生化反應(yīng)器第四章微生物反應(yīng)器操作第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日4．1微生物反應(yīng)器操作基礎(chǔ)微生物培養(yǎng)過程根據(jù)是否要求供氧，分為厭氧和好氧培養(yǎng)。前者主要采用不通氧的深層培養(yǎng)；后者可采用以下幾種方法：

(1)液體表面培養(yǎng)(如使用淺盤)；

(2)通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵；

(3)通氧深層培養(yǎng)。就操作方式而言，深層培養(yǎng)可分為：

(1)分批式操作(batchoperation)[圖4—l(a)]。

(2)反復(fù)分批式操作(repeatedbatchoperation)[圖4—1(b)]。

(3)半分批式操作(semibatchoperation)[圖4—l(c)]。

(4)反復(fù)半分批式操作(repeatedsemibatchoperation)[圖4—1(d)](5)連續(xù)式操作(continuousoperation)[圖4—1(e)]。第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日分批式操作是指基質(zhì)一次性加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入，反應(yīng)完成后將全部反應(yīng)物料取出的操作方式。目前，發(fā)酵制品的生產(chǎn)中多采用這種操作方式。操作過程中基質(zhì)體積變化曲線如圖4—1(a)所示。第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日反復(fù)分批式操作是指分批操作完成后，不全部取出反應(yīng)物料，剩余部分重新加入一定量的基質(zhì)，再按照分批式操作方式，反復(fù)進(jìn)行。其培養(yǎng)過程中基質(zhì)體積變化曲線如圖4—1(b)所示。第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日半分批式操作又稱流加操作，是指先將一定量基質(zhì)加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入反應(yīng)器中，反應(yīng)開始，反應(yīng)過程中將特定的限制性基質(zhì)按照一定要求加入到反應(yīng)器內(nèi)，以控制限制性基質(zhì)濃度保持一定，當(dāng)反應(yīng)終止時取出反應(yīng)物料的操作方式[圖4—l(c)1。酵母、淀粉酶、某些氨基酸和抗生素等采用這種方式進(jìn)行生產(chǎn)。第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日反復(fù)半分批式操作是指流加操作完成后，不全部取出反應(yīng)物料，剩余部分重新加入一定量的基質(zhì)，再按照流加操作方式進(jìn)行，反復(fù)進(jìn)行。其培養(yǎng)過程中基質(zhì)體積變化曲線如圖4—1(d)所示。第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日連續(xù)式操作是指在分批式操作進(jìn)行到一定階段，一方面將基質(zhì)連續(xù)不斷地加入反應(yīng)器內(nèi)，另一方面又把反應(yīng)物料連續(xù)不斷的取出，使反應(yīng)條件(如反應(yīng)液體積等)不隨時間變化的操作方式?；钚晕勰喾ㄌ幚韽U水、固定化微生物反應(yīng)等多采用連續(xù)式操作。連續(xù)培養(yǎng)過程中基質(zhì)體積變化曲線如圖4—1(e)所示。第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日4．2分批式操作分批式操作是發(fā)酵工業(yè)中廣泛采用的方法之一，與連續(xù)式操作相比，分批式操作的特點(diǎn)(表4—1)是：微生物所處的環(huán)境是不斷變化的；可進(jìn)行少量多品種的發(fā)酵生產(chǎn)；發(fā)生雜菌污染能夠很容易中止操作；當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)條件變化或轉(zhuǎn)產(chǎn)新產(chǎn)品時，易改變處理對策；對原料組成要求較粗放等。下面首先介紹分批式培養(yǎng)時微生物的生長曲線。第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日4．2．1生長曲線隨著培養(yǎng)的進(jìn)行，基質(zhì)濃度下降，菌體量增加，產(chǎn)物量相應(yīng)增加。分批式培養(yǎng)過程中，微生物的生長可分為：①遲緩期；②對數(shù)生長期；③減速期；④靜止期；⑤衰退期。第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日遲緩期的長短依培養(yǎng)條件不同而異，且受種子種齡及其培養(yǎng)條件的影響。一般認(rèn)為，細(xì)菌的遲緩期是其分裂繁殖前的準(zhǔn)備時期。此時期內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)某種活性物質(zhì)未能達(dá)到細(xì)菌分裂所需的最低濃度，因此出現(xiàn)了對數(shù)期前的“靜止期”。工業(yè)生產(chǎn)中選用對數(shù)期的種子接種，正是為了縮短遲緩期。第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日當(dāng)準(zhǔn)備工作結(jié)束，細(xì)胞便開始迅速繁殖，進(jìn)入對數(shù)期。此時，菌體量隨時間呈指數(shù)函數(shù)形式增長(故又稱指數(shù)生長期)。此時，μ值一定，有第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日應(yīng)指出的是，μ為定值是對給定條件而言的。當(dāng)環(huán)境條件與培養(yǎng)條件組成發(fā)生變化時，μ值也將發(fā)生變化。生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)目的產(chǎn)物的不同，通過選擇環(huán)境條件和培養(yǎng)基組成，以達(dá)到選擇適宜的μ值，使生產(chǎn)高效率地進(jìn)行。第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日經(jīng)過減速期到達(dá)靜止期的原因，一般認(rèn)為是：①必須的營養(yǎng)物質(zhì)不足；②氧的供應(yīng)不足；③抑制物的積累；④生長因子不足；⑤生物的生長空間不夠等。若假定直至靜止期特定基質(zhì)A的消耗速率d[s]A／dt與反應(yīng)系統(tǒng)中活菌體量x成正比，則第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日

進(jìn)入衰退期后，由于細(xì)胞缺乏能量儲藏物質(zhì)，以及細(xì)胞內(nèi)各種水解酶的作用，引起細(xì)胞自身的消化(autolysis)，使細(xì)胞死亡。實(shí)際上，即使在生長旺盛的對數(shù)生長期，也有一部分微生物細(xì)胞死亡。因此，Monod方程應(yīng)改寫為:第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日

4．2．2狀態(tài)方程式微生物培養(yǎng)過程是指基質(zhì)在微生物的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物(或菌體)的過程。這一過程是由物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程，即微生物的生物代謝活動，簡稱生物代謝過程和環(huán)境過程兩個部分所組成。實(shí)際上，可以這樣認(rèn)為，前一個過程發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)部，后一過程則發(fā)生在細(xì)胞外部。培養(yǎng)過程中，與生物代謝過程相關(guān)的主要參數(shù)有：基質(zhì)的比消耗速率γ、氧的比呼吸速率QO2、比生長速率u、產(chǎn)物的比生成速率π和CO2比生成速率QCO2等；與環(huán)境過程相關(guān)的，除上述參數(shù)外，還有溶氧濃度（好氧反應(yīng)時）DO、反應(yīng)液中的CO2的濃度DCO2、代謝產(chǎn)物的濃度[P]、菌體濃度X、底物濃度[S]及操作條件等。第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日分批式培養(yǎng)過程的狀態(tài)方程式（環(huán)境過程的狀態(tài)方程式）可表示為：第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日一般微生物的最適溫度、最適pH的范圍較窄。可以認(rèn)為分批培養(yǎng)過程中的動態(tài)特性取決于基質(zhì)與微生物濃度（接種量）及微生物反應(yīng)的諸比速率的初始值，因此，支配分批式培養(yǎng)的主要因素是基質(zhì)與微生物的濃度的初始值。第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日分批式微生物反應(yīng)過程分析中，需觀察X、[S]和[P]等隨時間的變化情況。由于不可能研究所有反應(yīng)液成分隨時間的變化，因此應(yīng)選擇與產(chǎn)物P關(guān)系最為密切的底物s作為觀察的對象。必要時，可觀察兩種基質(zhì)濃度的變化。好氧反應(yīng)中，溶解氧濃度（DO）隨時間的變化也是很重要的參數(shù)。分批操作中的γX,γS,γP,u,γ和π等變量的值，可從分批操作中的相應(yīng)時間變化曲線中求得。第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日

4．3流加操作流加操作的優(yōu)點(diǎn)是能夠任意控制反應(yīng)液中基質(zhì)濃度。這與分批操作明顯不同，它不會出現(xiàn)某種培養(yǎng)基成分的濃度過高影響菌體得率和代謝產(chǎn)物的生成速率。例如，面包酵母培養(yǎng)中，糖濃度過高，即使在充分供氧的條件下，糖也會轉(zhuǎn)化為乙醇，減小了酵母對糖的得率。第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日流加操作的要點(diǎn)是控制基質(zhì)濃度，因此，其核心問題是流加什么和怎么流加。在工程上特別要注意后者。從流加方式看，流加操作可分為無反饋控制流加操作與反饋控制流加操作。前者包括定流量流加、指數(shù)流加和最優(yōu)流加量流加操作等。后者分間接控制、直接控制、定值控制和程序控制等流加操作。一般流加操作中有關(guān)參數(shù)的變化如圖4—4所示。第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日4．3．1無反饋控制的流加操作采用這種操作方式時，基質(zhì)的流加按預(yù)先設(shè)置好的條件進(jìn)行。因此，表達(dá)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是否正確成為反應(yīng)成敗的關(guān)鍵。最簡單的微生物的生長速率為:第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日4．3．1．1定流量流加操作第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日4．3．1．2指數(shù)流加操作第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日4．3．2有反饋控制的流加操作根據(jù)控制方式，反饋控制的流加操作可分為間接(取與過程密切相關(guān)的、可以測定的參數(shù)為控制指標(biāo)，如pH、DO、QCO2等)和直接(連續(xù)或間斷的測定培養(yǎng)液中流加的底物濃度，以此作為控制指標(biāo))的兩類。另外，根據(jù)流加底物濃度的情況，可分為保持一定濃度值(定值控制)和濃度隨時間變化(程序控制)兩類控制方法。第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日以甘油為基質(zhì)進(jìn)行陰溝腸桿菌定流量流加培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計算機(jī)模擬結(jié)果如圖4-5。圖4-5（a）是甘油水溶液為流加基質(zhì)的結(jié)果，如圖4-4所示的那樣，菌體濃度一定(xv以直線方式增加)。圖4—5（b）甘油直接為流加基質(zhì)，與甘油水溶液不同，流加的基質(zhì)全部被消耗，反應(yīng)液的體積v一定，菌體濃度X按照直線方式增加，此時，確保了高濃度培養(yǎng)的成功。另外，無論采用何種流加方式，都應(yīng)兼顧當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)技術(shù)情況和提高產(chǎn)率的程度等。第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日4.4連續(xù)式操作與分批式培養(yǎng)操作相比，連續(xù)操作具有很多優(yōu)點(diǎn)(表4—1)，但是，由于菌種變異和雜菌污染的可能性較大等原因，在工業(yè)生產(chǎn)上實(shí)施連續(xù)培養(yǎng)操作較少。除在活性污泥法處理污水中應(yīng)用外，只在單細(xì)胞蛋白、面包酵母、小球藻(chlorella)和如乙醇這樣的(能量產(chǎn)生機(jī)制和增殖密切相關(guān)的)代謝產(chǎn)物及固定化微生物細(xì)胞的反應(yīng)中使用。第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日連續(xù)操作有兩大類型：

CSTR(continuousstirredtankreactor)型

CPFR(continuousplugflowtulularreactor)型。下面介紹CSTR型連續(xù)操作。根據(jù)達(dá)成穩(wěn)定狀態(tài)的方法不同，CSTR型連續(xù)操作，大致可分為3種。一是恒化器(chemostat)法二是恒濁器(turbidstat)法三是營養(yǎng)物恒定(nutristat)法第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日恒化器法是指在連續(xù)培養(yǎng)過程中，基質(zhì)流加速度恒定，以調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞的生長速率與恒定流量相適應(yīng)的方法。恒濁器法是指預(yù)先規(guī)定細(xì)胞濃度，通過基質(zhì)流量控制，以適應(yīng)細(xì)胞的既定濃度的方法。營養(yǎng)物恒定法是指通過流加一定成分，使培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分恒定的方