5微生物反应器操作
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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。
V
V
V
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。当微生物反应存在底物抑制时，初期底物浓度高不利于反应。后期底物浓度过低，则反应速度很低。
在流加式操作中，基质浓度控制在一定水平，避免了底物抑制问题。流加过程中反应液体积是变化的。流加式操作可达到拟稳态。
在连续式操作中，反应液体积V 、底物浓度S 、菌体浓度X 、产物浓度P 保持恒定，连绵式操作是一个稳态过程。 5.1.3 不同操作方式的优缺点 见教材73页表5-1。
5.2连续式操作
连续式操作有两大类型，即CSTR 型和CPFR 型，CPFR 型多用于酶促反应过程，微生物反应的连续式操作多采用CSTR 型。
根据达成稳定状态的方法不同，CSTR 型连续操作，大致可分为以下3种： 恒化器法：指连续培养过程中，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：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：指通过流加一定成分，使培养基中的营养成分恒定的方法。
5.2.1 恒化器法单级连续操作 5.2.1.1 数学模型
图5－4所示的单级CSTR 培养系统中，流入液中仅一种成分为微生物生长的限制性因子，其他成分在不发生抑制的条件下充分存在。
图5－4 单级CSTR 培养系统
菌体的物料衡算式：变化量 = 流入量+生长量 流出量
即：FV X V dt
dX
V
-μ= （5－1） 限制性基质的物料衡算式：变化量=流入量-流出量－消耗量
即X V S FS dt
dS
V
out in γ--= （5－2） 产物的物料衡算式：变化量=流入量＋生成量-流出量
即：FP X V dt
dP
V
-π= （5－3） （5－1）式～（5－3）式两边同除以V ，则
X D dt dX
)(-=μ （5－4） X S S D dt dS
out in γ--=)( （5－5） DP X dt
dP
-π= （5－6） 式中 D 为稀释率，V
F
D =
稳定状态下，0===dt
dP
dt dS dt dX ，因此
D=μ （5－7） )(/out in S X S S Y X -= （5－8）
)(/out in S P S S Y P -= （5－9）
若微生物生长符合莫诺模型，则
D
D
K S S out -=
max μ （5－10）
（5－7）式～（5－10）式为恒化器法单级连续培养的数学模型。稀释率D 是一个重要的操作参数。根据上述方程可知当D 确定时，μ、S 、X 、P 即可唯一确定。D=F/V ，因此，当反应液体积一定时，可通过控制流量F 来控制μ、S 、X 、P ，这正是恒化器法又被称为外部控制方法的缘故。 5.2.1.2连续稳态操作条件：
D 的取值是有限制的，即应有in
S in
crit S K S D D += 式中，crit D 为临界稀释率。 微生物反应一般是在S in K S >>条件下进行的，所以max μ≈crit D 当D >crit D 时，根据（5－4）式可知，反应器中菌体终将全部被冲出(wash-out)，称