上式积分，得培养到6h的菌体浓度
X X 0 exp( max t ) 0.1 exp(0.85 6) 16.4( g / L)
根据菌体得率的定义
在分批式培养过程中，最低限度要观察X、S、P随时间的变化过
程。在好氧发酵中，DO随时间的变化也应密切观察。下图为谷氨酸 发酵的过程曲线。
分批培养中的rx、rs、rp、μ、γ和π等变量的值，可以发酵过程曲
线中求得。
X Ⅰ Ⅰ 谷氨酸 S Ⅱ Ⅲ 培养时间（h） Ⅱ α -酮戊二酸
Ⅲ 乳酸
例1
以甘油为基质进行阴沟气杆菌分批培养。时间 t 0 时，X 0 0.1g / L ，
V 1.4
Monod方程变形，拟稳定状态下的基质浓度为
[S ] DKs 0.1431 2.5( g / L) max D 0.2 0.143
（3）反应完成时反应器中的菌体浓度 X YX / S Sin 0.6 80 48( g / L)
例4
流加培养青霉菌中，为确保比生长速度 0.2h ，按照指数式流加葡萄
应用的场合 进行少量产品生产； 使用同一种反应器，进行多 种产物生产； 易发生杂菌污染或菌种变异 从培养液中提取产物采取分 批式操作。
不 同 操 作 方 法 的 优 缺 点
分 批 式 操 作
流 加 式 操 作
不能进行连续式操作； 分批操作生产效率低； 希望延长反应时间； 出现基质抑制； 使用营养要求变异株 一定培养基成分的浓度是菌 体收率或代谢产物生产速度 的影响因素； 需要高菌体浓度。 需生产速率高的场合（对于 同一品质，大量生产的产 品）； 基质是气体、液体和可溶性 固体； 不易发生杂菌污染或菌种变 异。
氧：
dP X dt Po2 in Po2 out F OUR Qo2 X V Pall Po2 in Pco2 in Pall Po2 out Pco2 out
co2 X
CO2： CER Q
F V
Pco2 out Pco2 in P P P P P P o 2 out co2 out all o 2 in co2 in all
4.3 流加式操作
流加操作的优点是能够任意控制反应液中基 质浓度。 流加操作的要点是控制基质浓度，因此， 其核心问题是流加什么和怎么流加。在工程上 特别要注意后者。从流加方式看，流加操作可 分为无反馈控制流加操作与反馈控制流加操作。 前者包括定流量流加、指数流加和反馈控制流 加操作等。后者分间接控制、直接控制、定值 控制和程序控制等流加操作。
X X0 解：根据菌体得率的定义 Y X /S S0 S
80％基质已反应时菌体浓度
X X 0 YX / S (S0 S ) 0.1 0.6 50 80% 24.1(kg / m3 )
80％基质已反应时基质浓度
S S0 (1 ) 50 (1 80%) 10(kg / m3 )
不足
反应器的非生产周期较长； 由于频繁杀菌，易使检测装置损 伤； 由于每次培养均要接种，增加了 生产成本； 需要非稳定过程控制费用； 人员操作加大了污染的危险。 有反应器的非生产周期； 需要较高的劳动力（需要控制和 高价的检测装置）； 人员的操作加大了污染的危险； 由于频繁杀菌，易使检测装置损 伤。
F 1 dV V V dt
基于上式，菌体量为
XV X 0V0 exp(t )
流量为
F F0 exp(t )
从以上结果可知，采用这种方式操作，不仅能保 证微生物呈指数生长，而且能保持基质浓度一定。 流加基质浓度Sin与反应器内反应液最终体积、最 终菌体量Xf和菌体收率YX/S有如下关系：