第4章微生物反应器操作
生物反应器操作规程
生物反应器操作规程第一章总则生物反应器是生物工程中常用的设备，用于培养和控制微生物、细胞或酶等生物体系进行生物转化或生物合成反应。
为了保证生物反应器的正常运行，提高生产效率，特制定此操作规程。
第二章设备准备1. 检查生物反应器设备的完好性，确保各个部件没有损坏或异物；2. 检查反应釜、搅拌器、温控系统等部件是否正常运转；3. 准备所需的培养基、生物体系、调理液等实验物品。
第三章操作流程1. 打开生物反应器的电源开关，启动设备；2. 设置所需的温度、压力、搅拌速度等操作参数；3. 向反应釜中加入适量的培养基，等待培养基温度升至设定温度；4. 加入生物体系或细胞，注意避免空气接触；5. 启动搅拌器进行充分混合；6. 在反应过程中根据需要逐步加入调理液或其他试剂；7. 定时监测反应器内参数，并做好记录。
第四章清洗消毒1. 反应结束后，关闭生物反应器的电源开关；2. 停止搅拌器和冷却系统，排空反应釜中的废液；3. 用适量的清洗液对反应器进行彻底清洗，确保没有残留；4. 使用消毒液进行消毒处理，保证反应器内无细菌残留；5. 反应器彻底干燥后，进行下一批实验前的准备工作。
第五章注意事项1. 操作过程中要注意安全，避免发生事故；2. 必须按照操作规程正确操作，不能私自更改参数；3. 反应器设备要定期保养和检修，确保设备正常运行；4. 反应器内部应保持清洁，避免影响后续实验。
第六章结语生物反应器操作规程的制定是为了保障实验的准确性和安全性，本规程适用于各类生物反应器的操作，并应严格执行。
希望大家能够熟练掌握操作技巧，规范操作流程，提高实验效率和成果质量。
第四章 微生物反应器操作习题
第四章 微生物反应器操作1．请用简图分别给出分批操作、流加操作和连续操作中反应器内培养液体积随时间的变化曲线。
2．用简图给出分批培养中初始基质浓度与最大菌体浓度之间的相互关系。
3．请给出分批培养、反复分批培养、流加培养、反复流加培养和连续培养中产物生成速率，并进行比较。
4. 何为连续培养的稳定状态？当0][][===dtP d dt S d dt dX 时，一定是稳定状态吗？ 5. 在微生物分批培养的诱导期中，细胞接种量X 0 ，生成的细胞量为X A 0 ，此间死亡细胞量为X DO ，已知A A f X X =00X 。
生成的细胞在接种t l 时间后开始指数型繁殖， t l 以后的细胞量为X，请推导出的关系式。
f A 分别等于0，0.2，0.4，0.6，0.8，并作图表示出。
)(l t f X =6.一定的培养体系中细胞以一定的比生长速率进行生长繁殖，如果计划流加新鲜培养基，同时保证细胞的生长速率不变，请问如何确定新鲜培养基的流加速度。
7. 试比较微生物分批培养与连续培养两种操作中的细胞生长速率。
微生物的生长可采用Monod方程表达。
8. 面包酵母连续培养中，菌体浓度为10kg/m 3，菌体生成速度为10kg/h，求流加培养基中基质（乙醇）浓度及培养液的量。
稀释率1.0=D h-1,Y X/S =0.5kg/kg （以细胞/基质计），可采用Monod 方程，已知μ max = 0.15h -1,K S = 0.05kg /m 3。
9．恒化器进行具有抑制作用的连续培养，比生长速率可由式S i i S C K C K S++=)1(max μμ 给出，其中g g Y L g C L g K S X i S /1.0,/05.0,/0.1===（ 以细胞/ 基质计）， L g X L g C S /05.0,/0.100==,，求菌体的最大生产速率与相应的稀释率D max ，并与没有抑制时相比较。
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
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01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
搅拌式生物反应器(bilfinger型)标准操作规程
搅拌式生物反应器(bilfinger型)标准操作规程搅拌式生物反应器（bilfinger型）标准操作规程搅拌式生物反应器（bilfinger型）是一种常用于生物工程领域的设备，用于培养微生物、细胞和酶等生物体的生长和代谢过程。
为了确保反应器的正常运行和实验的准确性，制定一套标准的操作规程是非常重要的。
下面是搅拌式生物反应器（bilfinger型）的标准操作规程。
1. 准备工作a. 检查反应器的设备和配件是否完好无损，确保所有连接口和阀门处于关闭状态。
b. 清洗反应器和配件，使用适当的清洗剂和工具，彻底清除残留物和污垢。
c. 检查反应器的传感器和控制系统是否正常工作，确保温度、压力和pH等参数的准确测量和控制。
2. 培养基的制备a. 根据实验需求，准备适当的培养基，确保培养基的成分和浓度符合实验要求。
b. 使用无菌技术，将培养基倒入反应器中，确保反应器内部的环境无菌。
3. 微生物或细胞的接种a. 根据实验需求，选择适当的微生物或细胞进行接种。
b. 使用无菌技术，将微生物或细胞接种到反应器中，确保接种过程无菌。
4. 反应器的运行a. 启动搅拌器和加热系统，确保培养基的均匀搅拌和恒定温度。
b. 根据实验需求，调节搅拌速度和温度，确保反应器内的环境适合微生物或细胞的生长和代谢。
c. 定期监测和记录反应器内的温度、pH、溶氧度和压力等参数，确保实验的准确性和稳定性。
d. 根据实验需求，添加适量的营养物质和辅助剂，促进微生物或细胞的生长和代谢。
5. 反应结束和清洗a. 根据实验需求，确定反应的结束时间。
b. 关闭搅拌器和加热系统，停止培养基的搅拌和加热。
c. 使用无菌技术，将反应器内的培养基和微生物或细胞转移到适当的容器中，进行后续处理。
d. 清洗反应器和配件，使用适当的清洗剂和工具，彻底清除残留物和污垢。
e. 检查反应器的设备和配件是否完好无损，确保所有连接口和阀门处于关闭状态。
搅拌式生物反应器（bilfinger型）的标准操作规程对于实验的准确性和稳定性至关重要。
微型生物反应器在生物医学工程中的应用
微型生物反应器在生物医学工程中的应用随着生命科学和医学技术的发展，人们对于微型生物反应器的研究越来越深入，这一新型技术在生物医学工程领域的应用也越来越广泛。
微型生物反应器，是指体积小于1毫升的微型反应器，通过微流控技术，可精确定量分发各种生化试剂和细胞，供细胞培养和微生物发酵使用。
微型生物反应器已经被广泛使用于基因工程、药物筛选、医学诊断和治疗等领域。
本文将从微型生物反应器的概述、微生物反应器的应用、细胞培养的应用、药物筛选的应用、三维打印的应用入手，论述微型生物反应器在生物医学工程中的应用。
一. 微型生物反应器的概述微型生物反应器是一种微流控技术的应用，将细胞或者微生物及其培养液通过微型管道输送到可控的微型反应器中进行培养和生长。
相比于传统的宏观反应器，微型生物反应器具有以下优点：1. 体积小，反应速度快：微型生物反应器的体积通常小于1毫升，可以快速完成反应过程。
2. 反应温度、pH、压力等可控：微型生物反应器的温度、pH 和压力等参数可以通过控制流体输送速度、温度和压力等实现，比传统反应器更加精确且稳定。
3. 重现性好：通过微控制技术和微型反应器的设计，可以实现反应过程的重现性，提高实验结果的可靠性。
二. 微生物反应器的应用微生物工程是微型生物反应器最早应用的领域之一。
微生物反应器用于微生物发酵的研究，可以大大提高反应的速度、控制发酵过程的参数和提高产率。
目前，微生物反应器在食品工业、制药工业和农业等领域的应用越来越广泛。
例如，在发酵红曲菌中合成伏特加风味增强剂时，使用微型生物反应器可以大幅提高反应速度和产量，同时也可以大大减少废弃物的产生。
三. 细胞培养的应用细胞培养是微型生物反应器在生物医学工程中的广泛应用领域之一。
微型细胞反应器已经成为细胞生物学、组织工程和干细胞研究等领域的重要工具。
通过微型细胞反应器，可以实现对细胞的高效培养、指定细胞类型的强制分化、复杂的细胞-细胞相互作用和疾病相关的组织工程体系建立等。
生化反应工程试题库
试题库结构章节 试题分布名词解释 数学表达式 简答题图形题推导题判断题 计算题合计第一章 0 0 9 0 0 0 0 9 第二章 0 0 11 0 0 0 2 13 第三章 1 3 9 3 11 4 2 33 第四章 1 11 6 7 1 11 14 51 第五章 3 1 7 8 2 0 13 34 第六章 6 0 6 2 0 0 0 14 第七章 2 2 2 2 0 0 13 21 第八章 0 0 36 0 0 0 2 38 合计 13 17 86 22 14 15 46 213一、名词解释[03章酶促反应动力学]酶的固定化技术：[04章微生物反应动力学]有效电子转移：[05章微生物反应器操作]流加式操作：连续式操作：分批式操作：[06章生物反应器中的传质过程]粘度：牛顿型流体：非牛顿型流体塑性流体假塑性流体胀塑性流体[07章生物反应器]返混：停留时间：二、写出下列动力学变量（参数）的数学表达式[03章酶促反应动力学]1. Da准数：2. 外扩散效率因子：3. 内扩散效率因子：[04章微生物反应动力学]1. 菌体得率：2. 产物得率：3. 菌体得率常数：4. 产物得率常数：5. 生长比速：6. 产物生成比速：7. 基质消耗比速：8. 生长速率：9. 产物生成速率：10. 基质消耗速率：11. 呼吸商：[05章微生物反应器操作]1. 稀释率：[07章生物反应器]1. 停留时间：2. 转化率：三、简答题：[01章绪论]1．什么是生物反应工程、生化工程和生物技术？2．生物反应工程研究的主要内容是什么？3．生物反应工程的研究方法有哪些？4．解释生物反应工程在生物技术中的作用。
5. 为什么说代谢工程是建立在生化反应工程与分子生物学基础之上的？6. 何为系统生物学？7. 简述生化反应工程的发展史。
8. 如何理解加强“工程思维能力”的重要性。
9. 为什么在当今分子生物学渗入到各生物学科领域的同时，工程思维也成为当今从事生物工程工作人员共同关注的话题？[02章生物反应工程的生物学与工程学基础]1. 试说明以下每组两个术语之间的不同之处。
四章节微生物反应器操作
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。
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：
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。
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。
生物反应器的设计与操作
生物反应器的设计与操作生物反应器作为生化工程领域的重要组成部分，在制药、食品和生物制品等行业中发挥着不可替代的作用。
生物反应器的设计和操作是影响其性能和效率的关键因素。
本文旨在介绍生物反应器的设计原理和操作技术，以便更好地理解和掌握这一领域的知识。
一、生物反应器的设计原理生物反应器是一种可以维持生物物质生长和代谢的设备，其原理是通过提供合适的营养物质和生长环境，使微生物或其他生物物质在一定的温度、pH值、氧气气体、搅拌强度等条件下进行生长和代谢反应。
其主要构成部分有反应釜、控制系统、传感器和数据监测系统等。
在反应器的设计中，需要考虑以下几个方面：1. 反应釜的选材和结构设计反应釜的选材和结构设计是影响反应器性能和使用寿命的关键因素。
一般来说，反应釜的材质应该具有耐腐蚀性、耐高温、强度高等特点。
常见的反应釜材料有玻璃钢、不锈钢、陶瓷等。
反应釜的结构设计也应注意到避免盲区、防止污染等因素。
2. 生物体系的选取生物体系的选取是根据反应器的实际应用需求而进行的。
比如，烟酰胺生产线中使用的Pseudomonas fluorescens ATCC 13525就是通过筛选获得并通过后续的培养优化而得到的。
又比如，垃圾处理时常用的是团藻类等微生物等进行处理，其在反应器中的栽培需求是苛刻的，比如对氧气和二氧化碳的摄取、对温度、搅拌和水平等因素的适应性要求都较高。
3. 控制系统的设计反应器的控制系统用于实时监测和调整反应器中的各项参数，如温度、酸碱度、氧气气体、搅拌强度等。
一般来说，反应器控制系统的设计应遵守以下原则：稳定性、速度、准确度和可靠性。
否则，会有较大的影响到成品或应用。
二、生物反应器的操作技术生物反应器的操作技术包括灭菌、采样、培养和清洗等步骤。
下面介绍一下这几个步骤的具体操作：1. 灭菌灭菌是在反应器使用前进行的步骤，主要是为了杀死可能存在于反应器中的微生物，防止其污染反应器和反应物质。
灭菌方法包括高压氧气灭菌、干热灭菌和紫外线灭菌等。
第四章 微生物反应器操作习题答案
第四章微生物反应器操作习题答案4．答：连续培养的稳定状态，是指菌体的生长与反应液的排放、基质的流加与反应消耗及 反应液排放、产物的生成与反应液排放达到了动态平衡，因此菌体浓度、基质浓度、产物浓度保持恒定，即，并不一定是稳定状态。
如菌体因生长环境不利出现了死亡时，也满足，但不能说是稳定状态，此时是一种静止状态，而不是动态平衡。
5．解：诱导期结束时的菌体量：X = X0 + X AO □ X DO = X0 + f A X0 □ X DO = (1+ fA )X0-X DO菌体在t l 时间后开始指数型繁殖，因此边界条件： t = t l , X = (1+ f A )X0 □ X DO积分，得X = [(1+ f A )X0 □ X DO ]exp[μ (t □ t l )]，如图所示。
当f A = 0, X = (X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )] ；当f A = 0.2, X = (1.2X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]当f A = 0.4, X = (1.4X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]当f A = 0.6, X = (1.6X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]当f A = 0.8, X = (1.8X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]6．答：设菌体生长比速为μ，菌体浓度为X，则菌体生长速率为μX。
为保证菌体生长速率 不变，应采取指数流加方式，控制稀释率D = μ ，此时流加操作可达到拟稳态，菌体生长速率DX = uX 。
7．答：微生物的生长可用莫诺方程表达，即分批培养中菌体生长速率连续培养中菌体生长速率：由此可见，有抑制作用时，菌体最大产率下降，D max 下降。
10 解：生长符合莫诺模型，故14．解：由实验数据可知，菌体浓度不断下降，流加操作为动态过程。
对流加操作中的菌体进行衡算：。
环境工程原理总结2011.11
第I 篇环境工程原理基础第二章质量衡算与能量衡算第二节质量衡算◆质量衡算的三个要素：划定衡算系统；确定衡算对象；确定衡算基准；◆稳态系统和非稳态系统的特征当系统中流速、压力、密度等物理量只是位置的函数，不随时间变化，称稳态系统；当系统中流速、压力、密度等物理量不仅随位置变化，而且随时间变化，称非稳态系统。
◆质量衡算的基本关系式：见（2.2.4）p29第三节能量衡算◆封闭系统和开放系统封闭系统：与环境没有物质交换的系统开放系统：与环境既有物质交换又有能量交换的系统第四章热量传递第一节热量传递的方式◆根据传热机理的不同，热的传递三种方式的特点1、热传导：条件：物体各部分之间无宏观运动机理：通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。
在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的方式和机理不同。
气体的热量传递方式：不规则热运动时相互碰撞固体的热量传递方式：两种方式：晶格振动、自由电子迁移液体的热量传递方式：分子振动、分子间的相互碰撞2、对流传热：流体中质点发生相对位移引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。
对流与热传导的区别：流体质点的相对位移。
自然对流传热强制对流传热3、辐射传热：物体由于热的原因而发出辐射能的过程。
能量传递的同时又有能量的转化，不需要任何介质作媒介。
第二节热传导◆傅立叶定律的意义和适用条件意义：见（4.2.2）适用条件：平壁和圆管壁的稳态热传导◆多孔材料具有保温性能◆若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，分析应如何布置效果最好。
第三节对流传热◆对流传热的机理、传热阻力的分布及强化传热的措施机理：流体中质点发生相对位移引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。
传热阻力的分布：层流底层（热传导）、缓冲层（热传导、对流传热）、湍流中心（对流传热）强化传热的措施：减小层流底层◆影响对流传热的因素：物性特征；几何特征；流动特征◆保温层的临界直径和保温层的临界厚度。
什么情况下保温层厚度增加反而会使热损失加大（保温层外径小于临界直径）？保温层的临界直径由什么决定（导热系数与对流传热系数的比值）？◆间壁传热热阻包括哪几部分？若冷热流体分别为气体和液体，要强化换热过程，需在哪一侧采取措施？（1）两侧流体的对流传热热阻、污垢热阻、间壁导热热阻。
生物工程设备 第四章生物反应器(1)
按供氧：厌氧/好氧微生物细胞反应器（发酵罐）
按反应器所需的混合与能量输入方式：
过机械搅拌输入能量的搅拌型发酵罐 利用气体喷射动能的气升式发酵罐和 用泵对液体的喷射作用使液体循环的喷射环流式发酵 罐等。
按反应器的操作方式：间歇式生物反应器、连续式生 物反应器和半间歇式生物反应器。
按生物催化剂在反应器中的分布方式：可以 分为生物团块反应器和生物膜反应器。 按反应物系在反应器内的流动和混合状态： 全混流型生物反应器和活塞流型生物反应 器。 按发酵培养基质的物料状态：液态生物反应 器与固态生物反应器。
3、发酵罐的结构 （1）罐体：
材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力， 2.5kg/cm2。
罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接 种管和压力表接管。 罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温 度计管和测控仪表接口。
小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔用于 清洗和配料 材料为碳钢或不锈钢，可用衬不锈钢或复合不锈钢， 衬里不锈钢厚度2-3mm，耐压0.25MPa，壁厚取决 于罐径和罐压。 受内压壁厚计算：
通风量在0.02～0.5ml/s时，气泡直径与空气喷口 直径的1/3次方成正比，也就是喷口直径越小，气 泡直径越小，而氧气的传质系数也越大。但是生 产实际的通风量均超过上述范围，此时气泡直径
与风量有关，而与喷口直径无关，所以单管
的分布装臵的分布效果不低于环形管。
(7)轴封
防止染菌和泄漏。搅拌轴的密封为动密封，基本要
机械搅拌通风式生物反应器光照式生物反应器大型啤酒发酵罐内容第一节机械搅拌式生物反应器第二节气升式生物反应器第三节鼓泡塔生物反应器第四节膜生物反应器第五节动植物细胞培养装臵和酶反应器第六节微藻培养反应器第七节嫌气生物反应器第八节固态发酵生物反应器生物反应器的作用生物反应器是生物反应过程中的主要设备在生物反应过程中具有中心的作用是实现生物技术产品产业化的关键设备
生物反应器的种类与运行方式
生物反应器的种类与运行方式生物反应器是一个能够支持微生物生长并产生微生物代谢产品的系统设备。
这些设备通常用于生产食品、药物和生物燃料，同时还在环境保护、农业和其他领域中发挥着重要作用。
本文将介绍几种常见的生物反应器种类和运行方式。
一、批量生物反应器批量生物反应器是一种最简单的反应器，通常用于实验室规模的微生物培养。
就像名字一样，批量生物反应器中的生物反应是一批一批的进行，当一批生长完毕后，就需要把反应器中的生物体清除掉，并清空反应器，才能开始下一批的生长。
因此，批量生物反应器生产的量相对有限，但是成本相对较低，适用于小规模生产，且容易维护和管理。
二、连续生物反应器连续生物反应器是与批量反应器形成对比的一种反应器，其最大的特点在于不需要像批量式那样每批次清空容器，从而使得反应器中的生物体连续生长和产生目标产物。
由于连续生物反应器不需要断续处理，因此一般用于较大规模的生产过程。
其中，最常见的类型是CFSTR（连续流入连续流出生物反应器），该反应器以恒定速率从反应器中移除生物而保持反应器体系的恒定体积和物质浓度。
此外，还有另一种常见类型为PFR（压力流式反应器），其利用输入流体在微流道系统中的惯性和压力差引导，控制反应物质严格按照一定规律流过系统，同时维持恒定的反应体积。
这一类型反应器运行方式稳定，常适用于大规模的生产和交替的反应物处理任务。
三、膜生物反应器膜生物反应器是指使用膜作为过滤器和生物分离器的一种反应器。
这种反应器的设计可以让生物体在反应器中连续生长，并通过带有孔洞的膜进行过滤和分离。
膜反应器通常具有一些特殊的控制参数以优化该反应过程。
例如，pH、氧气分压和塑化剂接触时间等因素都可以通过调节来提高反应速率和生产成本效益。
此外，膜反应器还能够对生产过程中产生的杂质进行有效控制，从而使产物质量得到保证。
四、固定床生物反应器固定床生物反应器是一种新兴的生物反应器，其工作原理是在固定的显示架上种植微生物并提供适当的反应介质。
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。
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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；
第四章生物反应器的操作模型
rmax t r (1
1 L
L
CS 0 1 ) K m ln K m ln CS 1 X S
二、反应器有效容积的确定
• 要求反应器在单位时间内所应处理的物料 体积为V0
VR V0 t V0 (t r t b )
• 要求反应器在单位时间内得到的产物的量 为Pr
Pr VR (t r t b ) YP / S C S 0 X S
• (4)有良好的热量交换性能，以适应灭菌操 作和使发酵在最适温度下进行； • (5)尽量减少泡沫的产生或附设有效的消泡 装置，以提高装料系数； • (6)附有必要和可靠的检测及控制仪表
第二节 分批操作的搅拌槽式反应器 （BSTR）
• 反应时间的计算 • 反应器有效容积的确定 • 间歇反应过程的优化
1 D W
单级和带循环CSTR的比较
• 稀释率 • 基质浓度 • 细胞浓度 • 临界稀释率
六、多级CSTR串联
单流多级的前提条件
• 1）一股进料，稳态操作； • 2）各个CSTR体积相等； • 3）每一个反应器内为全混流，各个反应器 之间没有返混； • 4）各个反应器的操作条件相同，得率系数 为常数。
第四节 连续操作的管式反应器 （CPFR）
连续操作管式流动反应器的特点
• L>>D • 相同方向，相同速度 • 轴向速率相同，无返混 • 停留时间相同 • 垂直截面上浓度均一且不随时间变化 • 浓度是位置L的函数
对基质物料衡算
FS ( FS dFS ) dVR rS 0
V0 dCS rS dVR
自吸式
• 转子内部液体被甩出，形 成负压
生化反应器的分类（续）
• 按反应器内流动与混 合状态分（返混：具 有不同停留时间的物 料之间的混合） 理想流动反应器（活 塞流、全混流） 非理想流动反应器（ 槽列模型、一维扩散 模型、组合模型）
《食品生物技术概论》4酶工程
二、基因工程菌的构建
酶 基 因 工 程 菌 构 建 过 程
三、微生物酶的发酵生产 1. 微生物发酵产酶的工艺过程
2. 酶的发酵生产方式
（1）固体培养发酵 （2）液体深层发酵 （3）固定化微生物细胞发酵 （4）固定化微生物原生质体发酵
3. 提高酶产量的措施
（1）添加诱导物 （2）降低阻遏物浓度 （3）添加表面活性剂 （4）添加产酶促进剂
四、酶制剂的保存
1. 不同类型酶制剂保存 （1）液体酶制剂 （2）固体酶制剂 （3）纯酶制剂 （4）固定化酶制剂
四、酶制剂的保存
2. 影响酶稳定性的因素 （1）温度 一般在0～4℃或更低 （2）缓冲液 （3）氧防护 （4）酶蛋白的浓度及纯度
一般地说，酶的浓度越高，酶越稳定
四、酶制剂的保存
3. 保存方法 可加入一定量酶的稳定剂，如底物、抑制剂、辅酶、巯 基保护剂、无机离子、表面活性剂、高分子化合物等防 止微生物对酶制剂的污染
2. 酶分离纯化的主要方式
① 利用不同酶的溶解度的差异进行分离。 ② 利用不同酶蛋白的分子大小的差异进行分离 ③ 利用不同酶蛋白所带电荷性质的差异进行分离 ④ 利用不同酶蛋白物理、化学吸附能力的差异进行分离 ⑤ 利用不同酶的生物亲和力的差异进行分离 ⑥ 利用不同酶的两种特性的差异进行分离
二、酶分离纯化的基本过程
1. 细胞破碎和分离发酵液 2. 粗酶液的抽提 3. 酶的初步分离
（1）沉淀分离 （2）膜分离技术 （3）萃取技术
4. 酶的纯化与成品加工
（1）层析技术分离 （2）浓缩 （3）结晶 （4）冷冻干燥
三、酶的纯度与酶活力
1. 酶纯度的检测 （1）电泳检测技术 （2）高压液相色谱技术
2. 酶的一般评价
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4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
2）反复分批式操作
分批操作完成后，剩 余部分反应物料，不全部 取出，重新加入一定量的 基质，再按照分批式操作 方式培养，反复进行。
例如：基于高密度培 养的反复分批发酵法生产 丁二酸
反复分批式操作过程中基质的体积变化
0～t1辅助时间； t1～t2流加培养基时间； t2～t3培养时间； t3～t4放料时间；
t4～t5再次加料时间。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
3) 半分批式操作
又称流加操作，先将一定 量基质加入反应器内，在适宜 条件下接种，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。 例如：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。
生物反应工程原理
第四章 微生物反应器操作
4 微生物反应器操作
1.微生物反应器操作方式的分类与特点 2.分批式操作 3.流加式操作 4.连续式操作
学习目的： 了解不同反应器操作方式的特点，掌握分批、 流加
和连续操作的方法，明确不同操作方式中各参变量的基本 变化规律，能够依据目标产物与工艺的要求选择培养方法。
适用于实验室中的平板培养法和震荡培养。 通气与搅拌可有效增加氧的供应。 例如：谷氨酸发酵。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
①液体表面培养（如使用浅盘）；
微生物在液体培养基表面生长。液体培养基上接种霉菌 或放线菌，在培养基表面可由长出的气生菌丝形成菌盖，所 以也称为静置培养（对应于振荡培养）。
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。
4-2-1生长曲线
分批式培养中微生物的生长曲线
4-2-1 生长曲线
微生物分批培养过程中，随培养的进行，基质浓度 下降，菌体 生 物 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如下5个阶段：
有的细菌培养，例如细菌纤维素的生物合成也属于液体 表层培养。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
②通风固态发酵
在一定的温度、湿度下，采用固体基质通风培养微生物 的过程，包括在湿固体材料上培养微生物的工艺过程。
传统白酒和陈醋生产工艺就属于典型的固态发酵；一些 真菌（蘑菇）的培养为后者。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
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。
不足：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。
4-2 分批式操作
分批式操作特点
应用场合：进行少量产品生产；
4 微生物反应器操作
1.微生物反应器操作方式的分类与特点
是否需氧 厌氧培养 液体表面培养 分批式操作 好氧培养 通风固态发酵 反复分批式操作
通风深层培养 半分批式操作
反复半分批式操作
2.分批式操作
特点 生长曲线 状态方程式 反复分批操作
连续式操作
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
微生物反应器培养操作方式的分类
半分批式操作过程中基质的体积变化
0～t1辅助时间； t1～t2流加培养基时间； t2～t3边流加、边培养时间； t3～t4培养时间； t4～t5放料时间。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
4) 反复半分批式操作 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。
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）。
根据是否需要氧，分为厌氧好氧培养 1)厌氧培养（anaerobic culture）
把微生物置于与分子态氧隔绝状态下所进行的培养。适 用于兼性厌氧菌和专性厌氧菌。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
2)好氧培养（aeration culture）
培养过程中通入空气（或氧气）的培养方法。液体 培养和固体培养都可以，主要的限制因子是氧气。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
1）分批式操作
基质一次性加入反应 器内，在适宜条件下接种 微生物进行发酵反应一定 时间，反应完成后将物料 全部取出的操作方式。
例如：灵芝胞外多糖的发酵
分批式操作过程中基质的体积变化
0～t1 辅助时间； t1～t2流加培养基时间； t2～t3培养时间； t3～t4放料时间； t4～t5辅助时间。
③通氧（或风）深层培养。
通氧深层培养又称沉没培养法，也称液体培养法。是 一种不断通入无菌空气，使微生物充分与氧气接触而迅速 繁殖的发酵方法。其特点是占地面积小,劳动力省,产量高 ,适合于机械化和自动化生产。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
深层培养操作可分为：
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)
反复半分批式操作过程中基质的体积变化
0～t1辅助时间； t1～t2流加培养基时间； t2～t3边流加、边培养时间； t3～t4培养时间； t4～t5放料时间。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
5) 连续式操作 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。
例 如 ： 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。
连续式操作过程中基质的体积变化
0～t1辅助时间； t1～t2流加培养基时间； t2以后一直为培养时间。
4-1 微生物反应器操作方式的分类与特点
深层培养操作过程中基质的体积变化
4-2 分批式操作
分批式操作特点 优点：设备制作费用低；