生物反应工程原理课件第四章.ppt

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1、第四章微生物反应器操作主要内容1、微生物反应器操作基础2、分批操作3、流加操作4、连续操作4.1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。好氧培养可采用以下几种方法：（1）液体表面培养（如使用浅盘）；（2）通风固态发酵；（3）通氧深层培养。深层培养培养方式分类：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）连续式操作（continuousoperation)4.2分批式操作是指基质

2、一次性加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入，反应完成后将全部反应物料取出的操作方式。培养过程中基质体积变化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，在适宜条件下将微生物菌种接入反应器中，反应开始，反应过程中将特定的限制性基质按照一定要求加入到反应器内，以控制限制性基质保持一定，当反应终止时取出反应物料的操作方式。酵母、淀粉酶、某些氨基酸和抗生素等采用这种方式进行生产。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如图4-1c所示。反复半分批式操作是指流加操作完成后，不全部取出

3、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，反复进行。其培养过程中基质体积变化曲线如图4-1d所示。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器内，另一方面又把反应物料连续不断的取出，使反应条件（如反应液体积等）不随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作。连续培养过程中基质体积变化曲线如图4-1e所示。优点不足应用的场合分分批式操作设备制作费用低；同一设备可进行多种产品生产；高收率（若能对培养过程了解的深入）；发生杂菌污染或菌种变异的几率低。反应器的非生产周期较长；由于频繁杀菌，易使检测装置损伤；由于每次培养

4、均要接种，增加了生产成本；需要非稳定过程控制费用；人员操作加大了污染的危险。进行少量产品生产；使用同一种反应器，进行多种产物生产；易发生杂菌污染或菌种变异从培养液中提取产物采取分批式操作。流流加式操作高通融性；可任意控制反应器中的基质浓度；可确保微生物所需的环境；如果能够了解菌体在分批过程中的性质，可获得产物高收率。有反应器的非生产周期；需要较高的劳动力（需要控制和高价的检测装置）；人员的操作加大了污染的危险；由于频繁杀菌，易使检测装置损伤。不能进行连续式操作；分批操作生产效率低；希望延长反应时间；出现基质抑制；使用营养要求变异株一定培养基成分的浓度是菌体收率或代谢产物生产速度的影响因素；需要

5、高菌体浓度。连连续式操作易机械化、自动化；节约劳动力；反应器体积小（由于无非生产准备时间）；可确保产品品质稳定；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，使检测装置损伤的可能。通融性低（同一装置不能生产多种产品）；需要原料的品质均一；设备投资高（控制、自动化等操作具有一定难度）；长时间培养，增加了杂菌污染或菌种变异的几率；反应器内保持醪液的恒定，有一定困难（由于产生气泡、丝状菌堵塞管路等）。需生产速率高的场合（对于同一品质，大量生产的产品）；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4.2.1生长曲线分批培养中微生物的生长曲线如图4-2。随培

6、养的进行，基质浓度下降，菌体量增加，产物量相应增加。分批式培养过程中，微生物的生长可分为：1、迟缓期（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。分批式培养中微生物的生长曲线4.2.2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：基质：dS/dt=-yX菌体：dX/dt=μX产物：dP/dt=πX氧：CO2：当t=0时上式中，F为惰性气体流速，V为反应液总容积，Pall为气体总压力，(Po2)o

7、ut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。一般微生物的最适温度、最适pH的范围较窄。例如，Calam等人研究了温度对产黄青霉（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℃，进行呼吸的最适温度为21.7～28.6℃，产物青霉素的最适生成温度为24.7℃