5 微生物反应器操作 教学基本内容： 讲授微生物反应器的操作方式，包括

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1、5微生物反应器操作教学基本内容：讲授微生物反应器的操作方式，包括分批式操作、连续式操作、流加式操作。连续式操作的定义、数学模型，连续稳态操作条件，连续操作的优缺点，在生产上和科研中的应用；流加式操作的定义、数学模型，定流量流加、指数流加的概念，流加式操作的控制优化问题。分批式操作下微生物生长曲线。5.1微生物反应器操作基础5.2连续式操作5.3流加式操作5.4分批式操作授课重点：1.三种基本操作方式的比较。2.单级连续式操作的数学模型，连续稳态操作条件，冲出现象。3.连续操作的优缺点及在生产上和科研领域的应用。4流加式操作的数学模型，指数流加和定流量流加的概念。5.流加操作的控制与优化。

2、6.分批式操作下微生物的生长曲线。难点：1.连续式操作的数学模型。2.多级连续培养的数学模型。3.流加式操作的数学模型。本章主要教学要求：1.理解微生物反应器操作方式的概念。注意连续式操作、流加式操作和分批式操作的区别。2.理解和掌握连续式操作的数学模型及连续稳态操作条件。3.理解指数流加和定流量流加的区别。4.了解连续式操作的优缺点和应用。5.了解流加式操作的优化和控制。5微生物反应器操作5.1微生物反应器操作基础5.1.1微生物反应器操作方式分批式操作：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，反应完成后将全部反应物料取出的操作方式。连续式操作：是指分批操作进行到一定

3、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，使反应条件不随时间变化的操作方式。流加式操作：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，以控制限制性基质浓度保持一定，当反应终止时取出反应物料的操作方式。Vt图5－1分批式操作中基质体积变化Vt图5－2流加式操作Vt图5－3连续式操作5.1.2不同操作方式的特点在分批式操作中，反应液中基质浓度S随反应进行不断降低，菌体浓度X、产物浓度P则不断升高，因此是一个动态变化过程。当微生物反应存在底物抑制时，初期底物浓度高不利于

4、反应。后期底物浓度过低，则反应速度很低。在流加式操作中，基质浓度控制在一定水平，避免了底物抑制问题。流加过程中反应液体积是变化的。流加式操作可达到拟稳态。在连续式操作中，反应液体积V、底物浓度S、菌体浓度X、产物浓度P保持恒定，连绵式操作是一个稳态过程。5.1.3不同操作方式的优缺点见教材73页表5-1。5.2连续式操作连续式操作有两大类型，即CSTR型和CPFR型，CPFR型多用于酶促反应过程，微生物反应的连续式操作多采用CSTR型。根据达成稳定状态的方法不同，CSTR型连续操作，大致可分为以下3种：恒化器法：指连续培养过程中，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相适

5、应的方法。恒浊器法：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法。营养物恒定法：指通过流加一定成分，使培养基中的营养成分恒定的方法。5.2.1恒化器法单级连续操作5.2.1.1数学模型图5－4所示的单级CSTR培养系统中，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。F（S0，X0）S，X，PF（S，X，P）图5－4单级CSTR培养系统菌体的物料衡算式：变化量=流入量+生长量-流出量即：（5－1）限制性基质的物料衡算式：变化量=流入量-流出量－消耗量即（5－2）产物的物料衡算式：变化量=流入量＋生成量-流出量即：（5－3）（5－1）

6、式～（5－3）式两边同除以V，则（5－4）（5－5）（5－6）式中D为稀释率，稳定状态下，，因此D=μ（5－7）（5－8）（5－9）若微生物生长符合莫诺模型，则（5－10）（5－7）式～（5－10）式为恒化器法单级连续培养的数学模型。稀释率D是一个重要的操作参数。根据上述方程可知当D确定时，m、S、X、P即可唯一确定。D=F/V，因此，当反应液体积一定时，可通过控制流量F来控制m、S、X、P，这正是恒化器法又被称为外部控制方法的缘故。5.2.1.2连续稳态操作条件：D的取值是有限制的，即应有，式中，为临界稀释率。微生物反应一般是在条件下进行的，所以当D>时，根据（5－4）式可知，反应器中

7、菌体终将全部被冲出(wash-out)，称为冲出现象。5.2.1.3菌体产率、产物产率菌体产率（5－11）产物产率（5－12）获得最大菌体产率（或最大产物产率）时的稀释率为（5－13）此时，最大菌体产率为（5－14）最高产物产率为（5－15）当时，，（5－16）例1：以葡萄糖为限制性底物，连续培养大肠杆菌，在此培养条件下，测得实验数据如下，比较理论与实验的结果。已知mm=1.08h-1，KS=0.102g/L，YX/S=0.505g