微生物发酵工程课件第8章 连续发酵

塔式发酵罐、装有隔 板的管道发酵器（菌
体部分重复使用）
管道发酵器 （菌体100％ 重复使用）
塔式发酵罐、装 有隔板的管道发 酵器（菌体100％
重复使用）
三. 罐式连续发酵 发酵设备与分批发酵设备无根本区别.根据所用罐数又可
分为单罐连续发酵和多罐连续发酵。 1. 单罐连续发酵 通常先要进行一段时间的分批发酵.当反应器中的细胞
平推流是理想状态下在流动方向上完全没有返混，而在垂直于流动方向的平面上达到最大程度的混合。 返混是不同停留时间的粒子的混合。 混合是不同空间位置的粒子的混合。停留时间指的是年龄，所谓年龄就 是说从物料进入平推流反应器开始，未出平推流的情况下，在反应器中停留的时间。平推流中的物料在径向 截面上物质参数均相同，浓度、温度与轴向距离有关系。
第八章 连续发酵（Continuous Fermentation）
一. 连续发酵的概念 二. 连续发酵的分类及其特点 三. 罐式连续发酵 四. 管式连续发酵 五. 几个连续发酵的例子
全混流是理想流完全混合，以致物 系参数均一。全混流流是返混程度最在的一种流动。该模型的基本假定是设备内物料的浓度均一，且等于设 备出口处的浓度。
封闭式连续发酵系统是在连续发酵系统中运用某种方法使细胞一直保持在培养器内，并使其数量不 断增加。这种条件下，某些限制因素在培养器中也发生变化，最后导致大部分细胞死亡。因此在这种系 统中，不可能维持稳定状态。封闭式连续发酵可以通过改装开放式连续发酵设备，使全部菌体循环使用， 也可以采用各种固定化载体，使菌体在上面生长而不随发酵液流出而流失。
在连续培养中菌体的物料平衡关系为:
V(dX/dt) = FX0 + xV - FX (净增加量) (输入量) (生长量) (输出量)
式中: F: 单位时间内输入或输出的培养液体积, L/ h;
X0:输入料液中的菌体浓度, g / L; V: 发酵过程中的培养
X: 输出培养液中的菌体浓度, g / L;
操作情况 生产情况 微生物的情况
优点
设备的体积可以减小 能合理的按照发酵阶
段实行连续化
操作时间可以缩短 总的操作管理较方便 中间产物和最终产物稳定 生产系统化可节约人力、 物力、降低生产费用 对微生物的生理、生态 和反应机制比较容易分析
存在的问题
将原有分批发酵设备改装成 连续化有一定困难设备的合
理性和加料设备的精确 性要求甚高
在连续培养中基质的物料平衡关系为:
V(dS/dt) = FS0 - FS - Vs (基质浓度的变化) (输入) (输出) (消耗度)
上式两边除以V则: dS/dt = DS0 - DS – s
--------------------------------------------------------------------------式a
液的体积, L;
x: 单位时间内单位体积培养液中菌体的增长量, g / L･h;
情况1, 如: 料液是新鲜培养基
则: X0 = 0
当整个系统达到平衡时, dX/dt = 0,
前式 V(dX/dt) = FX0 + xV - FX 就为:
xＶ= FX;
F/V = x/X
这里, F/V = D 稀释度, (ｈ-1 )含义是单位时间内新进入的培养基体积占罐内培养液总体积的分数;
D 与μ关系所致将出现以下三种状况:
如 D小于μ: 则dX/dt是正数, 培养液中菌体浓度将随时间而增加; 如 D大于μ: 则dX/dt是负数, 菌体浓度因培养物被“洗出”罐外而减少; 如 D = μ: 则dX/dt = 0, 培养物中的菌体浓度不随时间而变化, 培养液达到稳定状态。 (2) 稀释速率对菌体与培养液中限制基质浓度的关系:
必须与全部工艺系统中的其 它工段保持连续一致
营养成分的利用较分批 发酵稍差产物浓度较分
批发酵略低 杂菌污染的机会较多，菌 种发生变异的问题没有解决
开放式（菌体取出）
单罐
多罐
封闭式（菌体不取出）
单罐
多罐
均匀混合
非循环
搅拌发酵罐 搅拌发酵罐（串联）
透析膜培养
___
非均匀混合
循环 非循环
搅拌发酵罐（菌 体部分重复使用 )
浓度达到一定程度后,以恒定的流量向反应器中流加培养基, 同时以相同流量取出发酵液,使反应器内的发酵液体积保持 恒定.如果在反应器中进行充分的搅拌,则培养液中各处的组 成相同,并且也与流出液的组成相同,成为一个连续流动搅拌 罐反应器(CSTR)｡
连续发酵的控制方式有两种: 恒浊器法 恒化器法
a. 恒浊器法(turbidostat) 通过自控仪表调节输入料液的流量, 以控制培养液中的菌体浓度达到恒定值。
b. 恒化器法(chemostat) 与 a 相似之处是维持一定的体积, 不同之处是菌体浓度不是直接控制的,而是通
过恒定输入的养料中某一种生长限制基质的浓度(共余组分均为过量)来控制.产生菌的生长最终便
由生长限制因素所决定.
2. 连续发酵动力学--------以恒化器法培养进行研究
(1) 稀释速率与菌体生长的关系:
管道发酵器、 塔式发酵罐
搅拌发酵罐串联（菌 体部分重复使用）
塔式发酵罐、装有隔 板的管道发酵罐 （卧式、立式）
搅拌发酵罐（菌 搅拌发酵罐串联(菌 体100％重复使用) 体100％重复使用）
塔式发酵罐（菌 塔式发酵罐（菌体 体100％重复使用) 100％重复使用）
循环
管道发酵器、塔 式发酵罐（菌体部
分重复食用
膜连续发酵是典型的封闭式连续发酵，它是采用一种只能通过发酵产物，而不能通过菌体细胞的有 机膜将发酵设备分隔，将培养液连续流加到发酵设备的具有菌体的间隔中，微生物的代谢产物通过膜连 续不断地从另一间隔流出。对于具有产物抑制的连续发酵体系，采用膜发酵的方法可不断移出代谢产物， 从而提高产品得率。
名称 设备方面
D的倒数 t h表示培养液在罐中的平均停留时间,单位为h; x/X 相当于分批培养中的比生长速率μ
所以: 整个系统平衡时: D =μ
微生物在单罐连续培养时达到稳定的平衡条件就是 D =μ
情况2, 如: X0 = 0, D ≠ μ, 则: dX/dt = x - DX 由于: x = μX 所以: dX/dt = (μ- D)X;