第五章 微生物反应器操作

第五章微生物反响器操作1、微生物反响器操作根底〔自学〕**2、分批操作**3、流加操作**4、延续操作本章拟处理问题：5.1微生物反响器操作根底微生物培育过程根据能否要求供氧，分为厌氧和好氧培育根据所用培育基的形状，可分为液体发酵和固体发酵液体发酵根据微生物的聚集形状，又可分为深层培育〔浸没培育〕、外表培育和附着培育好氧培育可采用以下几种方法：〔1〕液体外表培育〔如运用浅盘〕；〔2〕通风固态发酵；〔3〕通氧深层培育。深层培育培育方式分类：分批式操作〔batchoperation〕半分批式操作〔semi-batchoperation〕反复分批式操作〔repeatedbatchoperation〕反复半分批式操作〔repeatedsemi-batchoperation〕延续式操作〔continuousoperation)5.2分批式操作是指基质一次性参与反响器内，在适宜条件下将微生物菌种接入，反响完成后将全部反响物料取出的操作方式。特点：①微生物所处的环境不断变化；②适宜于少量多种类的发酵消费；③发生杂菌污染时终止操作容易；④可比较容易经过改动处置对策来改动运转条件变化或转产新产品；⑤对原料组成要求较粗放等。优点：①设备制造费用低；②同一设备可进展多种产品消费；③发生杂菌污染或菌种变异概率低等缺陷：①反响器非消费周期长；②频繁灭菌易使检测安装损伤；③每次培育均要接种导致消费本钱添加；④需求非稳定过程控制费用等培育过程中基质体积变化a分批式操作b反复分批式操作c半分批式操作d反复半分批式操作e延续式操作半分批式操作又称流加操作，是指先将一定量基质参与反响器内，在适宜条件下将微生物菌种接入反响器中，反响开场，反响过程中将特定的限制性基质按照一定要求参与到反响器内，以控制限制性基质坚持一定，当反响终止时取出反响物料的操作方式。酵母、淀粉酶、某些氨基酸和抗生素等采用这种方式进展消费。反复分批式操作是指分批操作完成后，不全部取出反响物料，剩余部分重新参与一定量的基质，再按照分批式操作方式，反复进展。其培育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，不全部取出反响物料，剩余部分重新参与一定量的基质，再按照流加操作方式进展，反复进展。其培育过程中基质体积变化曲线如图4-1d所示。延续式操作是指在分批式操作进展到一定阶段，一方面将基质延续不断地参与反响器内，另一方面又把反响物料延续不断的取出，使反响条件〔如反响液体积等〕不随时间变化的操作方式。活性污泥法处置废水、固定化微生物反响等多采用延续式操作。延续培育过程中基质体积变化曲线如图4-1e所示。

优点缺乏运用的场所分分批式操作设备制造费用低；同一设备可进展多种产品消费；高收率〔假设能对培育过程了解的深化〕；发生杂菌污染或菌种变异的几率低。反响器的非消费周期较长；由于频繁杀菌，易使检测安装损伤；由于每次培育均要接种，添加了消费本钱；需求非稳定过程控制费用；人员操作加大了污染的危险。进展少量产品消费；运用同一种反响器，进展多种产物消费；易发生杂菌污染或菌种变异从培育液中提取产物采取分批式操作。流流加式操作高通融性；可恣意控制反响器中的基质浓度；可确保微生物所需的环境；假设可以了解菌体在分批过程中的性质，可获得产物高收率。有反响器的非消费周期；需求较高的劳动力〔需求控制和高价的检测安装〕；人员的操作加大了污染的危险；由于频繁杀菌，易使检测安装损伤。不能进展延续式操作；分批操作消费效率低；希望延伸反响时间；出现基质抑制；运用营养要求变异株一定培育基成分的浓度是菌体收率或代谢产物消费速度的影响要素；需求高菌体浓度。连延续式操作易机械化、自动化；节约劳动力；反响器体积小〔由于无非消费预备时间〕；可确保产品质量稳定；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，使检测安装损伤的能够。通融性低〔同一安装不能消费多种产品〕；需求原料的质量均一；设备投资高〔控制、自动化等操作具有一定难度〕；长时间培育，添加了杂菌污染或菌种变异的几率；反响器内坚持醪液的恒定，有一定困难〔由于产生气泡、丝状菌堵塞管路等〕。需消费速率高的场所〔对于同一质量，大量消费的产品〕；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。分批式操作特点5.2.1生长曲线分批培育中微生物的生长曲线如图5-2。随培育的进展，基质浓度下降，菌体量添加，产物量相应添加。分批式培育过程中，微生物的生长可分为：1、缓慢期〔lagphase)；2、对数生长期〔lagarithmicgrowthphase〕；3、减速期〔fransientphase〕；4、静止期〔stationaryphase〕；5、衰退期〔declinephase〕5个阶段。分批式培育中微生物的生长曲线5.2.2形状方程式分批式培育过程的形状方程式〔环境过程的形状方程式〕可表示为：基质：dS/dt=-yX菌体：dX/dt=μX产物：dP/dt=X氧：CO2：当t=0时上式中，F为惰性气体流速，V为反响液总容积，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。普通微生物的最适温度、最适pH的范围较窄。例如，Calam等人研讨了温度对产黄青霉〔Penicillumchrysogenum〕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℃，进展呼吸的最适温度为21.7～28.6℃，产物青霉素的最适生成温度为24.7℃。消费中普通采用定值控制。在这样的条件下，可以以为分批培育过程中的动态特性取决于基质与微生物浓度〔接种量〕及微生物反响的诸比速率的初始值，因此，支配分批式培育统的主要要素是基质与微生物的浓度的初始值。分批式微生物反响过程分析中，需察看X，S和P等随时间的变化情况。由于不能够研讨一切反响液成分随时间的变化，因此应选择与产物P关系最为亲密的底物S作为察看的对象。必要时，可察看两种基质浓度的变化。好氧反响中，溶解氧浓度〔DO〕随时间的变化也是很重要的参数。5.2.3反复分批操作反复分批操作系统〔图4-3〕中培育液体积为V，培育液取出率为，滤液取出率为，由于V一定，所以培育液参与量为。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育液取出，此时菌体量的衡算式为：反复分批操作表示图由上式可知

产物浓度的衡算为由上式，滤液取出率为产物的消费才干

由上式可知，为提高产物消费才干，可采取提高或减少tRB。5.3流加操作优点：①同一套设备可进展多种产品消费；②可恣意控制反响器中的基质浓度；③可确保微生物所需的环境；④假设可以了解菌体在分批过程中的性质，可获得产物高收率缺陷：①存在非消费周期；②要较高的投入〔需求控制和高价的检测安装〕；③人员操作加大了污染的危险；④由于频繁染菌，易使检测安装损伤。适用情况：①细胞高密度培育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育⑤前体的补充流加培育操作流加操作时，特定基质参与到反响器后，反响液体积就会发生变化，这时μ、γ和π的可定义如下：

式中，V为反响液体积，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。5.3.1无反响控制的流加操作

采用这种操作方式时，基质的流加按预先设置好的条件进展。因此，表达系统的数学模型能否正确成为反响成败的关键。最简单的微生物的生长速率为作为流加基质的平衡式，有反响液体积变化的方程式为式中，Kvap为单位时间里由于通气，随排出气体而失去的水分。假设流加的基质可以迅速并完全为菌体所耗费，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耗费量相等，可以为，这样由流加基质的平衡式有对于所供应基质的浓度，菌体浓度近似一定，即dX/dt=0时。由上式，可以为〔D稀释率〕。一、定流量流加操作定流量流加操作是指基质的流加速度坚持一定的流加操作。此时。时间时，，由菌体的恒算式可知，时间t时的菌体浓度为这种流加方式的最大特点是微生物进展线型生长〔lineargrowth〕，即

式中KL是线性生长速率常数。普通，在线性生长阶段，基质浓度相当低。二、指数流加操作经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等于定值为根底，流加基质，由Monod方程可获得S=常数。此时，由于dX/dt=0，结合前述的拟稳定形状条件，有如下方程式基于上式，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，而且能坚持基质浓度一定。流加基质浓度Sin与反响器内反响液最终体积、最终菌体量Xf和菌体收率YX/S有如下关系：拟稳定形状下初始流加速度F0可由〔4-24〕给出。微生物每次培育都能够有微妙的变化，因此，无反响控制的流加操作适用范围很窄。5.3.2有反响控制的流加操作阴沟肠杆菌定流量流加培育甘油为基质进展阴沟肠杆菌〔Enterobactercloacae〕定流量流加培育的实验结果与计算机模拟结果如前图。图中〔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以直线方式添加〕。图中〔b〕甘油直接为流加基质，与甘油水溶液的不同，流加的基质全部被耗费，反响液的体积V一定，菌体浓度X按照直线方式添加。此时，确保了高浓度培育的胜利。5.4

延续式操作延续操作有两大类型，即CSTR〔continuousstirredtankreactor〕型和CPFR(continuousplugflowtulularreactor〕型。根据达成稳定形状的方法不同，CSTR型延续操作，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〕。恒化器法是指在延续培育过程中，基质流加速度恒定，以调理微生物细胞的生长速率与恒定流量相顺应的方法。恒浊器法是指预先规定细胞浓度，经过基质流量控制，以顺应细胞的既定浓度的方法。营养物恒定法是指经过流加一定成分，使培育基中的营养成分恒定的方法。实践运用中多采用恒化器法。单级CSTR培育系统5.4.1恒化器法延续操作1、单级延续培育操作上图所示的单级CSTR培育系统中，流入液中仅一种成分为微生物生长的限制性因子，其他成分在不发生抑制的条件下充分存在。反响过程中，菌体、限制性基质及产物的物料衡算式为变化量=流入量+生成量-流出量由于流入液中菌体与产物的浓度为零，因此，上述衡算式写成数学表达式为式中，F为反响液流入与流出速度L/h，V为反响器内反响液的体积L，Sin为流入液中限制性底物的浓度mol/L，S为反响器内和流出液中限制性底物浓度mol/L，其他符号同前。以上式子两边同除以V，那么式中，D称为稀释率(dilutionrate〕根据菌体得率和的定义式，以及Monod方程，可改写成稳定形状下，dX/dt=dS/dt=dP/dt=0，此时的菌体浓度、基质浓度和代谢产物浓度可分别表示为现实上D是有一定限制的，就是要保证，即微生物反响普通是在条件下进展的，所以由上式，可以以为

当D值接近时，，实践上X为零，此时转变为[此时称为冲出〔washout〕点，称为冲出基质浓度]。也就是微生物的生长速度低于反响液流加速度时，反响液中微生物将全部被排出。当然，这已无延续操作的意义，但这一过程可用来确定此条件时微生物的。另外，给出稳定形状下菌体生长速率和产物生成速率，即所以获得最高产物产率时的稀释率为此时，最高代谢产物浓度为最高产率时的菌体浓度为面包酵母的延续培育中，最大产率的确定是一个优化问题。现实上，最大消费才干是在接近最大稀释率时到达的，其能够与基质的利用率存在矛盾。阅历阐明，

时，基质利用率仍能够大于95%。延续培育为目的微生物选择了有利的生长环境，提高了竞争的优势，有利于减少杂菌污染的时机。另外，延续培育过程中的菌种变异问题也是不可轻视的。DNA的复制是一种复杂而准确的过程，虽然出现过失的概率仅1/106，但因每ml反响液中往往有109个细胞，所以变异问题显得很重要。当然，在这一数量中，多数突变是不重要的。有人研讨了工程菌株延续培育的实际问题，多数情况下，只需坚持一定的选择压力，工程菌株一样可以稳定。

3、多级延续培育多级延续培育系统是一具有n个串联反响器的延续反响系统。底物流经这一系统的流量为F，由物料衡算可得出菌体X、产物P及限制性基质S的衡算式。这些方程式成立的根本条件是，限制性基质由n-1号反响器流入n号反响器中立刻与n号反响器内的反响物料充分混合均匀。其有关衡算式为稳定形状下，以上三式左边为零。因此，有从以上式子可以分析得出，从第二级开场，菌体的比生长速率不再与稀释率相等。另外，有关具有反响的多级延续培育操作方程可采用前面所述方法推导出来。2、具有反响的单级延续培育有时为了添加反响器内的菌体浓度，或者在某种条件下提高发酵产物的产率，对于单级延续培育可以采取将反响器排出液中的部分微生物重新前往反响器中。图4-9表示具有反响的单级延续培