第五章 微生物反应器操作(简)

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1、第五章微生物反应器操作5.1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；后者采用以下几种方法：¾液体表面培养(如使用浅盘）¾通风固态发酵¾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(2)反复分批式操作(3)半分批式操作(4)反复半分批式操作(5)连续式操作15.2分批式操作dx延迟期：=0dt静止期减速期衰亡期μ=μ指数生长期:max倍增时间：td菌体浓度指数生长期减速期:dμ<0dt延迟期dx静止期：=0;XX=maxdt时间dx衰亡期:<0dt25.2.1生长

2、曲线分批培养中微生物的生长曲线如图5-2所示。随着培养的进行，基质浓度下降，菌体量增加，产物量也相应增加。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)迟缓期的长短依培养条件不同而异，且受种子种龄及培养条件的影响。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胞分裂所需的最低浓度，因此

3、出现了对数期前的“静止期”。工业生产中选用对数生长期后期的种子接种，正是为了缩短迟缓期。35.2.1生长曲线当准备工作结束，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一定值，有：1dXdXμ=或=μX(5−1)Xdtdt当t=tlag时，令X=X0，积分上式，有⎛X⎞ln⎜⎜=μ(t−tlag)或X=X0exp[]μ(t−tlag)⎝X0⎠5(−)2式中：t—时间tlag—迟缓期所需时间X0—初始菌体浓度应指出，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

4、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，以达到选择适宜的μ值，使生产高效进行。4减速期由于营养消耗，有害物质积累造成生长速率下降。μSm无抑制剂时：μ=K+SSTeissier:μ=μ1[−exp(−S/K)]mSnμSmMoser:μ=nK+SSμSmContois:μ=KSX+S5有抑制剂时：μm基质抑制：μ=1+KS+SKSis产物抑制：65.2.1生长曲线¾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)抑制剂的积累(4)生长因子不足(5)生物的生长空间不够等d

5、[S]若假定直至静止期特定基质A的消耗速率A=−KXAdt5(−)3式中，K为比例系数。A75.2.1生长曲线¾进入衰退期后，由于细胞缺乏能量储存物质，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，也有一部分细胞死亡。因此，Monod方程可改写为：μmax[]SdXμmax[]Sμ=[]−Kd5(−)4即=[]X−KdX5(−)5Ks+SdtKs+S式中，Kd为微生物细胞死亡速率常数。dX在衰退期，由于底物已全部耗尽，因此=−KdX5(−)6dt当t=0时。X=Xst

6、，积分上式，则X=Xstexp(Kdt)(5−)7一般在适宜的生长环境中，K值较小，随着反应的进行，K值增大，dd进入衰退期后达到最大值。85.2.2状态方程微生物培养过程是基质在微生物的作用下转变为产物(或菌体)的过程这一过程是由物质转换过程(微生物的生物代谢活动)和环境过程两个部分所组成。实际上，可以这样认为，前一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μ、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

7、，还有溶解氧浓度(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～95.2.2状态方程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d[S]基质：=−γX(5−8)dtdX菌体：=μX(5−)9dtd[P]产物：=πX5(−10)dtF⎡(PO2)in(PO2)out⎤O:QX=−⎥5(−11)2O2⎢−−V⎣pall(PO2)in－(PCO2)inpall(PO2)out－(PCO2)out⎦F⎡(PCO2)out(PCO2)in⎤CO2:QCO2X=⎢−⎥5(−

8、12)V⎣pall−(PO2)out－(PCO2)outpall−(PO2)in－(PCO2)in⎦式中：F−惰性气体流速；V−反应液总体积；Pall−气体总压力；（PO2)out−排气中氧的