生化反应器 第四章 微生物反应器操作

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1、第四章微生物反应器操作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。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：(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。就操作方式而言，深层培养可分为：(1)分批式操作(batchoperation)[图4—l(a)]。(2)反复分批式操作(repeatedbatchoperation)[图4—1(b)]。(3)半分批式操作(semibatchoperation)[图4—l(c)]。(4)反复半分批式操作(repeatedsemibatchoper

2、ation)[图4—1(d)](5)连续式操作(continuousoperation)[图4—1(e)]。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。目前，发酵制品的生产中多采用这种操作方式。操作过程中基质体积变化曲线如图4—1(a)所示。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—1(b)所示。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

3、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[图4—l(c)1。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—1(d)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

4、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—1(e)所示。4．2分批式操作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，分批式操作的特点(表4—1)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；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微生物的生长曲线。4．2．1生长曲线随着培养的进行，基质浓度下降，菌体量增加，产物量相应增加。分批式培养过程中，微生物的生长可分为：①迟缓期；②对数生长期；③减速期；④静

5、止期；⑤衰退期。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，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，因此出现了对数期前的“静止期”。工业生产中选用对数期的种子接种，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)。此时，μ值一定，有应指出的是，μ为定值是对给定条件而言的。当环境条件与培养条件组成发生变化时，µ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成，以达到选择

6、适宜的μ值，使生产高效率地进行。经过减速期到达静止期的原因，一般认为是：①必须的营养物质不足；②氧的供应不足；③抑制物的积累；④生长因子不足；⑤生物的生长空间不够等。若假定直至静止期特定基质A的消耗速率d[s]A／dt与反应系统中活菌体量x成正比，则进入衰退期后，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，引起细胞自身的消化(autolysis)，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亡。因此，Monod方程应改写为:4．2．2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物(或菌体)的过程。这一过程是

7、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。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γ、氧的比呼吸速率QO2、比生长速率u、产物的比生成速率π和CO2比生成速率QCO2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）DO、反应液中的CO2的浓度DCO2、代谢产物的浓度[P]、菌体浓度X、底物浓度[S]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）可表示为：一般微生物的最适温度、最适pH的范围较

8、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）及微生物反应