第四章_微生物反应器操作
微生物反应器操作
教学基本内容：讲授微生物反应器的操作方式，包括分批式操作、连续式操作、流加式操作。
连续式操作的定义、数学模型，连续稳态操作条件，连续操作的优缺点，在生产上和科研中的应用；流加式操作的定义、数学模型，定流量流加、指数流加的概念，流加式操作的控制优化问题。
分批式操作下微生物生长曲线。
5.1 微生物反应器操作基础5.2连续式操作5.3 流加式操作5.4 分批式操作授课重点：1. 三种基本操作方式的比较。
2. 单级连续式操作的数学模型，连续稳态操作条件，冲出现象。
3. 连续操作的优缺点及在生产上和科研领域的应用。
4 流加式操作的数学模型，指数流加和定流量流加的概念。
5. 流加操作的控制与优化。
6. 分批式操作下微生物的生长曲线。
难点：1. 连续式操作的数学模型。
2. 多级连续培养的数学模型。
3. 流加式操作的数学模型。
本章主要教学要求：1. 理解微生物反应器操作方式的概念。
注意连续式操作、流加式操作和分批式操作的区别。
2. 理解和掌握连续式操作的数学模型及连续稳态操作条件。
3. 理解指数流加和定流量流加的区别。
4. 了解连续式操作的优缺点和应用。
5. 了解流加式操作的优化和控制。
5.1微生物反应器操作基础5.1.1 微生物反应器操作方式分批式操作：是指基质一次性加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入，反应完成后将全部反应物料取出的操作方式。
连续式操作：是指分批操作进行到一定阶段，一方面将基质连续不断地加入反应器内，另一方面又把反应物料连续不断的取出，使反应条件不随时间变化的操作方式。
流加式操作：是指先将一定量基质加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入反应器中，反应开始，反应过程中将特定的限制性基质按照一定要求加入到反应器内，以控制限制性基质浓度保持一定，当反应终止时取出反应物料的操作方式。
VVV图5－3连续式操作5.1.2 不同操作方式的特点在分批式操作中，反应液中基质浓度S 随反应进行不断降低，菌体浓度X 、产物浓度P 则不断升高，因此是一个动态变化过程。
生物反应器操作规程
生物反应器操作规程第一章总则生物反应器是生物工程中常用的设备，用于培养和控制微生物、细胞或酶等生物体系进行生物转化或生物合成反应。
为了保证生物反应器的正常运行，提高生产效率，特制定此操作规程。
第二章设备准备1. 检查生物反应器设备的完好性，确保各个部件没有损坏或异物；2. 检查反应釜、搅拌器、温控系统等部件是否正常运转；3. 准备所需的培养基、生物体系、调理液等实验物品。
第三章操作流程1. 打开生物反应器的电源开关，启动设备；2. 设置所需的温度、压力、搅拌速度等操作参数；3. 向反应釜中加入适量的培养基，等待培养基温度升至设定温度；4. 加入生物体系或细胞，注意避免空气接触；5. 启动搅拌器进行充分混合；6. 在反应过程中根据需要逐步加入调理液或其他试剂；7. 定时监测反应器内参数，并做好记录。
第四章清洗消毒1. 反应结束后，关闭生物反应器的电源开关；2. 停止搅拌器和冷却系统，排空反应釜中的废液；3. 用适量的清洗液对反应器进行彻底清洗，确保没有残留；4. 使用消毒液进行消毒处理，保证反应器内无细菌残留；5. 反应器彻底干燥后，进行下一批实验前的准备工作。
第五章注意事项1. 操作过程中要注意安全，避免发生事故；2. 必须按照操作规程正确操作，不能私自更改参数；3. 反应器设备要定期保养和检修，确保设备正常运行；4. 反应器内部应保持清洁，避免影响后续实验。
第六章结语生物反应器操作规程的制定是为了保障实验的准确性和安全性，本规程适用于各类生物反应器的操作，并应严格执行。
希望大家能够熟练掌握操作技巧，规范操作流程，提高实验效率和成果质量。
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
THANKS
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01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
生化反应工程试题库
试题库结构章节 试题分布名词解释 数学表达式 简答题图形题推导题判断题 计算题合计第一章 0 0 9 0 0 0 0 9 第二章 0 0 11 0 0 0 2 13 第三章 1 3 9 3 11 4 2 33 第四章 1 11 6 7 1 11 14 51 第五章 3 1 7 8 2 0 13 34 第六章 6 0 6 2 0 0 0 14 第七章 2 2 2 2 0 0 13 21 第八章 0 0 36 0 0 0 2 38 合计 13 17 86 22 14 15 46 213一、名词解释[03章酶促反应动力学]酶的固定化技术：[04章微生物反应动力学]有效电子转移：[05章微生物反应器操作]流加式操作：连续式操作：分批式操作：[06章生物反应器中的传质过程]粘度：牛顿型流体：非牛顿型流体塑性流体假塑性流体胀塑性流体[07章生物反应器]返混：停留时间：二、写出下列动力学变量（参数）的数学表达式[03章酶促反应动力学]1. Da准数：2. 外扩散效率因子：3. 内扩散效率因子：[04章微生物反应动力学]1. 菌体得率：2. 产物得率：3. 菌体得率常数：4. 产物得率常数：5. 生长比速：6. 产物生成比速：7. 基质消耗比速：8. 生长速率：9. 产物生成速率：10. 基质消耗速率：11. 呼吸商：[05章微生物反应器操作]1. 稀释率：[07章生物反应器]1. 停留时间：2. 转化率：三、简答题：[01章绪论]1．什么是生物反应工程、生化工程和生物技术？2．生物反应工程研究的主要内容是什么？3．生物反应工程的研究方法有哪些？4．解释生物反应工程在生物技术中的作用。
5. 为什么说代谢工程是建立在生化反应工程与分子生物学基础之上的？6. 何为系统生物学？7. 简述生化反应工程的发展史。
8. 如何理解加强“工程思维能力”的重要性。
9. 为什么在当今分子生物学渗入到各生物学科领域的同时，工程思维也成为当今从事生物工程工作人员共同关注的话题？[02章生物反应工程的生物学与工程学基础]1. 试说明以下每组两个术语之间的不同之处。
mbr膜生物反应器操作规程
mbr膜生物反应器操作规程MBR膜生物反应器是一种有效的废水处理设备，通过生物反应和膜分离技术，能够高效地去除废水中的悬浮物、有机物和微生物等污染物。
为了保证MBR膜生物反应器的正常运行和良好的处理效果，需要严格遵守以下操作规程：1. 操作前的准备：a. 确保反应器周围的环境整洁，无杂物和异味。
b. 检查设备各部位的接口和密封性，确保没有泄漏。
c. 检查进水、出水和气体管道是否畅通。
d. 检查电源是否正常，并确保设备接地良好。
2. 启动系统：a. 打开进水阀门，使废水缓慢进入反应器，并逐渐增加流量至正常工作流量。
b. 打开空气供应系统，提供足够的曝气以维持生物反应器内的氧气供应。
c. 启动膜组件和搅拌器，确保膜组件正常工作。
3. 监测操作：a. 定期检测进水和出水的COD、BOD、总悬浮固体等指标，确保处理效果符合要求。
b. 定期检查膜组件的通透率和污染程度，如有需要，进行清洗或更换膜组件。
c. 监测温度、pH值和溶解氧等参数，保持反应器内的环境稳定。
4. 维护清洁：a. 定期清洗反应器内部，去除废水中的沉淀物和污泥。
b. 定期检查反应器内部的搅拌器、气体供应系统和膜组件，确保其无损坏和漏水现象。
c. 定期对膜组件进行清洗，去除附着在膜面上的污染物。
5. 故障处理：a. 发现设备故障时，应立即停止废水的进水和继续操作，并通知维修人员进行维修。
b. 在维修期间，应关闭废水的进水阀门，以防止故障扩大和影响其他设备的正常工作。
6. 定期维护：a. 每年对MBR膜生物反应器进行全面维护和检修，包括更换损坏或寿命到期的设备和部件。
b. 定期对设备进行润滑和保养，保证其正常运行并延长使用寿命。
7. 安全操作：a. 操作人员应经过专业培训，了解设备的操作规程和安全事项。
b. 操作人员应佩戴防护装备，如手套、防护面罩等，以防止接触有害物质和化学品。
c. 在操作过程中，严禁吸烟、饮食和乱扔垃圾，保持操作区域的整洁和安全。
第四章 微生物反应器操作习题答案
第四章微生物反应器操作习题答案4．答：连续培养的稳定状态，是指菌体的生长与反应液的排放、基质的流加与反应消耗及 反应液排放、产物的生成与反应液排放达到了动态平衡，因此菌体浓度、基质浓度、产物浓度保持恒定，即，并不一定是稳定状态。
如菌体因生长环境不利出现了死亡时，也满足，但不能说是稳定状态，此时是一种静止状态，而不是动态平衡。
5．解：诱导期结束时的菌体量：X = X0 + X AO □ X DO = X0 + f A X0 □ X DO = (1+ fA )X0-X DO菌体在t l 时间后开始指数型繁殖，因此边界条件： t = t l , X = (1+ f A )X0 □ X DO积分，得X = [(1+ f A )X0 □ X DO ]exp[μ (t □ t l )]，如图所示。
当f A = 0, X = (X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )] ；当f A = 0.2, X = (1.2X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]当f A = 0.4, X = (1.4X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]当f A = 0.6, X = (1.6X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]当f A = 0.8, X = (1.8X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]6．答：设菌体生长比速为μ，菌体浓度为X，则菌体生长速率为μX。
为保证菌体生长速率 不变，应采取指数流加方式，控制稀释率D = μ ，此时流加操作可达到拟稳态，菌体生长速率DX = uX 。
7．答：微生物的生长可用莫诺方程表达，即分批培养中菌体生长速率连续培养中菌体生长速率：由此可见，有抑制作用时，菌体最大产率下降，D max 下降。
10 解：生长符合莫诺模型，故14．解：由实验数据可知，菌体浓度不断下降，流加操作为动态过程。
对流加操作中的菌体进行衡算：。
环境工程原理总结2011.11
第I 篇环境工程原理基础第二章质量衡算与能量衡算第二节质量衡算◆质量衡算的三个要素：划定衡算系统；确定衡算对象；确定衡算基准；◆稳态系统和非稳态系统的特征当系统中流速、压力、密度等物理量只是位置的函数，不随时间变化，称稳态系统；当系统中流速、压力、密度等物理量不仅随位置变化，而且随时间变化，称非稳态系统。
◆质量衡算的基本关系式：见（2.2.4）p29第三节能量衡算◆封闭系统和开放系统封闭系统：与环境没有物质交换的系统开放系统：与环境既有物质交换又有能量交换的系统第四章热量传递第一节热量传递的方式◆根据传热机理的不同，热的传递三种方式的特点1、热传导：条件：物体各部分之间无宏观运动机理：通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。
在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的方式和机理不同。
气体的热量传递方式：不规则热运动时相互碰撞固体的热量传递方式：两种方式：晶格振动、自由电子迁移液体的热量传递方式：分子振动、分子间的相互碰撞2、对流传热：流体中质点发生相对位移引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。
对流与热传导的区别：流体质点的相对位移。
自然对流传热强制对流传热3、辐射传热：物体由于热的原因而发出辐射能的过程。
能量传递的同时又有能量的转化，不需要任何介质作媒介。
第二节热传导◆傅立叶定律的意义和适用条件意义：见（4.2.2）适用条件：平壁和圆管壁的稳态热传导◆多孔材料具有保温性能◆若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，分析应如何布置效果最好。
第三节对流传热◆对流传热的机理、传热阻力的分布及强化传热的措施机理：流体中质点发生相对位移引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。
传热阻力的分布：层流底层（热传导）、缓冲层（热传导、对流传热）、湍流中心（对流传热）强化传热的措施：减小层流底层◆影响对流传热的因素：物性特征；几何特征；流动特征◆保温层的临界直径和保温层的临界厚度。
什么情况下保温层厚度增加反而会使热损失加大（保温层外径小于临界直径）？保温层的临界直径由什么决定（导热系数与对流传热系数的比值）？◆间壁传热热阻包括哪几部分？若冷热流体分别为气体和液体，要强化换热过程，需在哪一侧采取措施？（1）两侧流体的对流传热热阻、污垢热阻、间壁导热热阻。
第五章 微生物反应器操作(简)
Yx / s ⋅ F ⋅ [ S ]in ⋅ t + V0 ⋅ (Yx / s ⋅ [ S ]0 + X 0 ) （5-26） (4 − 26) 可知，t时的菌体浓度为X = F ⋅ t + V0 这种流加方式的最大特 点是微生物进行线性生 长（line arg rowth)，即 d (V ⋅ X ) = K L (一定)(4 − 27) dt 式中，KL为线性生长速率常数。 一般地，在线性生长阶 段，基质浓度相当低。
10
5.2.2 状态方程
一般微生物的最适温度、最适pH值范围较窄。生长中一般采用定值 控制。在这样的条件下，可以认为分批培养过程中的动态特性取决于基质 与微生物浓度（接种量）及微生物反应的诸如比速率的（初始值）。因此 支配分批培养的主要因素是基质与微生物的浓度的初始值。 分批式微生物反应过程分析中，需观察X、[S]和[P]等随时间的变化情 况。由于不可能研究所有反应液成分随时间的变化，因此应选择与产物P 关系最为密切的底物S作为观察的对象。必要时，可观察两种基质浓度的 变化。好氧反应中，溶解氧浓度（DO）随时间的变化也是很重要的参数。 分批操作中rx，rs，rp， μ， γ，π等变量值，可从分批操作中的相 应时间变化曲线中求得。
9
5.2.2 状态方程
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 d[S ] = −γ X ( 5 − 8) 基质： dt dX ( 5 − 9) 菌体： = μ X dt d [ P] =π X (5 −10) 产物： dt ⎤ ( PO 2)in ( PO 2)out F ⎡ − O2 : QO 2 X = ⎢ ⎥ (5 − 11) V ⎣ pall − ( PO 2)in－( PCO 2)in pall − ( PO 2)out－( PCO 2)out ⎦ ⎤ F ⎡ ( PCO 2)out ( PCO 2)in − ⎢ ⎥ (5 − 12) all − ( PO 2 ) out－( PCO 2 ) out all − ( PO 2 )in－( PCO 2 )in ⎦ V ⎣p p 式中：F − 惰性气体流速；V − 反应液总体积；Pall − 气体总压力； （PO 2)out − 排气中氧的分压；（PO 2)in − 进气中氧的分压； CO2 : QCO 2 X = （PCO 2)in − 进气中CO 2的分压；（PCO 2)out − 排气中CO 2的分压； [S [P 当t = 0时， ] = [ S ]0；X = X 0； ] = 0；γ = γ 0 ; μ = μ 0；π = π 0；QO 2 = (QO 2 ) 0；QCO 2 = (QCO 2 ) 0；
细胞生物反应器操作规程
细胞生物反应器操作规程1. 引言细胞生物反应器是一种用于细胞培养和生物反应的设备，广泛应用于生物技术、药物研发和生物制造等领域。
为了确保细胞生物反应器的安全运行和实验的顺利进行，制定本操作规程，指导操作人员正确操作细胞生物反应器。
2. 设备准备2.1 细胞生物反应器的准备•检查细胞生物反应器的外观，确保无损坏和杂质•清洗细胞生物反应器，使用无菌纯水和无菌洗涤剂进行彻底清洗•消毒细胞生物反应器，使用适当浓度的消毒液，按照消毒液说明书进行消毒2.2 培养基和试剂的准备•准备所需的培养基和试剂，确保其质量合格和纯度符合要求•按照配方和操作规程正确配置培养基和试剂2.3 实验室环境的准备•检查实验室环境，确保无尘、无菌和温度、湿度适宜•细胞生物反应器与其他实验仪器保持适当的距离，避免相互影响3. 细胞生物反应器操作3.1 细胞接种•准备合适的细胞培养物，确保其活性和纯度•将细胞培养物转移到培养基中，按照所需的细胞密度进行接种3.2 培养条件的设置•根据实验要求，设置适宜的温度、气体和培养基流速等培养条件•确保细胞生物反应器的搅拌速度和通气速度符合要求3.3 监测细胞生长和反应过程•定期监测细胞生长情况，记录生长曲线和细胞密度•注意观察细胞状态、代谢产物和废料的积累情况3.4 维持培养条件•定期检查和调整培养基和试剂的浓度和配比•确保培养基的pH值、温度和氧气浓度稳定在适宜范围内3.5 细胞收获和处理•在适当的时间点，根据实验要求采集细胞样品•使用无菌工具和操作方式，将细胞样品抽取或离心收集4. 维护和清洁4.1 细胞生物反应器的维护•定期检查细胞生物反应器的运行状况，确保无故障和损坏•按照使用说明书和操作要求更换消耗品和零配件4.2 细胞生物反应器的清洁•实验结束后，立即清洗细胞生物反应器，避免污垢和细胞残留物的附着•使用适当的清洗剂和工具进行清洁，保持反应器的干净和无菌状态5. 安全注意事项•操作前请佩戴个人防护装备，如实验手套、口罩和防护眼镜等•操作过程中注意细胞生物反应器和培养基的无菌操作，避免污染•注意消毒液和试剂的正确使用和储存，避免危险和污染•遵守实验室操作规程，注意使用细胞生物反应器时的安全操作6. 总结本操作规程对细胞生物反应器的操作流程和注意事项进行了详细介绍，目的在于规范操作流程，确保实验的顺利进行和实验结果的可靠性。
第4章微生物反应器操作
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
2）反复分批式操作
分批操作完成后，剩 余部分反应物料，不全部 取出，重新加入一定量的 基质，再按照分批式操作 方式培养，反复进行。
例如：基于高密度培 养的反复分批发酵法生产 丁二酸
反复分批式操作过程中基质的体积变化
0～t1辅助时间； t1～t2流加培养基时间； t2～t3培养时间； t3～t4放料时间；
t4～t5再次加料时间。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
3) 半分批式操作
又称流加操作，先将一定 量基质加入反应器内，在适宜 条件下接种，反应过程中将特 定的限制性基质按照一定要求 加入到反应器内，以控制限制 性基质保持一定，当反应终止 时取出反应物料的操作方式。 例如：酵母、淀粉酶、某些氨 基酸和抗生素等采用这种方式 进行生产。
生物反应工程原理
第四章 微生物反应器操作
4 微生物反应器操作
1.微生物反应器操作方式的分类与特点 2.分批式操作 3.流加式操作 4.连续式操作
学习目的： 了解不同反应器操作方式的特点，掌握分批、 流加
和连续操作的方法，明确不同操作方式中各参变量的基本 变化规律，能够依据目标产物与工艺的要求选择培养方法。
适用于实验室中的平板培养法和震荡培养。 通气与搅拌可有效增加氧的供应。 例如：谷氨酸发酵。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
①液体表面培养（如使用浅盘）；
微生物在液体培养基表面生长。液体培养基上接种霉菌 或放线菌，在培养基表面可由长出的气生菌丝形成菌盖，所 以也称为静置培养（对应于振荡培养）。
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。
4-2-1生长曲线
生物反应工程复习
7米氏方程 快速平衡法假设：（1）CS»CE ，中间复合物 ES 的形成不会降低 CS （ 2）不考虑 E S 为快速平衡，ES E PES 分解成产物不足解之-殍Jr —ES 为整个反应的限速阶段，因此以破坏这个平衡稳态法假设：（1）CS>>CE ，中间复合物 ES 的形成不会 降低CS （ 2）不考虑双倒数法（Li d eW\E ear Burk ）: 对米氏方程两侧取倒数0 得1 1 K m 1max A失活作用（不可逆抑制） 抑制作用（可逆抑制 竞争抑制反应机理：非竞争抑制反应机理： 可逆抑制各自的特点： 多底物均相酶反应动力学:竞争抑制、反竞争抑制双底物双产物反应机制:、:I . —^7^. 汪意1作图S以，截距为CKm 和口 rmax得一线，m 直线斜I 率为C s 根据直线斜率和截距可计算出抑制剂对酶反应的影响：、非竞争抑制混合型抑制快速平術法惟字动力学专租 r ~獻£占甲 论：双底物强制有序机制 -钱氏机制 随即有序机制A B ^P Q生 物 反 应 工 程 原 理 复 习 资 料生物反应过程与化学反应过程的本质区别在于有生物催化剂参与反应。
生物反应工程是指将实验室的成果经放大而成为可提供工业化生产的工艺工程。
酶和酶的反应特征酶是一种生物催化剂，具有蛋白质的一切属性；具有催化剂的所有特征；具有其特有的催化特征。
酶的来源：动物、植物和微生物 酶的分类：氧化还原酶、水解酶、裂合酶、转移酶、连接酶和异构酶 酶的性质：1）催化共性：①降低反应的活化能②加快反应速率③不能改变反应的平衡常数。
2） 催化特性：①较高的催化效率②很强的专一性③温和的反应条件 易变性和失活3） 调节功能：浓度、激素、共价修饰、抑制剂、反馈调节等固定化酶的性质固定化酶：在一定空间呈封闭状态的酶，能够进行连续反应，反应后可以回收利用。
与游离酶的区别： 游离酶-…一般一次性使用（近来借助于膜分离技术可实现反复使用）固定化酶--能长期、连续使用（底物产物的扩散过程对反应速率有一定的影响；一般情况下稳定性有所提 高；以离子键、物理吸附、 定，再生”活性） 固定化对酶性质的影响： 化单底物均相酶反应动力学疏水结合等法固定的酶在活性降低后，可添加新鲜酶溶液，使有活性的酶再次固底物专一性的改变 、稳定性增强 、最适pH 值和最适温度变化、动力学参数的变 P37顺序机制C=■在工业级反应中， 反应速度一般是由改变所用 酶浓度和（或）反应时间，而不是改变底物浓度来控制的，并且要测定的最重要参数是可测的转化率，而不是反应速度酶失活的因素有哪些？I 半连续反应器批式全混型反应器（间歇式搅拌罐反应器）（ 连续全混型反应器（连续式搅拌罐反应器）（活塞流反应器（plug flow reactor ， PFR ）全混流一一流入的液体在装置内瞬间完全混合。
微生物反应器20161015
max S D Ks S
Ks D S max D
(6.1.24)
(6.1.25)
6.1 悬浮微生物反应器
3.反应器内细胞浓度的计算方程 生长限制性基质的物料衡算式可表示为：
qVS0＝qVS＋(－rS)V (6.1.26)
D( S 0 S ) X s
－rs＝－νSX D＝μ＝－νsYx/s
第六章 微生物反应器
微生物反应器特点与分类
• 什么叫微生物反应器？ 微生物反应器是利用微生物的生命活动来实现物 质转化的一种反应器。关于反应器分类和操作的一 般理论都适用于微生物反应器。 • 微生物反应器有什么特点？ 活性微生物既是生物反应的产物，同时又参与反 应从而影响反应速度（类似于化学反应中的自催化 反应）。
(6.1.1) (6.1.2) 解联立方程即可求出X和S随时间的变化 但因间歇培养过程中，细胞和基质浓度均随时间变化而变化， 方程式的解析非常困难，一般需要利用数值解析法。
6.1 悬浮微生物反应器
间歇操作的简化解析
* 简化方法：忽略mX项，以YX/S代替 YX/S ，并认为YX/S为恒定值
dS rX * mX X dt YX/S
dS rX dt Y X/S
dS 1 dX dt Y X/S dt
S0 S
1 Y X/S
(X X0)
令X´＝X0+S0YX/S
S0Y X/S X X 0 X X S Y X/S Y X/S
6.1 悬浮微生物反应器
X X S Y X/S
代入式（6.1.1），积分可得：
微生物比增长速率的计算以分离器为对象对微生物进行物料衡算eee1vvvvvqxqxxqxqq?????????eee11vvvvqqxxqq?????????????????????????????1111vveevveqqxxqqd????6158当xe0即上清液不含微生物细胞时vve11qqd?????61悬浮微生物反应器vve1qq?????当xex1即分离器对细胞没有浓缩作用时d??当qveqv时即不排出微生物细胞浓缩液时xxde??6133多级串联完全混合微生物反应器假设条件3中微生来自及基质浓度的时间变化曲线
第四章 微生物反应器操作
杯式补料系统
生产车间计算机 控制室
流加培养操作
应用举例
消除快速利用碳源后，造成的阻遏效应，维持罐内良 好的需氧发酵条件。
避免培养基中某些成分的毒害作用。
生产酵母培养基中含有麦芽汁过多，开始导致细胞 的过速增长，同时细胞对氧气的需求大于设备提供 的能力，是培养系统成为厌氧条件，是酵母产生乙 醇，导致抑制细胞的生长，成为阻遏效应。 同理，面包酵母如果添加葡萄糖超过某一值时，也 会产生此效应。 青霉菌发酵生产青霉素，要求精确的控制葡萄糖的补入 速率。生长期是葡萄糖的含量适宜。而在生产期控制补 料速率，使青霉素的合成速率达到高值。 另一方面，产物前提物的添加，有利于产量的提高，担 当此物质对细胞的生长有毒害作用使，应采用缓慢的加 料方式，如苯乙酸钠。
4.2.1 生长曲线
分批培养中微生物的生长曲线如图 4-2 。 随培养的进行，基质浓度下降，菌体量增加， 产物量相应增加。分批式培养过程中，微生物 的生长可分为： 1、迟缓期（lag phase)； 2、对数生长期（lagarithmic growth phase）； 3、减速期（fransient phase）； 4、静止期（stationary phase）； 5、衰退期（decline phase）5个阶段。
由上式可知
1
Xi Xf
产物浓度的衡算为
PiV Pf V Pf V 1
Pi Xi Pi Pf Xf Pf
产物的生产能力
PRB Pf Pi t RB
Pf
t RB
其培养过程中基质体积变化曲线如图41c所示流加式操作是指先将一定量基质加入反应器内在适宜条件下将微生物菌种接入反应器中反应开始反应过程中将特定的限制性基质按照一定要求加入到反应器内以控制限制性基质保持一定当反应终止时取出反应物料的操作方式酵母淀粉酶某些氨基酸和抗生素等采用这种方式进行生产
第五章 微生物反应器操作
d (VX ) dt
K（L 一定）
式中KL是线性生长速率常数。普通，在线性生长阶 段，基质浓度相当低。
二、指数流加操作
经过采用随时间呈指数性变化的方式流加 基质，维持微生物菌体的对数生长的操作方 法称为指数流加操作。此时，以满足μ等于定 值为基础，流加基质，由Monod方程可取得 S=常数。此时，由于dX/dt=0，结合前述的 拟动摇形状条件，有如下方程式
分批式培育中微生物的生长曲线
5.2.2 形状方程式
分批式培育进程的形状方程式〔环境进程的形状方程 式〕可表示为： 基质：dS/dt=-yX 菌体：dX/dt=μX 产物：dP/dt=X
氧：
CO2： OUR
Qo2 X
F V
Pall
Po2 in Po2 in Pco2 in
Pall
Po2 out Po2 out Pco2 out
当 t = 0 S S0 ; X X 0 ; P 0; 0 ;
时
0;
0;
Qo2 (Qo2 )0 ;
Qco2 (Qco2 ) 0
普通微生物的最适温度、最适pH的范围较窄。 例如，Calam等人研讨了温度对产黄青霉 〔Penicillum chrysogenum〕生长速率和青霉 素生成速率的影响，发现最适生长温度为30℃， 停止呼吸的最适温度为21.7～28.6℃，产物青霉 素的最适生成温度为24.7℃。消费中普通采用定 值控制。在这样的条件下，可以以为分批培育进 程中的静态特性取决于基质与微生物浓度〔接种 量〕及微生物反响的诸比速率的初始值，因此， 支配分批式培育统的主要要素是基质与微生物的 浓度的初始值。
恒化器法是指在延续培育进程中，基质流减速度 恒定，以调理微生物细胞的生长速率与恒定流量相 顺应的方法。
生物反应器操作指南
齐志BC-7L生物反应器操作指南一、清洗玻璃罐体及补料瓶等玻璃器皿先用洗洁精浸泡清洗，然后用自来水将洗洁精彻底冲洗干净后，再用浓硫酸/重铬酸钾洗液浸泡过夜，取出后用自来水冲洗10遍以上，纯化水冲洗6遍以上。
不锈钢罐盖及不锈钢管，快接头，硅胶管，瓶盖等材料先用洗洁精浸泡清洗，然后用自来水将洗洁精彻底冲洗干净后，再用1%氢氧化钠溶液浸泡过夜，取出后用自来水冲洗10遍以上，纯化水冲洗6遍以上。
清洗时使用软布或软刷，碱液或酸液浸泡时，要保证管路及内壁等充分浸泡到。
筛网清洗存放时要小心，不要被硬物划破，有条件的话，用氢氧化钠溶液煮沸清洗或放在氢氧化钠溶液中超声波清洗。
pH电极用纯化水清洗干净后，将电极头部浸泡在饱和KCl溶液中，放在电极包装盒内。
溶氧电极用纯化水清洗干净后，沥干放在电极包装盒中。
温度电极一般不需要清洗，妥善放置即可。
清洗后的上述设备若要马上准备投入使用，则装配连接后灭菌待用。
若暂时一段时间不用，既可以装配连接灭菌后放置也可以彻底烘干后放置。
二、罐体装配及管路连接罐体清洗后，给罐内装入约2L的PBS(要保证液位没过DO及pH电极)。
将罐盖与罐体底座的螺丝孔对好，旋入配套的螺丝，先用手适度拧紧后再用内六角工具对角均匀拧紧。
罐盖固定好后，将排气瓶，补料瓶，碱瓶，取样瓶等用硅胶管或快接头与罐盖上的相应接口连接起来。
pH及DO电极清洗校正后，也慢慢小心插入到相应的接口中，用手拧紧即可。
切勿使用扳手等工具，防止用力过度损坏电极。
三、校正电极将pH 和DO电极与控制柜上的电极线连接起来，用管理员权限登陆控制系统，切换到电极校正界面。
pH电极校正：pH电极用纯化水清洗干净，轻轻用滤纸吸干水分(切勿摩擦pH敏感膜)。
ZERO校正：用6.86缓冲液，校正值设为6.86。
将pH电极放入到准确可靠的6.86缓冲液中，待PV值稳定后，按下ZERO键，等待PV值变为6.86后，再进行SPAN校正。
SPAN校正：用9.18缓冲液，校正值设为9.18。
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当 t=0 S S0; X X 0; P 0; 0;
时
0;
0;
Qo2 (Qo2 )0 ;
Qco2 (Qco2 )0
一般微生物的最适温度、最适pH的范围较窄。 例 如 ， Calam 等 人 研 究 了 温 度 对 产 黄 青 霉 （Penicillum chrysogenum）生长速率和青霉 素生成速率的影响，发现最适生长温度为30℃， 进行呼吸的最适温度为21.7～28.6℃，产物青霉 素的最适生成温度为24.7℃。生产中一般采用定 值控制。在这样的条件下，可以认为分批培养过 程中的动态特性取决于基质与微生物浓度（接种 量）及微生物反应的诸比速率的初始值，因此， 支配分批式培养统的主要因素是基质与微生物的 浓度的初始值。
CO ： 2
CER
Qco2 X
F V
Pall
Pco2 out Po2 out Pco2 out
Pall
Pco2 Po2 in
in
Pco2
in
上式中， F为惰性气体流速， V为反应液总容积， Pall为气体总压力， (Po2)out为排气中氧的分压， (Po2)in为进气体中氧的分压， (Pco2)in为进气体中C02的分压， (Pco2)out为排气中CO2的分压。
4.2.1 生长曲线
分批培养中微生物的生长曲线如图4-2。随 培养的进行，基质浓度下降，菌体量增加，产 物量相应增加。分批式培养过程中，微生物的 生长可分为： 1、迟缓期（lag phase)； 2、对数生长期（lagarithmic growth phase）； 3、减速期（fransient phase）； 4、静止期（stationary phase）； 5、衰退期（decline phase）5个阶段。
分批式培养中微生物的生长曲线
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：dS/dt=-γX 菌体：dX/dt=μX 产物：dP/dt=πX
氧： OUR
Qo2 X
F V
Pall
Po2 in Po2 in Pco2 in
Pall
Po2 out Po2 out Pco2 out
4.2 各种反应器操作类型
分批式操作
是指基质一次性加入反应器内，在适宜 条件下将微生物菌种接入，反应完成后 将全部反应物料取出的操作方式。
反复分批式操作
反复分批式操作是指分批操作完成后， 不全部取出反应物料，剩余部分重新加入一 定量的基质，再按照分批式操作方式，反复 进行。其培养过程中基质体积变化曲线如图 4-1c所示 。
反复流加式操作是指流加操作完成后， 不全部取出反应物料，剩余部分重新加 入一定量的基质，再按照流加操作方式 进行，反复进行。其培养过程中基质体 积变化曲线如图4-1d所示。
连续式操作
连续式操作是指在分批式操作进行到一定 阶段，一方面将基质连续不断地加入反应器内， 另一方面又把反应物料连续不断的取出，使反 应条件（如反应液体积等）不随时间变化的操 作方式。活性污泥法处理废水、固定化微生物 反应等多采用连续式操作。连续培养过程中基 质体积变化曲线如图4-1e 所示。
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） 。
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。
培 养 过 程 中 基 质 体 积 变 化
优点
不足
应用的场合
反 应 器 操 作 特 点
分 设备制作费用低； 批 同一设备可进行多种产品生产； 式 高收率（若能对培养过程了解的 操 深入）； 作 发生杂菌污染或菌种变异的几率
低。
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。
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。
流 高通融性； 加 可任意控制反应器中的基质浓度 式； 操 可确保微生物所需的环境； 作 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。
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。
培养方式分类： 分批式操作（batch operation） 反复分批式操作（repeated batch operation） 流加式操作（fed-batch operation） 反 复 流 加 式 操 作 （ repeated fed-batch
operation） 连续式操作（continuous operation)
种接入反应器中， 反应开始，反应过程中将特定的限制性基 质按照一定要求加入到反应器内，以控制 限制性基质保持一定，当反应终止时取出 反应物料的操作方式 。
酵母、淀粉酶、某些氨基酸和抗生素等采 用这种方式进行生产。
反复流加式操作
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。
连 易机械化、自动化； 续 节约劳动力； 式 反应器体积小（由于无非生产准 操 备时间）； 作 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。
第四章 微生物反应器操作
主要内容 1、微生物反应器操作基础 2、分批操作 3、流加操作 4、连续操作
4.1 微生物反应器操作基础
微生物培养过程根据是否要求供氧，分为 厌氧和好氧培养 。
好氧培养可采用以下几种方法： （1）液体表面培养（如使用浅盘）； （2）通风固态发酵； （3）通氧深层培养。
深层培养