微生物反应器操作生物反应工程课件04共8讲.ppt

1、第四章是微生物反应器操作，主要包括1、微生物反应器操作基础2、分批操作基础3、补料分批操作基础4、连续操作基础4.1、微生物反应器操作基础。根据是否需要供氧，微生物培养过程可分为厌氧培养和好氧培养。好氧培养可采用以下方法：(1)液体表面培养(如使用浅盘)；(2)曝气固体发酵；(3)氧气深层培养。深层培养，培养模式分类：分批操作、半分批操作、重复分批操作、重复半分批操作、连续操作(连续操作)操作，4.2分批操作是指将底物一次性加入反应器中，在合适的条件下接种微生物菌种，反应完成后取出所有反应物料的操作模式。半分批操作，也称为补料分批操作，是指首先将一定量的底物加入到反应器中，在合适的条件下将微生

2、物菌株引入到反应器中，反应开始，在反应过程中根据一定的要求将特定的限制性底物加入到反应器中，以控制限制性底物保持恒定，反应结束时取出反应物料的操作模式。酵母、淀粉酶、一些氨基酸和抗生素都是这样产生的。重复分批操作是指在分批操作完成后，并不是所有的反应物料都被取出，并向剩余的物料中加入一定量的底物，然后按照分批操作模式重复进行。培养过程中基质体积的变化曲线如图4-1c所示。重复半分批操作是指在补料分批操作完成后，不是所有的反应物料都被取出，并向剩余的物料中加入一定量的底物，然后重复进行补料分批操作。培养过程中基质体积的变化曲线如图4-1d所示。连续操作是指在间歇操作的某一阶段将底物连续加入到反应

3、器中，另一方面将反应物料连续取出的操作模式，以使反应条件(如反应溶液的体积等。)不要随时间而改变。活性污泥法用于废水处理、固定化微生物反应等。大多采用连续操作。连续培养过程中基质体积的变化曲线如图4-1e所示。4.2.1批操作的特点，生长曲线，批培养中微生物的生长曲线如图4-2所示。随着培养的进行，底物浓度降低，细菌数量增加，产物数量相应增加。在分批培养过程中，微生物的生长可分为：1 .滞后阶段；2.对数生长期；3.法国阶段；4.静态阶段；5.下降阶段)5有五个阶段。4.2.2状态方程，分批培养过程的状态方程(环境过程的状态方程)可以表示为：底物：dS/dt=-yX细菌：dX/dt=X产物：d

4、P/dt=X氧：CO2:当t=0时，在上式中，f为惰性气体流速。(Po2)out是废气中的氧分压，(Po2)in是进气中的氧分压，(Pco2)in是进气中的co2分压，(Pco2)out是废气中的CO2分压。一般来说，微生物的最适温度和酸碱度范围很窄。以黄晴产黄青霉为例，研究了温度对其生长速率和青霉素产量的影响，发现最适生长温度为30，最适呼吸温度为21.728.6，最适青霉素生产温度为24.7。定值控制通常用于生产。在这种条件下，可以认为分批培养过程的动态特性取决于底物和微生物反应的特定速率的初始值。因此，控制分批培养系统的主要因素是底物和微生物浓度的初始值。在间歇微生物反应过程的分析中，有

5、必要观察X、S、P随时间的变化。由于不可能研究所有反应液体组分随时间的变化，所以应该选择与产物P最密切相关的底物S作为观察对象。必要时，可以观察到两种底物浓度的变化。在好氧反应中，溶解氧浓度随时间的变化也是一个重要参数。4.2.3重复批量操作在重复批量操作系统(图4-3)中，培养液体积为V，培养液提取率为，滤液提取率为。因为V是一定的，所以培养液的添加量为。为了确保细菌的初始浓度恒定，有必要取出流出物中含有细菌的部分培养液。此时，菌量平衡公式为：重复批量操作示意图。从上式可以看出，产品浓度的平衡是上式，滤液取出率是上式，从上式可以看出产品的生产能力。为了提高产品的生产能力，可以增加或减少tRB

6、。4.3分批补料操作。补料分批操作的优点是反应溶液中基质的浓度可以任意控制。分批补料操作的关键是控制底物的浓度，因此核心问题是什么和如何补料。在工程中应特别注意后者。从补料分批操作的角度来看，补料分批操作可分为无反馈控制补料分批操作和反馈控制补料分批操作。前者包括恒流量给料、指数给料和反馈控制给料。后者分为间接控制、直接控制、定值控制和程序控制。在补料分批培养操作中，将特定底物加入反应器后，反应溶液的体积将发生变化。此时，和可定义如下：其中，V是反应溶液的体积，F是体积流速，Sin是补料分批溶液中底物的浓度，而FSin是底物的质量流速。4.3.1当无反馈控制的进给操作采用这种操作模式时，基板的

7、进给是根据预设条件进行的。因此，表达系统的数学模型是否正确是反应成败的关键。微生物最简单的生长速率是，作为补料分批底物的平衡公式，反应溶液的体积变化方程是，其中Kvap是由于曝气在单位时间内随废气损失的水。如果饲喂的底物可以被细胞快速完全消耗，并且代谢保持在零，则可以获得最大细胞浓度Xmax。由于衬底的进给量等于衬底的消耗，因此可以认为用于进给衬底的平衡公式是所供应的衬底的浓度近似恒定，即当dX/dt=0时。从上面的公式，它可以被认为是(d稀释率)。1.恒流量补料分批操作恒流量补料分批操作指的是补料分批操作，其中基底的流动加速度保持一定值。此时此刻。此时，从细菌的常数公式中，可以知道细菌在时间

8、t的浓度是0。这种饲养方式的最大特点是微生物呈线性生长，即KL是线性生长速率常数。通常，在线性生长阶段，底物浓度相当低。指数补料分批操作通过随时间以指数方式供给底物来维持微生物细胞对数生长的操作方法称为指数补料分批操作。此时，在满足常数值的基础上，矩阵被馈送，并且S=常数可以从Monod方程获得。此时，由于dX/dt=0，结合前述准稳态条件，存在以下等式。根据上述方程，细菌数量为0，流速为0。从以上结果可以看出，这样的操作不仅可以保证微生物的指数增长，而且可以保持底物浓度不变。进料底物浓度Sin与反应器中反应溶液的最终体积、最终细胞量Xf和细胞产量YX/S之间的关系如下：准稳态下的初始流动加速

9、度F0可由(4-24)给出。每种微生物的培养都可能有细微的变化，因此无反馈控制的补料分批操作的应用范围非常狭窄。4.3.2具有反馈控制的补料分批操作、阴沟肠杆菌的恒流量补料分批培养和以甘油为底物的阴沟肠杆菌的恒流量补料分批培养。在图(a)中，使用甘油水溶液4.4连续操作，有两种类型的连续操作，即CSTR(连续搅拌釜式反应器)和CPFR(连续活塞流管式反应器)。根据实现稳态的不同方法，CSTR连续运行大致可分为三种类型。第一个是恒化器，第二个是浊度器，第三个是营养器。恒化器法是指在连续培养过程中，基质流动的加速度是恒定的，从而调节微生物细胞的生长速率以适应恒定的流速的方法。浊度计法是指预先确定细

10、胞浓度并控制基质流速以适应给定细胞浓度的方法。营养恒定法是指通过添加某些成分使培养基中的营养成分恒定的方法。恒化器方法在实际应用中经常用到。单级CSTR培养系统，4.4.1通过恒化器方法连续操作，1。单级连续培养操作在上图所示的单级CSTR培养系统中，流入液中只有一种成分是微生物生长的限制因素，而其他成分则完全不受抑制。在反应过程中，菌体、限制性基质和产物的物质平衡公式为变异=流入生成-流出。由于流入液中菌体和产物的浓度为零，上述平衡公式可写成数学表达式，其中F为反应溶液的流入和流出速度L/h，V为反应器中反应溶液的体积L，s in为流入液中限制性底物的浓度摩尔/升，S为反应器和流出液中限制性

11、底物的浓度摩尔/升。如果上述公式的两边都除以V，那么D就叫做稀释率。根据细菌产量和的定义公式和Monod方程，在稳态下可改写为dX/dt=dS/dt=dP/dt=0。此时，细菌浓度、底物浓度和代谢物浓度可以表示为，事实上，D有一定的限度。通常，微生物反应是在一定条件下进行的。因此，从上面的公式中，可以认为当D的值接近时，X实际上为零，然后此时它转向称为洗出的点，这称为洗出矩阵的浓度。也就是说，当微生物的生长速率低于反应液的加速度时，反应液中的所有微生物都将被排出。当然，这没有连续操作的意思，但是这个过程可以用来确定这种条件下的微生物特性。此外，给出了细菌的生长率和稳态下的产物产率，即获得最高产

12、物产率时的稀释率为，此时最高代谢物浓度为，最高产率时的细菌浓度为。在面包酵母的连续培养中，最大产量的确定是一个优化问题。事实上，当接近最大稀释率时达到最大生产能力，这可能与底物的利用率相矛盾。经验表明，矩阵的利用率仍可能大于95%。连续培养为目标微生物选择了有利的生长环境，这提高了竞争优势，有利于减少杂菌污染的机会。此外，在连续培养过程中菌株变异的问题也不可低估。脱氧核糖核酸复制是一个复杂而精确的过程。虽然出错的概率只有1/106，但每毫升反应溶液中通常有109个细胞，因此变异问题非常重要。当然，在这个数字中，大多数突变并不重要。有人研究了工程菌株连续培养的理论问题。在大多数情况下，只要保持一

13、定的选择压力，工程菌株可以是稳定的。多级连续培养多级连续培养系统是一个连续反应系统，有N个串联的反应器。底物流经该系统的流量为f，细菌x、产物p和限制性基质s的平衡公式可由物料平衡得到。这些方程成立的基本条件是限制性基质从n-1反应器流入N反应器，并立即与N反应器中的反应物质混合。相关的平衡公式为、在稳定状态下，上述三个公式的左侧为零。因此，从上面的公式可以分析出细菌的比生长率不再等于稀释率2.带有反馈的单级连续培养有时为了在一定条件下增加反应器中的细菌浓度或提高发酵产物的产量，对于单级连续培养，反应器流出物中的一些微生物可以再次返回反应器。图4-9显示了具有反馈的单阶段连续培养系统。在图中，

14、g是微生物的浓度系数(1)，r是再循环反应溶液的比率(返回的反应溶液与供应的新鲜反应溶液的体积比)。在稳态下，菌体的物料平衡公式为，经过整理，得到稀释比。在这种情况下，D是“外部”稀释率。对于反应堆本身，我们也应该使用“内部”稀释比的概念，它等于D加上rD。在反馈过程中，G1和R0必须满足，所以函数值大于，也就是说，因为绝对值必须小于1，因此，在单阶段或多阶段连续培养中，有反馈时，稳定状态下的稀释率高于比生长率。这不同于传统的单阶段连续培养(维持)。流入前者反应器的培养液的体积相对较大。这种方法广泛应用于生物污水处理工艺之一的活性污泥法，因为它有利于提高去污能力。理论上，反馈操作可以增加细菌产量，但其实际应用并不完全正确。反应溶液中细菌的浓度取决于产量和底物消耗的量，也就是说，当没有其它限制因素时，微生物细菌的浓度受一定范围内底物浓度的限制。如果