第四章 微生物反应器操作

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。
P82 例题5-3

α’=1-Xi/Xf=1-3.0/15=0.8 β’=（1-α’）-[P]i/[P]f=0.8-1.3/26=0.15 若培养终止时基质浓度[S]f=0,求初始基质浓度[S]i V[S]i=([P]f-[P]i)V/YP/S+(Xf-Xi)V/YX/S 即：基质需要量=产物量生成所需基质消耗量+细胞增 加量所需基质消耗量 所以[S]i=(26-1.3)/0.35+(15-3)/0.1=191(g/L)
3） 可以提高发酵的细胞密度。补料发酵时不 断地向发酵罐补偿限制性底物，微生物始终能 获得充分的营养，菌体密度就可以增加，合理 改进发酵工艺．细胞密度可以达到10％以上干 细胞，大大提高产率。
4）可以恒定培养条件。发酵过程中的培养环 境会随着代谢作用的进行而变化，如培养基的 pH值，这时可流加氨水或通氨来恒定pH值． 还补充氮源。
培 养 过 程 中 基 质 体 积 变 化
优点
不足
应用的场合
分 批 式 操 作
反 应 器 操 作 特 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。
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 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。
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 。
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
Po2 in Po2 out Pall Po2 in Pco2 in Pall Po2 out Pco2 out
补料分批发酵的特点有：
1）可以减弱底物和代谢产物的抑制。微生物的生长会受到 高浓度底物和逐步过量产生的代谢产物的抑制，若将初始底 物浓度降低，就会限制菌体密度和产物浓度的提高。但采用 间歇补料．通过不断的流加限制性底物就可克服该缺点。可 以避免葡萄糖效应对微生物生长和产物积累的影响。流加补 料还可稀释降低代谢产物的浓度，减轻其抑制生长作用。 2）增加次级代谢产物的产量。次级代谢产物的合成常常在 生长平衡期才开始合成，与稳定期的细胞密度和延续时间密 切相关。但间歇发酵的平衡期比较短，因营养物质已大量消 耗．可同化量很少．很快就进入衰亡期。通过补料可延长平 衡期．增加次级代谢产物的产量。
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。
◆分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学
F V

CO2：
CER Qco2 X
Pco2 out Pco2 in P P P P P P o 2 out co2 out all o 2 in co2 in all
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
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。



再次分批培养基开始，新培养基加入量为 F=（α’+β’）V=（0.8+0.15）×1000=950（L） 基质流加浓度[S]0为 [S]0=[S]i/(α’+β’)=191/(0.8+0.15)=201(g/L)
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。
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 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。
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 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
Pf
t RB
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 XV dt
X iV X f V X f V
控制产物 浓度
控制菌体浓度
反复分批操作示意图
反复分批培养时的计算目标

一次分批结束后，进行下一批分批发酵， 设定重新开始分批发酵时的初始菌体浓 度为Xi，初始产物浓度为[P]i,，为此需 计算： 要取出多少培养液？取出多少滤液？补 充多少新鲜培养基？新鲜培养基的底物 浓度是多少(配制培养基的要求)？
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。
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
由上式可知，为提高产物生产能力，可采取提 高或减少tRB。
RB: repeated batch
Fra Baidu bibliotek

以葡萄糖为限制性基质，进行酿酒酵母的反复分批培养。培养 液V=1000L，细胞初始浓度Xi=3.0g/L，初始产物浓度 [P]i=1.3g/L,最终细胞浓度与产物浓度分别为Xf=15g/L， [P]i=26g/L。试计算初始基质浓度[S]i;新鲜培养基供给量F及流 加基质浓度[S]0；培养液与滤液分离取出率各为多少？已知 Yp/s=0.35;Yx/s=0.1。
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。
培养基中的营养物质被微生物细胞所利用
生成细胞：细胞得率系数
生成代谢产物：产物得率系数
消耗一克营养物质生成的细胞的克数或生成的产物的克数 工业上，一段时间的平均值， 获得为表观得率系数
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α’，滤液取出率 为β’ ，由于 V 一定，所以培养液加入量为 ((α’+ β’)V=F)。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：


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。
反复流加式操作
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)