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1、第四章 微生物反应器操作 41 微生物反应器操作基础 微生物培养过程根据是否要求供氧，分为厌氧和好氧培养。前者主要采微生物培养过程根据是否要求供氧，分为厌氧和好氧培养。前者主要采用不通氧的深层培养；后者可采用以下几种方法：用不通氧的深层培养；后者可采用以下几种方法：(1)液体表面培养液体表面培养(如使用浅盘如使用浅盘)；(2)通风固态发酵；通风固态发酵；(3)通氧深层培养。通氧深层培养。就操作方式而言，深层培养可分为：就操作方式而言，深层培养可分为：(1)分批式操作分批式操作(batchoperation)图图4l(a)。(2)反复分批式操作反复分批式操作(repeated batchoper
2、ation)图图41(b)。(3)半分批式操作半分批式操作(semibatch operation)图图4l(c)。(4)反复半分批式操作反复半分批式操作(repeated semibatchoperation)图图41(d)(5)连续式操作连续式操作(continuous operation)图图41(e)。分批式操作是指基质一次性加入反应器内，分批式操作是指基质一次性加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入，反应完在适宜条件下将微生物菌种接入，反应完成后将全部反应物料取出的操作方式。目成后将全部反应物料取出的操作方式。目前，发酵制品的生产中多采用这种操作方前，发酵制品的生产中多采用这种操
3、作方式。操作过程中基质体积变化曲线如图式。操作过程中基质体积变化曲线如图41(a)所示。所示。反复分批式操作是指分批操作完成后，不反复分批式操作是指分批操作完成后，不全部取出反应物料，剩余部分重新加入一全部取出反应物料，剩余部分重新加入一定量的基质，再按照分批式操作方式，反定量的基质，再按照分批式操作方式，反复进行。其培养过程中基质体积变化曲线复进行。其培养过程中基质体积变化曲线如图如图41(b)所示。所示。半分批式操作又称流加操作，是指先将一半分批式操作又称流加操作，是指先将一定量基质加入反应器内，在适宜条件下将定量基质加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入反应器中，反应开始，反微生物菌
4、种接入反应器中，反应开始，反应过程中将特定的限制性基质按照一定要应过程中将特定的限制性基质按照一定要求加入到反应器内，以控制限制性基质浓求加入到反应器内，以控制限制性基质浓度保持一定，当反应终止时取出反应物料度保持一定，当反应终止时取出反应物料的操作方式的操作方式图图4l(c)1。酵母、淀粉酶、。酵母、淀粉酶、某些氨基酸和抗生素等采用这种方式进行某些氨基酸和抗生素等采用这种方式进行生产。生产。反复半分批式操作是指流加操作完成后，反复半分批式操作是指流加操作完成后，不全部取出反应物料，剩余部分重新加入不全部取出反应物料，剩余部分重新加入一定量的基质，再按照流加操作方式进行，一定量的基质，再按照流
5、加操作方式进行，反复进行。其培养过程中基质体积变化曲反复进行。其培养过程中基质体积变化曲线如图线如图41(d)所示。所示。连续式操作是指在分批式操作进行到一定连续式操作是指在分批式操作进行到一定阶段，一方面将基质连续不断地加入反应阶段，一方面将基质连续不断地加入反应器内，另一方面又把反应物料连续不断的器内，另一方面又把反应物料连续不断的取出，使反应条件取出，使反应条件(如反应液体积等如反应液体积等)不随不随时间变化的操作方式。活性污泥法处理废时间变化的操作方式。活性污泥法处理废水、固定化微生物反应等多采用连续式操水、固定化微生物反应等多采用连续式操作。连续培养过程中基质体积变化曲线如作。连续培
6、养过程中基质体积变化曲线如图图41(e)所示。所示。42分批式操作分批式操作 分批式操作是发酵工业中广泛采用的方法分批式操作是发酵工业中广泛采用的方法之一，与连续式操作相比，分批式操作的之一，与连续式操作相比，分批式操作的特点特点(表表41)是：微生物所处的环境是不断是：微生物所处的环境是不断变化的；可进行少量多品种的发酵生产；变化的；可进行少量多品种的发酵生产；发生杂菌污染能够很容易中止操作；当运发生杂菌污染能够很容易中止操作；当运转条件变化或转产新产品时，易改变处理转条件变化或转产新产品时，易改变处理对策；对原料组成要求较粗放等。下面首对策；对原料组成要求较粗放等。下面首先介绍分批式培养时
7、微生物的生长曲线。先介绍分批式培养时微生物的生长曲线。421 生长曲线生长曲线 随着培养的进行，基质浓度下降，菌体量随着培养的进行，基质浓度下降，菌体量增加，产物量相应增加。分批式培养过程增加，产物量相应增加。分批式培养过程中，微生物的生长可分为：中，微生物的生长可分为：迟缓期；迟缓期；对数生长期；对数生长期；减速期；减速期；静止期；静止期；衰退期。衰退期。迟缓期的长短依培养条件不同而异，且受迟缓期的长短依培养条件不同而异，且受种子种龄及其培养条件的影响。一般认为，种子种龄及其培养条件的影响。一般认为，细菌的迟缓期是其分裂繁殖前的准备时期。细菌的迟缓期是其分裂繁殖前的准备时期。此时期内，细胞内
8、某种活性物质未能达到此时期内，细胞内某种活性物质未能达到细菌分裂所需的最低浓度，因此出现了对细菌分裂所需的最低浓度，因此出现了对数期前的数期前的“静止期静止期”。工业生产中选用对。工业生产中选用对数期的种子接种，正是为了缩短迟缓期。数期的种子接种，正是为了缩短迟缓期。当准备工作结束，细胞便开始迅速繁殖，进入对当准备工作结束，细胞便开始迅速繁殖，进入对数期。此时，菌体量随时间呈指数函数形式增长数期。此时，菌体量随时间呈指数函数形式增长(故又称指数生长期故又称指数生长期)。此时，。此时，值一定，有值一定，有 应指出的是，应指出的是，为定值是对给定条件而言的。为定值是对给定条件而言的。当环境条件与培
9、养条件组成发生变化时，当环境条件与培养条件组成发生变化时，值也将发生变化。生产中，应根据目的产值也将发生变化。生产中，应根据目的产物的不同，通过选择环境条件和培养基组物的不同，通过选择环境条件和培养基组成，以达到选择适宜的成，以达到选择适宜的值，使生产高效率值，使生产高效率地进行。地进行。经过减速期到达静止期的原因，一般认为是：经过减速期到达静止期的原因，一般认为是：必须的营养物质不足；必须的营养物质不足；氧的供应不足；氧的供应不足；抑制物的积累；抑制物的积累；生长因子不足；生长因子不足；生物的生长空间不够等。生物的生长空间不够等。若假定直至静止期特定基质若假定直至静止期特定基质A的消耗速率的
10、消耗速率dsAdt与与反应系统中活菌体量反应系统中活菌体量x成正比，则成正比，则 进入衰退期后，由于细胞缺乏能量储藏物质，以进入衰退期后，由于细胞缺乏能量储藏物质，以及细胞内各种水解酶的作用，引起细胞自身的消及细胞内各种水解酶的作用，引起细胞自身的消化化(autolysis)，使细胞死亡。实际上，即使在生，使细胞死亡。实际上，即使在生长旺盛的对数生长期，也有一部分微生物细胞死长旺盛的对数生长期，也有一部分微生物细胞死亡。因此，亡。因此，Monod方程应改写为方程应改写为:422状态方程式状态方程式 微生物培养过程是指基质在微生物的作用下转变为产微生物培养过程是指基质在微生物的作用下转变为产物物
11、(或菌体或菌体)的过程。这一过程是由物质转换过程，即微生的过程。这一过程是由物质转换过程，即微生物的生物代谢活动，简称生物代谢过程和环境过程两个部物的生物代谢活动，简称生物代谢过程和环境过程两个部分所组成。实际上，可以这样认为，前一个过程发生在细分所组成。实际上，可以这样认为，前一个过程发生在细胞内部，后一过程则发生在细胞外部。胞内部，后一过程则发生在细胞外部。培养过程中，与生物代谢过程相关的主要参数有：培养过程中，与生物代谢过程相关的主要参数有：基质的比消耗速率基质的比消耗速率、氧的比呼吸速率、氧的比呼吸速率QO2、比生长速率、比生长速率u、产物的比生成速率产物的比生成速率和和CO2比生成速
12、率比生成速率QCO2等；与环境过等；与环境过程相关的，除上述参数外，还有溶氧浓度（好氧反应时）程相关的，除上述参数外，还有溶氧浓度（好氧反应时）DO、反应液中的、反应液中的CO2的浓度的浓度DCO2、代谢产物的浓度、代谢产物的浓度P、菌体浓度菌体浓度X、底物浓度、底物浓度S及操作条件等。及操作条件等。分批式培养过程的状态方程式（环境过程的状态方程式）分批式培养过程的状态方程式（环境过程的状态方程式）可表示为：可表示为：一般微生物的最适温度、最适一般微生物的最适温度、最适pH的范围较的范围较窄。可以认为分批培养过程中的动态特性窄。可以认为分批培养过程中的动态特性取决于基质与微生物浓度（接种量）及
13、微取决于基质与微生物浓度（接种量）及微生物反应的诸比速率的初始值，因此，支生物反应的诸比速率的初始值，因此，支配分批式培养的主要因素是基质与微生物配分批式培养的主要因素是基质与微生物的浓度的初始值。的浓度的初始值。分批式微生物反应过程分析中，需观察分批式微生物反应过程分析中，需观察X、S和和P等随时间的变化情况。由于不可能等随时间的变化情况。由于不可能研究所有反应液成分随时间的变化，因此应研究所有反应液成分随时间的变化，因此应选择与产物选择与产物P关系最为密切的底物关系最为密切的底物s作为观察作为观察的对象。必要时，可观察两种基质浓度的变的对象。必要时，可观察两种基质浓度的变化。好氧反应中，溶
14、解氧浓度（化。好氧反应中，溶解氧浓度（DO）随时）随时间的变化也是很重要的参数。间的变化也是很重要的参数。分批操作中的分批操作中的X,S,P,u,和和等变量的等变量的值，可从分批操作中的相应时间变化曲线中值，可从分批操作中的相应时间变化曲线中求得。求得。43 流加操作流加操作 流加操作的优点是能够任意控制反应液中流加操作的优点是能够任意控制反应液中基质浓度。这与分批操作明显不同，它不基质浓度。这与分批操作明显不同，它不会出现某种培养基成分的浓度过高影响菌会出现某种培养基成分的浓度过高影响菌体得率和代谢产物的生成速率。例如，面体得率和代谢产物的生成速率。例如，面包酵母培养中，糖浓度过高，即使在充
15、分包酵母培养中，糖浓度过高，即使在充分供氧的条件下，糖也会转化为乙醇，减小供氧的条件下，糖也会转化为乙醇，减小了酵母对糖的得率。了酵母对糖的得率。流加操作的要点是控制基质浓度，因此，流加操作的要点是控制基质浓度，因此，其核心问题是流加什么和怎么流加。在工其核心问题是流加什么和怎么流加。在工程上特别要注意后者。从流加方式看，流程上特别要注意后者。从流加方式看，流加操作可分为无反馈控制流加操作与反馈加操作可分为无反馈控制流加操作与反馈控制流加操作。前者包括定流量流加、指控制流加操作。前者包括定流量流加、指数流加和最优流加量流加操作等。后者分数流加和最优流加量流加操作等。后者分间接控制、直接控制、定
16、值控制和程序控间接控制、直接控制、定值控制和程序控制等流加操作。一般流加操作中有关参数制等流加操作。一般流加操作中有关参数的变化如图的变化如图44所示。所示。431 无反馈控制的流加操作无反馈控制的流加操作 采用这种操作方式时，基质的流加按预先采用这种操作方式时，基质的流加按预先设置好的条件进行。因此，表达系统的数设置好的条件进行。因此，表达系统的数学模型是否正确成为反应成败的关键。最学模型是否正确成为反应成败的关键。最简单的微生物的生长速率为简单的微生物的生长速率为:4311 定流量流加操作定流量流加操作 4312 指数流加操作指数流加操作 432 有反馈控制的流加操作有反馈控制的流加操作
17、根据控制方式，反馈控制的流加操作可分根据控制方式，反馈控制的流加操作可分为间接为间接(取与过程密切相关的、可以测定的取与过程密切相关的、可以测定的参数为控制指标，如参数为控制指标，如pH、DO、QCO2等等)和直接和直接(连续或间断的测定培养液中流加的连续或间断的测定培养液中流加的底物浓度，以此作为控制指标底物浓度，以此作为控制指标)的两类。另的两类。另外，根据流加底物浓度的情况，可分为保外，根据流加底物浓度的情况，可分为保持一定浓度值持一定浓度值(定值控制定值控制)和浓度随时间变和浓度随时间变化化(程序控制程序控制)两类控制方法。两类控制方法。以甘油为基质进行阴沟肠杆菌定流量流加培养的实验以
18、甘油为基质进行阴沟肠杆菌定流量流加培养的实验结果与计算机模拟结果如图结果与计算机模拟结果如图4-5。图。图4-5（a）是甘油水）是甘油水溶液为流加基质的结果，如图溶液为流加基质的结果，如图4-4所示的那样，菌体浓所示的那样，菌体浓度一定度一定(xv以直线方式增加以直线方式增加)。图。图45（b）甘油直接为）甘油直接为流加基质，与甘油水溶液不同，流加的基质全部被消流加基质，与甘油水溶液不同，流加的基质全部被消耗，反应液的体积耗，反应液的体积v一定，菌体浓度一定，菌体浓度X按照直线方式增按照直线方式增加，此时，确保了高浓度培养的成功。另外，无论采加，此时，确保了高浓度培养的成功。另外，无论采用何种
19、流加方式，都应兼顾当时的经济技术情况和提用何种流加方式，都应兼顾当时的经济技术情况和提高产率的程度等。高产率的程度等。4.4连续式操作连续式操作 与分批式培养操作相比，连续操作具有很与分批式培养操作相比，连续操作具有很多优点多优点(表表41)，但是，由于菌种变异和杂，但是，由于菌种变异和杂菌污染的可能性较大等原因，在工业生产菌污染的可能性较大等原因，在工业生产上实施连续培养操作较少。除在活性污泥上实施连续培养操作较少。除在活性污泥法处理污水中应用外，只在单细胞蛋白、法处理污水中应用外，只在单细胞蛋白、面包酵母、小球藻面包酵母、小球藻(chlorella)和如乙醇这和如乙醇这样的样的(能量产生机
20、制和增殖密切相关的能量产生机制和增殖密切相关的)代代谢产物及固定化微生物细胞的反应中使用。谢产物及固定化微生物细胞的反应中使用。连续操作有两大类型：连续操作有两大类型：CSTR(continuous stirred tank reactor)型型 CPFR(continuous plug flow tulular reactor)型。型。下面介绍下面介绍CSTR型连续操作。型连续操作。根据达成稳定状态的方法不同，根据达成稳定状态的方法不同，CSTR型连续操作，大型连续操作，大致可分为致可分为3种。种。一是恒化器一是恒化器(chemostat)法法 二是恒浊器二是恒浊器(turbidstat)法
21、法 三是营养物恒定三是营养物恒定(nutristat)法法 恒化器法是指在连续培养过程中，基质流加速度恒化器法是指在连续培养过程中，基质流加速度恒定，以调节微生物细胞的生长速率与恒定流量恒定，以调节微生物细胞的生长速率与恒定流量相适应的方法。恒浊器法是指预先规定细胞浓度，相适应的方法。恒浊器法是指预先规定细胞浓度，通过基质流量控制，以适应细胞的既定浓度的方通过基质流量控制，以适应细胞的既定浓度的方法。营养物恒定法是指通过流加一定成分，使培法。营养物恒定法是指通过流加一定成分，使培养基中的营养成分恒定的方法。实际应用中多采养基中的营养成分恒定的方法。实际应用中多采用恒化器法，因此以下主要就其加以叙述。用恒化器法，因此以下主要就其加以叙述。