第五章微生物反应器操作

•当 t=0 时
第五章微生物反应器操作
• 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。
第五章微生物反应器操作
• 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。
（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。
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•5.4 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）。
operation） n 连续式操作（continuous operation)
第五章微生物反应器操作
5.2 分批式操作
n 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。
n 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。
n 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。
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• 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。
•
•
•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。
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•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
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•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。
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：
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• 拟稳定状态下初始流加速度F0可由（4-24） 给出。
第五章微生物反应器操 作
2020/12/11
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
第五章微生物反应器操作
5.1 微生物反应器操作基础
n 微生物培养过程根据是否要求供氧，分为厌氧和 好氧培养
n 根据所用培养基的状态，可分为液体发酵和固体 发酵
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；
分
•同一设备可进行多种产品生产；
批
•高 收 率 （ 若 能 对 培 养 过 程 了 解 的
式
深入）；
操
•发 生 杂 菌 污 染 或 菌 种 变 异 的 几 率
作
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 。
•
分
•流 流 加
•高通融性； •可 任 意 控 制 反 应 器 中 的 基 质 浓 度 ；
批式 操
•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
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•作为流加基质的平衡式，有 •反应液体积变化的方程式为
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• 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
• • •
• 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。
第五章微生物反应器操作
•5.3.1 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
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•分批式培养中微生物的生长曲线
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•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：
•CO2：
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•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。
•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：
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•反复分批操作示意图 第五章微生物反应器操作
④由于频繁染菌，易使检测装置损伤。
•适用情况： •①细胞高密度培养 •②发生底物抑制的过程 •③分解代谢物阻遏 •④营养缺陷型菌株的培养
•⑤前体的补充
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•流加培养操作
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• 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：
n 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
•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。
第五章微生物反应器操作
第五章微生物反应器操作
深层培养
培养方式分类： n 分批式操作（batch operation） n 半分批式操作（semi-batch operation） n 反复分批式操作（repeated batch operation） n 反 复 半 分 批 式 操 作 （ repeated semi-batch
• 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。
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•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
•
来自百度文库
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
•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）。
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•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
•可知，时间t时的菌体浓度为
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•这种流加方式的最大特点是微生物进行线型生长 （linear growth），即
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。
•由上式可知
•
•产物浓度的衡算为 •由上式，滤液取出率为
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•产物的生产能力
•
•
•
由上式可知，为提高产物生产能力，可采取
提高或减少tRB。
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•5.3 流加操作
•优点：①同一套设备可进行多种产品生产；②可任意控 制反应器中的基质浓度；③可确保微生物所需的环境； ④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 •缺点：①存在非生产周期；②要较高的投入（需要控制 和高价的检测装置）；③人员操作加大了污染的危险；
•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。
n 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
n 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
第五章微生物反应器操作
•
•a 分批式操作
培
•b 反复分批式操
养
作
过
•c 半分批式操作
式作
的性质，可获得产物高收率。
操
作
特
•连
•易机械化、自动化；
点连 续 式
•节约劳动力； •反 应 器 体 积 小 （ 由 于 无 非 生 产 准 备时间）；
操
•可确保产品品质稳定；
作
•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
第五章微生物反应器操作
• 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。
第五章微生物反应器操作
程 中
基
•d 反复半分批式操 作
质 体
积
变
•e 连续式操作
化
第五章微生物反应器操作
n 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 。