生物反应工程 第四章

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。
4.2.3 反复分批操作
反复分批操作系统（图4-3）中培养液 体积为V，培养液取出率为，滤液取出率为， 由于V一定，所以培养液加入量为。为确保 菌体初始浓度一定，有必要将流出液中部分 含菌体的培养液取出，此时菌体量的衡算式 为：
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=-yX 菌体：dX/dt=μX 产物：dP/dt=X
氧：
OUR Qo2 X
F V
Po2 in Po2 out Pall Po2 in Pco2 in Pall Po2 out Pco2 out
Pf
t RB
由上式可知，为提高产物生产能力，可采取提 高或减少tRB。
4.3 流加操作
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。
Y X S FSint V0 (Y X S S 0 X 0 ) Ft V0
这种流加方式的最大特点是微生物进行线型生长 （linear growth），即
d (VX ) K（一定） L dt
式中KL是线性生长速率常数。一般，在线性生长阶 段，基质浓度相当低。
二、指数流加操作
通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 获 得 S= 常 数 。 此 时 ， 由 于 dX/dt=0，结合前述的拟稳定状态条件，有如下方程 式
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
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
4.2 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。
培 养 过 程 中 基 质 体 积 变 化


半分批式操作 又称流加操作，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。
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。
X iV X f V X f V
反复分批操作示意图
由上式可知
1
Xi Xf
产物浓度的衡算为
PiV Pf V Pf V Pf V
由上式，滤液取出率为
1
Pi Xi Pi Pf Xf Pf


产物的生产能力
PRB Pf Pi t RB
4.3.1 无反馈控制的流加操作
采用这种操作方式时，基质的流加按预先设 置好的条件进行。因此，表达系统的数学模型是 否正确成为反应成败的关键。最简单的微生物的 生长速率为
d (VX ) VX dt
作为流加基质的平衡式，有
d (VS) 1 d (VX ) FSin mVX dt YX S dt
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：
4.4 连续式操作
连续操作有两大类型，即CSTR（continuous stirred tank reactor）型和CPFR(continuous plug flow tulular reactor）型。 根据达成稳定状态的方法不同，CSTR型连 续操作，大致可分为三种。一是恒化器法 （chemostat），二是恒浊器法（turbidstat）， 第三是营养物恒定法（nutristat）。
F V

CO2：
CER Qco2 X
Pco2 out Pco2 in Pall Po 2 out Pco2 out Pall Po 2 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。 当t=0时
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。
恒化器法是指在连续培养过程中，基质流加速 度恒定，以调节微生物细胞的生长速率与恒定流量 相适应的方法。
恒浊器法是指预先规定细胞浓度，通过基质流 量控制，以适应细胞的既定浓度的方法。营养物恒 定法是指通过流加一定成分，使培养基中的营养成 分恒定的方法。实际应用中多采用恒化器法 。
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)
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 流 加 式 操 作
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。
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。
0 ;
S S0 ;
0;
X X0;
P 0;
0;
Qo 2 (Qo 2 ) 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。
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 。 反复半分批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。
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 连 续 式 操 作
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Leabharlann Baidu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。
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 定义如下： 1 d ( XV ) XV dt
1 d (VS) FSin dt XV
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。
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。
优点
不足
应用的场合
甘油为基质进行阴沟肠杆菌 （Enterobacter cloacae）定流量流加培养 的实验结果与计算机模拟结果如前图。图中 （a）是甘油水溶液为流加基质的结果，如图 4-4所示的那样，菌体浓度一定（XV以直线方 式增加）。图中（b）甘油直接为流加基质， 与甘油水溶液的不同，流加的基质全部被消 耗，反应液的体积V一定，菌体浓度X按照直 线方式增加。此时，确保了高浓度培养的成 功。
S in
X f V f X 0V0 Y X S (V f V0 )
拟稳定状态下初始流加速度F0 可由（4-24） 给出。
F0
V 0 X 0
S inY X
S
微生物每次培养都可能有微妙的变化，因 此，无反馈控制的流加操作适用范围很窄。
4.3.2 有反馈控制的流加操作
阴沟肠杆菌定流量流加培养
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。时间时，，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
分 批 式 操 作 特 点
分 分 批 式 操 作
设备制作费用低； 同一设备可进行多种产品生产； 高收率（若能对培养过程了解的 深入）； 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。