2020年第五章 微生物反应器操作参照模板
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。
4a. 生物反应器的操作模型
c X c X 0
1
K s cS 0
YX / S
c X c X 0
YX / S cS 0 c X c X 0 max YX / S K s YX / S cS 0 c X c X 0
YX / S K s YX / S cS 0 cX cX 0 1 max tr dcX cX 0 YX / S cS 0 cX cX 0 cX
2、反应时间的计算
物料衡算：反应组分的转化速率＝－反应组分
的累积速率
dnS VR rS dt
1 dns 1 d VR cS rs VR dt VR dt
dc S rs dt
2、反应时间的计算 dc S rs dt
t＝0，cS＝cS0
dcs tr cs 0 r s
0
1 rmax tr Cs0 X s K m ln 1 X s
或
rmaxtr (Cs0 Cs ) Km ln
Cs0 Cs
Cs0 Km
Cs0 Km
Cs0 1 rmax tr Km ln Km ln 1 X s Cs
rmaxtr Cs0 X s Cs0 Cs
CP CS 0 X S Pr t t
YP , Pr , CP是三个重要参数, 通常用作优化的目标函数
4.2 分批操作的搅拌槽式反应器(BSTR)
1、BSTR（间歇操作）的特点 （1）反应过程主要特点： 封闭系统进行的过程 非稳态过程 反应器内物料具有相同的停留时间 和反应时间 反应器的效率随反应的进行而降低
第4章 生物反应器的操作模型
4.1操作模型概论 4.2 分批操作的搅拌槽式反应器(BSTR)
微生物实验器材与基本操作ppt课件
.
接种环接种
1、接种环在酒精灯外焰上充分烧红，金属棒部分转动 着通过火焰3次。 2、火焰边上打开菌种试管或培养皿，培养基上或玻璃 管壁上稍作冷却。 3、挑取菌体，迅速接到新的培养基上。 4、接种环通过火焰烧红灭菌，还原。 5、适当条件下培养
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移液器接种
1、将移液器容量调到所需数值，竖直装上合适吸头。 2、酒精灯旁，左手拿培养液，右手小指与手掌夹住培 养液的盖子、打开培养液的盖子，洗去一定量的样品， 盖回盖子。 3、在酒精灯旁，将样品接种到试管或三角瓶中。 4、轻轻混匀，放入合适温度的摇床或培养箱中培养， 摇床记得调转速。
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注意事项
1、接完后灼烧时，先将近环处镍丝置于火焰中，是热 导向接种环。如果直接烧灼，环上残余的菌液会因突 然受高温而爆裂四溅。 2、沾有酒精的涂棒只需在火焰上过一下，一旦酒精点 燃后，就离开火焰。 3、涂布平板法所用的菌液量为50~200ul，不可太多。
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4、小心取无菌实验物品，避免造成污染。（勿碰触吸 管、吸头的尖头部或容器瓶口，也不要在打开的容器 上方操作实验。） 5、尽量不要将瓶盖盖口朝上放置于桌面。
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高压蒸汽灭菌法
1、在高压锅内加入一定量的水，将包扎好的 物品放入物品框中。
2、接通电源，进行加热。 3、将排气阀打开，待排出大气后关闭排气阀； 或关闭排气阀，待压强升到0.5kg/cm2时，再 打开排气阀，待压强回到0时关闭排气阀。 4、压强达到1kg/cm2时，灭菌锅内的温度为 121℃，维持20~30min。 5、灭菌时间一到，切断电源，待压强降至0打 开排气阀，然后打开灭菌器盖，取出物品。
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（三）斜面培养基的配制
1、按液体培养基配制1~3步操作，调好PH， 定容 2、称量
微反应器PPT课件
气液相微反应器
降膜式微反 应器
Heat exchanger medium supply and withdrawal
Liquid supply
LIGA-dispersion unit attached to backside of reaction plate
Gas supply
Segmented Gas/Liquid flow
5、结语
以往不得不小心翼翼
操作的易失控反应被
改造成安全高效的工 艺
B
低温反应不再是“低
温”反应
A
以毫秒级的停留时间进行反 应，充分防止了高度活泼的
E
过渡态中间体的分解
很多常规反 应器很难操 作的反应， 微反应器技 术提供了新 的解决方案
缓慢的反应被提高到以往不敢想 像的温度和压力下快速进行
C
原本因选择性不高而缺
2.3 气液固三相反应器
保证在整个反应器中 气体在液体中的分散 要求气－液－固大的
净接触面积 沿着反应通道低的压力降
气液固三相反应器
• 固体为催化剂,气体和液体为反应物或产物 在整个反应中气体在液体中的分散 气液固有较大的净接触面积 沿着反应通道具有低的压力
• 代表：麻省理工学院 气液固三相催化反应的微填充床反应器
3.1 应用例子1—纳米微粒的制备
纳米颗粒制备示意图
混合效果直接控制晶核的 形成和成长
改变反应管径可以得到 不同的颗粒大小
温度对反应很敏感，微 通道反应器传热性能好，
可实现等温操作
纳米微粒的制备
1.利用微通道有效地快速混合和精确的温度控制可以得到比常规反应釜更细小， 粒径分布更窄的纳米颗粒。并且通过调节，我们能更有效地控制颗粒的大小。同 时，可用于研究微粒的生长机理。
微生物实验室标准操作程序范文
微生物实验室标准操作程序范文一、实验室安全操作规范1. 实验室进入与离开规定a. 所有进入实验室的人员必须佩戴适当的个人防护装备，包括实验室服、手套、护目镜和口罩等。
b. 进入实验室前，应先了解实验室的安全规定和实验流程，并接受必要的培训。
c. 离开实验室时，应将实验台面清理干净，关闭实验室设备，并确保实验室内没有残留的化学品和生物制品。
2. 实验室设备操作规范a. 在使用实验室设备前，应先检查设备的工作状态和安全性能。
b. 操作实验室设备时，必须按照操作手册和相关规定进行操作，不得擅自修改设备参数或进行未经许可的实验。
c. 使用完毕后，应将设备清洗干净，并及时上报设备故障或需要维修的情况。
3. 实验室废弃物处理规范a. 废弃物应分类存放，包括化学废弃物、生物废弃物和一般垃圾等。
b. 化学废弃物应按照相关法规和规定进行处理，不得随意倾倒或排放。
c. 生物废弃物应进行高温消毒处理或按照相关规定进行无害化处理。
4. 紧急情况应急处理规范a. 发生火灾、泄露、爆炸等紧急情况时，应立即启动应急预案，确保人员安全，并及时报警和通知相关部门。
b. 在紧急情况下，应根据实验室内的情况采取适当的紧急处理措施，如关闭气源、切断电源等。
二、微生物实验操作规范1. 实验室准备工作a. 实验室内应保持清洁整齐，工作台面应清洁干净。
b. 实验室设备和试剂应进行定期检查和维护，确保其正常工作和安全使用。
c. 实验室内应配备必要的个人防护装备，如实验服、手套、护目镜和口罩等。
2. 微生物培养操作规范a. 在进行微生物培养前，应先准备好所需的培养基和培养器具，并进行必要的消毒处理。
b. 在接种微生物前，应先进行洗手和佩戴手套，避免交叉污染。
c. 在接种微生物时，应注意无菌操作，避免菌种的污染和误差。
d. 微生物培养过程中，应定期观察培养物的生长情况，并及时记录相关数据。
3. 微生物实验操作规范a. 在进行微生物实验前，应先准备好所需的实验材料和试剂，并进行必要的消毒处理。
生物反应器操作指南
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。
Chapter 4 微生物反应器操作
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
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。
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：
微生物反应器操作ppt课件
（四）死亡期
在死亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆 尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开 始死亡。
这时，以生存细胞数目的对数对时间作图，可得 一直线，这说明微生物细胞的死亡呈指数比率增 加。
在发酵工业生产中，在进入死亡期之前应及时将 发酵液放罐处理。
细胞保持均恒生长。 不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质，
并不断向培养基中分泌代谢产物。 由于此时培养基中的营养成分远远过量，且积累
的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖， 因而微生物的生长速率不受这些因素的影响，而 仅与微生物本身的比生长速率μ及发酵液中的生 物量浓度X(g/L)相关。
然而，在分批发酵工艺中，低浓度培养基中的营 养物质会迅速耗尽，引起微生物过早地从指数生 长期向稳定期转变，这样，设备的利用率和产物 的积累浓度都不高。
p x
〖一类发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
分批生物工艺中各种比速率(生长速率μ、基质消耗qk和 产物形成qp)之间关系的图示 生产连动型
生产连动型产物的生成反应可表示如下：
•产物形成的比速率则与微生物的比生长速率呈正比。 •所以，对于这种类型的产物来说，调整发酵工艺参数，使微生物保持高 的比生长速率，对于快速获得产物、缩短发酵周期十分有利。
（三）稳定期
在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被 消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在不断 积累。受此影响，微生物的生长速率和比生长速 率就会逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳 定期。
处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变； 但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的 组成物质还在不断变化。
微生物实验器材与基本操作44页PPT
微生物实验器材与基本操作
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
第五章微生物反应器操作
程式
第五章微生物反应器操作
•基于上式，菌体量为
•流量为
• 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：
第五章微生物反应器操作
• 拟稳定状态下初始流加速度F0可由（4-24） 给出。
• 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。
第五章微生物反应器操作
•5.3.2 有反馈控制的流加操作
•阴沟肠杆菌定流量流加培养
第五章微生物反应器操作
•
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
•5.2.3 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：
第五章微生物反应器操作
•反复分批操作示意图 第五章微生物反应器操作
伤的可能。
•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。
•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。
第五章微生物反应器操作
•
•优点
•不足
•应用的场合
•分 •设备制作费用低；
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；
环境工程原理微生物反应器
Yx / s
Xt X0 S0 St
细胞个数
总细胞数
Yx / s
dX dS
微分产率系数(differental cell yield)
培养时间
第16页，共98页。
第二节 微生物反应的计量关系
（二）以碳元素为基准的细胞产率系数
Yx / c
细胞生长量 细胞的含碳率 ＝ X x 碳源消耗量 碳源的含碳率 －S s
第9页，共98页。
第二节 微生物反应的计量关系
本节的主要内容
一、微生物反应综合方程 二、细胞产率系数 三、代谢产物的产率系数
第10页，共98页。
第二节 微生物反应的计量关系
一、微生物反应综合方程 （一）微生物浓度的表达方式
一般用重量浓度表示：单位体积培养液中所含细胞的干燥重量来 表示(g－dry cell/L)。
Yx / av.e
细胞生长量
＝ X
消耗基质的有效电子数 nav.e-
Yx / av.e
Yx / s M s 4nO2
(15.2.20)
nav.e
S Ms
4nO2
ΔnO2：每摩尔的基质完全燃 烧时需要的氧的摩尔数
第25页，共98页。
第二节 微生物反应的计量关系
例题15.2.3 已知某细菌在以葡萄糖为基质时的Yx/s=0.404 g-cell/g-glucose， 试求Yx/av.e-
S＝YxX＋YpP
(15.2.1)
产物产率系数(product yield)。 细胞产率系数(cell yield)
好氧微生物反应：
CHmOn＋a NH3＋bO2 = Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp/c)CO2＋cH2O (15.2.2) a=zYx/c+wYp/c b=(1-Yx/c-Yp/c+m/4-n/2)+(Yp/c/4)(-u+2v+3w)+(Yx/c/4)(-x+2y+3z) c=m/2+( Yp/c/2)(-u+3w)+ (Yx/c/2)(-x+3z)
2020年南师附中生物竞赛辅导讲义设计-生物反应04微生物反应器操作
2020年高中生物学竞赛春季疫情辅导讲义生物反应2020.4南京4 微生物反应动力学19世纪生物学家巴斯德坚持由糖变为酒精的发酵过程是由细胞产生的，而毕希纳却发现磨碎了的酵母仍能使糖发酵产生酒精，认为发酵是由活细胞产生的非生命物质引起的，称为酶。
可见微生物反应与酶促反应在催化作用的实质看是一致的。
区别在于微生物反应过程是自催化过程，生物反应过程中出现菌体增殖；酶促反应过程中，酶只可能失活，不可能增多。
4.1微生物反应的质量能量衡算 4.1.1 微生物反应式在微生物细胞中，包含的酶促反应成百上千，产物是否也是这样多呢？并非如此。
这是由于一个反应的产物，又是另一个反应的基质，这样就形成了一条条代谢途径，如糖类代谢、脂类代谢、蛋白质代谢。
由于存在精巧的代谢调控，如正反馈、副反馈，中间产物不会大量积累，最终大量积累的只是少数几种终产物。
可见，我们不仅没有可能一个一个研究微生物细胞中的酶反应，也没这个必要。
我们可采用黑箱的研究方法，只考虑其与外界环境的物质交换。
因此，微生物反应过程可以用微生物反应式表示：碳源 + 氮源 + O 2 菌体 + CO 2 + H 2O + 产物与普通化学反应及酶促反应不同的是，在微生物反应式中，出现了菌体项。
菌体可以用实验化学式来表示。
我们来看微生物细胞的化学成分（见教材P 49表3－2）。
在微生物细胞中，C 、H 、O 、N 四种元素含量占菌体干重的90%左右，因此可用实验化学式表示：C αH βN γO δ，通常令α＝1。
例1：细菌的化学元素测定结果是：碳元素含量(干重)53%，氢元素7.3%，氮元素12.0%，氧元素19.%，确定其化学式。
解：α = 165.1125313.7==β2.01253140.12==γ27.01253160.19==δ 细菌的化学式：CH 1.65N 0.2O 0.27表4-1 微生物的元素组成[1]微生物反应式中各项系数的确定，部分通过实验测定，部分根据元素平衡计算确定。
简述微反应器应急处理操作流程及内容
简述微反应器应急处理操作流程及内容下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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生物反应器的操作模型
边界条件 假定： t=0时，cS =cS0,X S 0
t=tr时，cS =cS , X S X S
则有：
tr
dc cS 0
S
r cS
S
tr
cS 0
XS dX S 0 rS
tr为底物达到某一反应程度时所需要的反应时间
二、酶催化反应的反应时间
均相酶催化反应 固定化酶催化反应
二、酶催化反应的反应时间
SSP：反应的平均选择性
SSP
=
rP rS
三、操作参数
收率
实际产物生成量与底物全部生成目的产物的理论量之比值
YP
=
cP aSP cS0
收率（YP）、转化率（XS）和选择性（SSP）之间的关系
YP =X P SSP
对生物反应过程，目的产物的收率，即底物向目的产物转化的 比例，是作为实施生物反应过程优化操作的重要目标函数。
三、操作参数
反应器生产率
目的产物在单位时间、单位反应器体积的产量，又称反应器生 产能力，简称容积生产率
分批操作
P
cP t
cS 0 X S t
t为一个操作周期中反应时间tτ与辅助时间0 X S
τ为物料在反应器中的平均停留时间，cP为流出液中的产物浓度
第二节 分批操作的搅拌槽式反应器 Batch Stirred Tank Reactor, BSTR
一、基本操作模型
特点 物料一次性加入，一次性排除 - 反应时间+辅助时间 - 浓度紧随时间变化，与位置无关 - 非稳态过程
dVR dt
0，Fin =Fout =0
一、基本操作模型
质量衡算式
细胞：dcX dt
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cX
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应用的场合
分
设备制作费用低；
反应器的非生产周期较长；
进行少量产品生产；
分
同一设备可进行多种产品生产；
由于频繁杀菌，易使检测装置损伤；
使用同一种反应器，进行多种产物生
批
高收率（若能对培养过程了解的深
由于每次培养均要接种，增加了生产成本
产；
式
入）；
；
易发生杂菌污染或菌种变异
操
发生杂菌污染或菌种变异的几率低
当 t = 0 S S0 ; X X 0 ; P 0; 0 ;
时
0;
0;
需要非稳定过程控制费用；
从培养液中提取产物采取分批式操作
作
。
人员操作加大了污染的危险。
。
流
高通融性；
有反应器的非生产周期；
不能进行连续式操作；
流
可任意控制反应器中的基质浓度；
需要较高的劳动力（需要控制和高价的检
分批操作生产效率低；
加
可确保微生物所需的环境；
测装置）；
希望延长反应时间；
式
如果能够了解菌体在分批过程中的
•
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
优点：①设备制作费用低；②同一设备可进行多种产 品生产；③发生杂菌污染或菌种变异概率低等
缺点：①反应器非生产周期长；②频繁灭菌易使检测 装置损伤；③每次培养均要接种导致生产成本增加； ④需要非稳定过程控制费用等
•
培养过程中基质体积变化
a 分批式操作 b 反复分批式操作 c 半分批式操作 d 反复半分批式操作
•
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 4-1b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。
•
分批式培养中微生物的生长曲线
•
5.2.2 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
Pall
Po2 in Po2 in Pco2 in
ห้องสมุดไป่ตู้
Pall
Po2 out Po2 out Pco2 out
CO ： 2
CER Qco2 X
F V
Pall
Pco2 out Po2 out Pco2 out
Pall
Pco2 Po2 in
in
Pco
2
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。
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
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
第五章 微生物反应器操作
•
本章拟解决问题：
1、微生物反应器操作基础（自学） **2、分批操作 **3、流加操作 **4、连续操作
•
5.1 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
根据所用培养基的状态，可分为液体发酵和固体 发酵
液体发酵根据微生物的聚集状态，又可分为深层 培养（浸没培养）、表面培养和附着培养
e 连续式操作
•
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。
反应器内保持醪液的恒定，有一定困难（
几乎没有因杀菌，使检测装置损伤
由于产生气泡、丝状菌堵塞管路等）。
的可能。
•
5.2.1 生长曲线
分批培养中微生物的生长曲线如图5-2。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。
人员的操作加大了污染的危险；
出现基质抑制；
操
性质，可获得产物高收率。
由于频繁杀菌，易使检测装置损伤。
使用营养要求变异株
作
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。
分批式操作特点
连
易机械化、自动化；
通融性低（同一装置不能生产多种产品）； 需生产速率高的场合（对于同一品质，
operation） 连续式操作（continuous operation)
•
5.2 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。
特点：①微生物所处的环境不断变化；②适合于少量 多品种的发酵生产；③发生杂菌污染时终止操作容易； ④可比较容易通过改变处理对策来改变运转条件变化 或转产新产品；⑤对原料组成要求较粗放等。
连
节约劳动力；
需要原料的品质均一；
大量生产的产品）；
续
反应器体积小（由于无非生产准备
设备投资高（控制、自动化等操作具有一
基质是气体、液体和可溶性固体；
式
时间）；
定难度）；
不易发生杂菌污染或菌种变异。
操
可确保产品品质稳定；
长时间培养，增加了杂菌污染或菌种变异
作
由于机械化操作，减少了操作人员
的几率；
的操作带来的污染；