第8章 连续发酵南开大学微生物发酵工程
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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
相对于分批发酵的封闭培养系统和补料分批发酵的半开放培养系统，连续发酵是一个开放的培养 系统。它可以根据发酵目的，把微生物分批培养到某个阶段后，人为地固定其生长和代谢速率。也就 是说，连续发酵中，可以人为地将微生物的生长代谢活动保持在最旺盛状态，而且pH、营养成分、溶 解氧等状态变量也可通过系统外部调控保持恒定，如此连续发酵的时间越长，设备利用率就越高。
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;
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 )
全混流是理想流动的一种。其特征是在连续流动过程中，无论轴向或是径向都是达到完全混合，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。
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。
二. 连续发酵的分类及其特点
连续发酵的方式可分成开放式连续发酵系统和封闭式连续发酵系统在开放式连续发酵系统中，培养系 统中的微生物细胞随着发酵液的流出而一起流出。流出的发酵液如部分返回（反馈）培养系统进行重复使 用，则该装置叫做循环系统 否则称非循环系统。
根据理想混合状态，开放式连续发酵系统又可分成全混流混合和平推流混合，前者一般在带有搅拌装 置的发酵罐中进行发酵，简称罐式连续发酵；后者一般在管式反应器中进行发酵，称管式连续发酵 。此外 还有介于全混流和平推流混合之间的塔式连续发酵 。
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
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;
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
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
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。
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 Biblioteka Baidu. 管式连续发酵 五. 几个连续发酵的例子
连续发酵（Continuous Fermentation）
一. 连续发酵的概念
亦称连续培养是指以相同的速度向培养系统内连续流加新鲜的培养基并同时输出发酵液，使培养 系统内各状态变量恒定的培养方法。
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:
名称 设备方面
相对于分批发酵的封闭培养系统和补料分批发酵的半开放培养系统，连续发酵是一个开放的培养 系统。它可以根据发酵目的，把微生物分批培养到某个阶段后，人为地固定其生长和代谢速率。也就 是说，连续发酵中，可以人为地将微生物的生长代谢活动保持在最旺盛状态，而且pH、营养成分、溶 解氧等状态变量也可通过系统外部调控保持恒定，如此连续发酵的时间越长，设备利用率就越高。
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;
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 )
全混流是理想流动的一种。其特征是在连续流动过程中，无论轴向或是径向都是达到完全混合，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。
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。
二. 连续发酵的分类及其特点
连续发酵的方式可分成开放式连续发酵系统和封闭式连续发酵系统在开放式连续发酵系统中，培养系 统中的微生物细胞随着发酵液的流出而一起流出。流出的发酵液如部分返回（反馈）培养系统进行重复使 用，则该装置叫做循环系统 否则称非循环系统。
根据理想混合状态，开放式连续发酵系统又可分成全混流混合和平推流混合，前者一般在带有搅拌装 置的发酵罐中进行发酵，简称罐式连续发酵；后者一般在管式反应器中进行发酵，称管式连续发酵 。此外 还有介于全混流和平推流混合之间的塔式连续发酵 。
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
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;
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
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
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。
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 Biblioteka Baidu. 管式连续发酵 五. 几个连续发酵的例子
连续发酵（Continuous Fermentation）
一. 连续发酵的概念
亦称连续培养是指以相同的速度向培养系统内连续流加新鲜的培养基并同时输出发酵液，使培养 系统内各状态变量恒定的培养方法。
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: