生物反应工程基础3

第三节微生物反应3.1基本概念一、微生物的分类与命名微生物（Microorganism，microbe）是对那些肉眼不能直接观察到、微小的、但能维持生命并繁殖的生物的通称，包括细菌、放线菌、变形菌、真菌、藻类和原生动物等。分类：界（Kingdom）、门（Phylum）、纲（Class）、目（Order）、科（Family）、属（Genus）、种（Species）。种以下有变种（Variety）、型（Form）、品系（Strain）等。命名：“双名法”。属名：大写字母开头，是拉丁词的名词，用以描述微生物的主要特征；种名：小写字母打头，是一个拉丁词的形容词，用以描述微生物的次要特征。例如：Staphylococcusaureus，前一个词是属名，是拉丁语的名词，是“葡萄球菌”的意思。第二个词字是种名，是拉丁语的形容词，意思是“金黄色”。所以学名是“金黄色葡萄球菌”。霉菌(mould,mold)是丝状真菌(filamentousfungi)的一个通俗名称，在自然界分布很广，其生长所要求的相对温度比细菌低。真菌有核，呈丝状，直径一般为3～10μm，多分枝，有或无隔膜。霉菌多为腐生菌，也有少数寄生于动物或植物体内。它们具有广泛的降解和合成能力，是发酵生产某些重要物质的主力军。酵母菌(yeast)是一个通俗名称，是典型的真核生物，多为单细胞，有的也呈丝状。有的酵母通过出芽进行无性繁殖，也有的酵母进行分裂繁殖。酵母既可进行好氧呼吸，又能进行厌氧呼吸。酵母菌在酒类酿造中是不可缺少的。病毒(virus)是存在于动物、植物、昆虫、真菌、藻类和细菌细胞内的专性寄生物，是最小的微生物。病毒本身不具备或具备最低的合成和代谢能力，只能在寄主细胞内生长繁殖，常导致寄主细胞被破坏和死亡。寄生于细菌细胞内的病毒又称为噬菌体。噬菌体是危害细菌发酵的重要根源。烟草花叶病毒噬菌体（DNA病毒）二、

微生物的化学组成微生物菌体的80%左右是水分。湿菌体（wetcellmass）所含水分是指菌体在100℃前后干燥直到恒重时减少的量。除去水分的菌体称为干菌体（drycellmass）。微生物菌体中除水分外，其余为蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸、维生素和无机物等化学物质。细胞中某些元素（除碳、氧、氮和氢外）的含量，一般以磷、钾为多，其次是钙、镁、硫、钠、氯、铁、锌、硅等。另外，还含有微量的铝、铜、锰、钴等。在微生物培养中，这些元素必须保证供应。

三、生长特性由于微生物种类各异，不同微生物的生长特性亦有很大差别。

细菌以分裂方式进行的繁殖。在适宜的生长条件下，某些细菌的世代时间可达10～20min。然而，比较典型的世代时间为40～60min。当细菌分裂为二分裂时，世代时间等于倍增时间（菌体量增加一倍所需时间）。酵母菌的生长方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂（如同菌丝生长）三种。在最适条件下，酵母在45min内就可以分裂，比较典型的分裂时间为90～120min。霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从菌丝体（顶端生长）的顶端细胞间形成隔膜进行生长，一旦形成一个细胞，它就保持其完整性。霉菌的倍增时间可短至60～90min，但典型的霉菌倍增时间为4～8h。病毒能在活细胞内繁殖，但不能在一般培养基中繁殖。病毒是通过复制方式进行繁殖，即感染细胞后“接管”寄主细胞的生物合成机构，按病毒的遗传特性，合成病毒的核酸和蛋白质，并且以指数方式进行复制，幂大于2。流行性感冒病毒

原生动物细胞的分裂形式多是沿纵轴一分为二．一个世代时间大约为10h。微主物多以单细胞形式存在，也有的形成絮凝物(floccule)或菌丝凝块(pellet)，如某些酵母，形成这种状态的原因是多方面的。实际生物反应系统中，必须重视絮凝物或茵丝凝块的形成及大小对生物反应系统的影响。四、影响微生物反应的环境因素1、营养物质分为碳源、氮源、无机元素、微量营养素或生长因素等。碳源是指可构成微生物细胞和代谢产物中碳架来源的营养物质。碳源的主要作用是构成细胞物质和供给微生物生长发育所需的能量。大多微生物以有机含碳化合物作为碳源和能源，例如糖类、淀粉、油脂等。光能自养微生物（photoautotroph）是利用光为能源，二氧化碳为主要碳源。氮源主要是提供合成原生质和细胞其它结构的原料，一般不提供能量。在微生物工业中，硫氨、尿素、豆饼和玉米浆等是较为常用的氮源。无机元素的主要功能是：构成细胞的组成成分；作为酶的组成成分；维持酶的作用；调节细胞渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位等。需要量较大的无机元素是磷、硫、镁、铁、钾、钙等，还需要几种微量的金属元素，如锰，钴，铜，锌等。生长因素（growthfactor）：微生物维持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。根据化学结构和代谢功能可将其分为三类：即维生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。工业生产中，常利用玉米浆等作生长因素的供应量。2、温度是影响微生物生长和繁殖的最重要的因素之一。在一定范围内，微生物的代谢活动与生长繁殖随着温度的上升而增加，温度上升到一定程度，开始对机体产生不利影响，如温度继续提高，细胞功能急骤下降，以至死亡。各种生物有其最适生长温度、最高生长温度与最低生长温度，并且，最适、最高和最低温度回因环境条件变化而变化。图3-1微生物细胞生长繁殖的温度范围3、溶解氧与氧化还原电位Eh氧是在溶解状态下被微生物利用的，可以用培养基的氧化还原电位Eh作为定量表示厌氧程度的方法。除与氧分压有关外，Eh还受pH的影响。pH值低时，氧化还原电位高；pH值高时，氧化原电位低。当pH一定时，溶氧水溶液的Eh与溶解氧浓度（DO）的对数成正比。所以，由所测得的Eh可求得所需的DO值。好氧性微生物在Eh值为+0.1伏以上均可生长，以Eh等于+0.3～+0.4伏时为适。厌氧微生物只能在Eh值小于+0.1伏以下生长。兼性厌氧微生物在+0.1伏以上或以下均能生长。厌氧型：如产甲烷菌；好氧型：如霉菌；兼性厌氧型：如酵母。4、pH不同微生物有其最适生长的pH值范围。大多数自然环境的pH值为5～9，许多微生物的最适生长pH也在此范围内，只有少数种类可生长在pH值低于2或高于10的环境中。大多数酵母与霉菌在微酸性（pH5～6）环境中生长最好，而细菌、放线菌则在中性或微碱性条件下生长最好。5、湿度细菌要求水活度（湿料饱和蒸汽压/相同温度下纯水饱和蒸汽压）在0.90～0.99之间；大多数酵母菌的为0.80～0.90；真菌及少数酵母菌要求在0.60～0.70。因此，固态发酵常用真菌的原因就是其对水活度要求低，可以排除其它杂菌的污染。6、其他因素渗透压、压力等对微生物反应也有影响。适宜微生物生长的渗透压范围比较广，而且微生物往往对渗透压有一定的适应能力。渗透压过高，微生物是难以生存的。一般微生物在水压力达几十个大气压下也不受影响，所以，在一般用况下，上述两种因素可不必考虑。五、微生物反应的特点优点：微生物常能分泌或诱导分泌有用的生物化学物质；容易筛选出分泌型突变株；微生物的生长速率快；微生物的代谢产物的产率较高等。特点：微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行；原料多为农产品，来源丰富；易于生产复杂的高分子化合物和光学活性物质；除产生产物外，菌体自身也可是一种产物。如果其富含维生素或蛋白质或酶等的有用产物时，可用于提取这些物质；通过菌种改良，有可能使同一生产设备的生产能力大大提高；微生物反应是自催化（autocatalytic）反应。不足：

1、副产物的产生不可避免。

2、影响微生物反应的因素多实际控制有难度；

3、原料是农副产品，受价格变动影响大；

4、产前准备工作量大，相对化学反应器而言，反应器效率低。对于好氧反应，需氧，故增加了生产成本，且氧的利用率不高；

5、废水有较高BOD值。单个生物是具体和实际的生命单元，但微生物反应体系的动力学描述宜采用群体(population)来表示。这就是说，描述微生物动力学的方法不是指生物分离成为不连续的单个生物，而是指群体的存在。一般，微生物在一定场所中的存在形式是大量聚集。一般，可将微生物群体变化过程分为生长、繁殖、维持、死亡、溶胞、能动性、形态变化及物理的群体变化等过程。七、

微生物反应动力学典型的细菌生长曲线:

描述了一个既没有产物抑制又没有传递抑制的细菌培养过程中细菌数的变化。

三个层次:酶水平(分子水平)细胞水平反应器水平(宏观水平)在大多数细菌培养过程中，都会存在抑制现象。主要分为底物抑制、产物抑制和传递抑制。产物抑制方式较为熟悉和理解，即一定的产物浓度将对生长率产生抑制。出现在产物达到一定的浓度,如乙醇发酵，10%左右。传递抑制方式，即由传递现象产生的抑制。通常与外部现象有关，如粘度，取决于过程的最大速率。对于好氧过程，氧的传递经常是一个重要的抑制因素。当然细体的生长还底物（高基质）、pH和温度有关，某些时候也会成为抑制因素。细体在培养过程中经历不同的时期，指数生长期和减速期最为重要。指数生长期其特点是：细胞保持均恒生长。不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质，并不断向培养基中分泌代谢产物。由于此时培养基中的营养成分远远过量，且积累的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖，因而微生物的生长速率不受这些因素的影响，而仅与微生物本身的比生长速率μ及发酵液中的生物量浓度X(g/L)相关。八、

生长速率(动力学方程）N—细胞数/L生物量生长速率为：X—生物量浓度，g/L上式表明细胞物质随时间而增加，说明细胞数目随时间增加而增加。而在大多数情况下生长是以物质的增加来衡量的。若μ为常数生物量的增加用细胞量或细胞数的倍增时间tｄ来表示，它是一个常数。

因此倍增时间td(即X/X0=2时的时间)是:比生长速率的意义：

比生长速率就是菌体繁殖速率与培养基中菌体浓度之比，它与微生物的生命活动有联系。

在微生物培养过程中，菌体浓度的生长速率是菌体浓度、基质浓度和抑制剂浓度的函数。对于特定的微生物而言，其比生长速率μ只与三个因素有关。限制性营养物质的浓度、最大比生长速率μm、底物（基质）相关常数Ks。Monod方程：

现代细胞生长动力学的奠基人Monod早在1942年就指出，细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示：1)、细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的唯一变量是细胞的浓度；2)、培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其它组分为过量不影响细胞的生长；3)、细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。Ks一底物相关常数（饱和常数），为μ为1/2μm时限制性营养物质的浓度。从上述方程可知：如果各种营养物质均大大过量的话，则μ=μm，这时便是指数生长期。也就是说，处于指数生长期的微生物．其生长繁殖不受营养物质的限制，因而具有最大比生长速率。如果发酵的目的是为了获得微生物菌体的话，则应尽量设法维持指数生长期。如果底物耗尽，S=0

，μ=0，

静止期细胞浓度不再增加。静止期内的细胞浓度为最大浓度。Monod方程是从经验得出的，常称为形式动力学当限制性基质浓度很低时，S《Ks，此时若提高限制性基质浓度，可以明显提高细胞的生长速率。此时有：Monod方程虽然表述简单，但它不足以完整地说明复杂的生化反应过程，并且已发现它在某些情况与实验结果不符。并且，方程中的Ks完全是经验的，物理意义不明显。其他生长动力学方程第四节生物反应器生物细胞或生物体组成参与的生产过程可统称为生物反应过程，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生产过程中，具有重要的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。生物反应器的型式和操作方式：常见的生物反应器包括：搅拌釜式间隙反应器；连续釜式反应器；间隙塔式反应器；流加搅拌釜式反应器；连续通气气升式反应器型式：釜式塔式管式操作方式：间歇连续流加补料

两者结合可以形成很多种可以在工业生产中使用的生物反应器。1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；2）有良好的气-液-固接触和混合性能和高效的热量、质量、动量传递性能；3）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；4）有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度；5）有可行的管路比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。一个良好的生物反应器应满足下列要求：一、机械搅拌式生物反应器结构包括：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等其中：1、搅拌器和挡板：搅拌的主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气－液接触界面，以获得所需要的氧传递速率，并使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气－液－固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。为了强化轴向混合，可采用蜗轮式和推进式叶轮共用的搅拌系统。涡轮式搅拌器具有结构简单、传递能量高、溶氧速率高等优点，但存在的缺点是轴向混合差，搅拌强度随着与搅拌轴距增大而减弱，故当培养液较粘稠时，混合效果就下降。40缺点：能耗大；剪切力强；41二、气升式生物反应器气升式发酵罐应用最为广泛的生物反应器。气升式反应器是在鼓泡塔反应器的基础上发展起来的，它是利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应液循环流动，来实现液体的搅拌、混合和传递氧。即不用机械搅拌，完全依靠气体的带升使液体产生循环并发生湍动，从而达到气液混合和传递的目的。优点：结构较简单，不需搅拌，易于清洗，维修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高。目前内循环气升式发酵罐已广泛应用于生物工程领域的好氧发酵方面，如动植物细胞的培养、单细胞蛋白的培养、某些微生物细胞的培养及污水处理等。气升式生物反应器主要采用内循环内循环式生物反应器内部有四个组成部分：（1）升液压在反应器中央，导流管内部。若空气是在导流管底部喷射，由于管内外流体静压差，使气液混合流体沿管内上升，在反应器上部分离部分气体后，又沿降压管下降，构成一循环流动。若空气在降液管底部喷射，则流体循环方向恰好相反。（2）降液区导流管与反应器壁之间的环隙，流体沿降液区上升或下降，视喷射空气的位置而定。（3）底部升液区与降液区下部相连区，对反应器特性影响不大。（4）顶部升液区与降液区上部相连区。可在顶端装置气液分离器，除去排出气体三、鼓泡塔生物反应器是气液两相反应器，是指气体鼓泡通过含有反应物或催化剂的液层以实现气液相反应过程的反应器。该反应器以气体为分散相、液体为连续相、涉及气液界面。通常液相中包含有固体悬浮颗粒，如固体培养基、微生物菌体等。反应器内流体的运动状况是随分散相气速的大小而改变的，一般分为两种：一种是均匀鼓泡流，此时气速较低，气泡大小均匀，浮升较有规则；当随着气速的增加，小气泡被大气泡兼并，同时也造成了液体的循环流动鼓泡反应器结构筒单，易于操作，操作成本低，混合和传质传热性能较好，因此广泛应用于生物工程行业中，例如乙醇发酵、单细胞蛋白发酵、废水处理、废气处理（例如用微生物处理气相中的苯）等。鼓泡反应器内无传动部件，容易密封，对保持无菌条件有利。4、膜生物反应器是国际上20世纪末发展起来的高新技术，它将膜分离技术和生物技术有机地结合在一起优点：①增大反应速率。在生物学中有许多反应是产物抑制型，即随着反应的进行，产物浓度提高，反应速率下降。采用膜生物反应器可在反应过程中移去产物，使产物浓度保持恒定，反应速率因此会提高。②提高反应转化率。膜生物反应器通常在常温和常压下进行生化反应，可使产物或副产物从反应区连续地分离出来，打破反应的平衡，从而可大大地提高反应转化率，增加产率或处理能力，过程能耗低、效率高。③简化生产步骤。膜生物反应器使反应和分离在同一个步骤里完成，简化了生产步骤，减少劳动量，提高了劳动效率。④截留生物催化剂，使细胞或酶在高浓度下进行。⑤减少了能耗，节约了成本。膜生物反应器的类型：膜生物反应器的分类膜生物反应器从整体构造上来看，是由膜组件及生物反应器两部分组成，根据这两部分操作单元自身的多样性，膜生物反应器也必然有多种类型①按膜组件部分从构型上可分：管式、板框式、卷式及中空纤维式。

②按膜材料可分为有机膜和无机膜两大类；

③按膜过滤的压力驱动方式可分为加压型和吸引型两大类。④按生物反应器部分可分好氧、厌氧两大类。

⑤按反应器内生物催化剂的状态，可分为游离态和固定化膜反应器。⑥按底物和产物通过膜的传质推动力，可分为压差推动和浓差推动的膜反应器。⑦按膜反应器的结构型式，可分为平板膜、螺旋卷绕膜、管状膜及中空纤维膜等膜反应器

⑧按组合方式又可分为分置式和一体式。

⑨按反应器内流体与生物催化剂的接触形式，可将膜反应器分为直接接触式、扩散式和多相膜三类。

⑩按膜组件在膜生物反应器中所起作用的不同，大致可将膜生物反应器分为分离膜生物反应器、无泡曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器三种中空纤维超滤膜断面的扫描电子显微镜照片内压式外压式螺旋卷式膜组件1-密封圈(原溶液)；2-渗透物收集管；3、4-浓缩物；5、9-进料-分隔板；6、8-膜；7-渗透物-分隔板；10-膜的粘合；11-外壳；12-渗透槽螺旋卷式膜组件是将做好的平板膜密封成膜袋，在两膜袋间衬以网状间隔材料并紧密地卷绕在多孔中心管上制成。中空纤维式膜组件

将几十万根或更多的中空纤维束的一端封死，另一端固定在管板上，再装入圆筒型耐压容器内制成。特点是自承式。DuPont公司的B-5组件

超滤毛细膜组件结构膜生物反應器Membrane

Bio-Reaction（MBR）是把膜分離技術與污水處理中生化反應結合起來的一門新興技術，也稱膜分離活性污泥法。膜生物反應器（MBR）用膜對生化反應池內的含泥污水進行過濾，實現污水分離，一方面，膜戴留了反應池中的微生物，使池中的污泥濃度大大增加，使降解污水的生化反應進行得更迅速徹底，另一方面，由於膜的高過濾精度，出水清撤透明，得到高質量的產水。工业污水处理工程膜生物反应器生物法废水处理工艺流程厌氧反应器