生物反應(yīng)工程原理第四章

1、.第四章第四章微生物反應(yīng)器操作微生物反應(yīng)器操作.主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1 1、微生物反應(yīng)器操作基礎(chǔ)、微生物反應(yīng)器操作基礎(chǔ) 2 2、分批操作、分批操作 3 3、流加操作、流加操作 4 4、連續(xù)操作、連續(xù)操作.4.1 4.1 微生物反應(yīng)器操作基礎(chǔ)微生物反應(yīng)器操作基礎(chǔ) 微生物培養(yǎng)過程根據(jù)是否要求供氧，分為微生物培養(yǎng)過程根據(jù)是否要求供氧，分為厭氧和好氧培養(yǎng)厭氧和好氧培養(yǎng) 。好氧培養(yǎng)可采用以下幾種方法：好氧培養(yǎng)可采用以下幾種方法：（1 1）液體表面培養(yǎng)（如使用淺盤）；）液體表面培養(yǎng)（如使用淺盤）；（2 2）通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵；）通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵；（3 3）通氧深層培養(yǎng)。）通氧深層培養(yǎng)。 .深層培養(yǎng)深層培養(yǎng)培養(yǎng)方式分類

2、：培養(yǎng)方式分類： 分批式操作分批式操作（batch operation） 半分批式操作半分批式操作（semi-batch operation） 反復(fù)分批式操作反復(fù)分批式操作（repeated batch operation） 反復(fù)半分批式操作反復(fù)半分批式操作（repeated semi-batch operation） 連續(xù)式操作連續(xù)式操作（continuous operation). 4.2 4.2 分批式操作分批式操作 是指基質(zhì)一次性加入反應(yīng)器內(nèi)，是指基質(zhì)一次性加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入，在適宜條件下將微生物菌種接入，反應(yīng)完成后將全部反應(yīng)物料取出反應(yīng)完成后將全部反應(yīng)物料取出

3、的操作方式。的操作方式。.培養(yǎng)過程中基質(zhì)體積變化培養(yǎng)過程中基質(zhì)體積變化. 半分批式操作半分批式操作 又稱流加操作，是指先將一定量基質(zhì)又稱流加操作，是指先將一定量基質(zhì)加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入反應(yīng)器中，反應(yīng)開始，反應(yīng)過程中種接入反應(yīng)器中，反應(yīng)開始，反應(yīng)過程中將特定的限制性基質(zhì)按照一定要求加入到將特定的限制性基質(zhì)按照一定要求加入到反應(yīng)器內(nèi)，以控制限制性基質(zhì)保持一定，反應(yīng)器內(nèi)，以控制限制性基質(zhì)保持一定，當(dāng)反應(yīng)終止時取出反應(yīng)物料的操作方式當(dāng)反應(yīng)終止時取出反應(yīng)物料的操作方式 。 酵母、淀粉酶、某些氨基酸和抗生素等采酵母、淀粉酶、某些氨基酸和抗生素等采用

4、這種方式進行生產(chǎn)。用這種方式進行生產(chǎn)。. 反復(fù)分批式操作是指分批操作完成反復(fù)分批式操作是指分批操作完成后，不全部取出反應(yīng)物料，剩余部分重后，不全部取出反應(yīng)物料，剩余部分重新加入一定量的基質(zhì)，再按照分批式操新加入一定量的基質(zhì)，再按照分批式操作方式，反復(fù)進行。其培養(yǎng)過程中基質(zhì)作方式，反復(fù)進行。其培養(yǎng)過程中基質(zhì)體積變化曲線如圖體積變化曲線如圖4-1c4-1c所示所示 。 反復(fù)半分批式操作是指流加操作完成反復(fù)半分批式操作是指流加操作完成后，不全部取出反應(yīng)物料，剩余部分重后，不全部取出反應(yīng)物料，剩余部分重新加入一定量的基質(zhì)，再按照流加操作新加入一定量的基質(zhì)，再按照流加操作方式進行，反復(fù)進行。其培養(yǎng)過程中

5、基方式進行，反復(fù)進行。其培養(yǎng)過程中基質(zhì)質(zhì)體積變化曲線如圖體積變化曲線如圖4-1d4-1d所示。所示。 . 連續(xù)式操作是指在分批式操作進行連續(xù)式操作是指在分批式操作進行到一定階段，一方面將基質(zhì)連續(xù)不斷到一定階段，一方面將基質(zhì)連續(xù)不斷地加入反應(yīng)器內(nèi)，另一方面又把反應(yīng)地加入反應(yīng)器內(nèi)，另一方面又把反應(yīng)物料連續(xù)不斷的取出，使反應(yīng)條件物料連續(xù)不斷的取出，使反應(yīng)條件（如反應(yīng)液體積等）不隨時間變化的（如反應(yīng)液體積等）不隨時間變化的操作方式?；钚晕勰喾ㄌ幚韽U水、固操作方式?；钚晕勰喾ㄌ幚韽U水、固定化微生物反應(yīng)等多采用連續(xù)式操作。定化微生物反應(yīng)等多采用連續(xù)式操作。連續(xù)培養(yǎng)過程中基質(zhì)體積變化曲線如連續(xù)培養(yǎng)過程中基質(zhì)

6、體積變化曲線如圖圖4-1e 4-1e 所示。所示。.優(yōu)點不足應(yīng)用的場合分分批式操作設(shè)備制作費用低；同一設(shè)備可進行多種產(chǎn)品生產(chǎn)；高收率（若能對培養(yǎng)過程了解的深入）；發(fā)生雜菌污染或菌種變異的幾率低。反應(yīng)器的非生產(chǎn)周期較長；由于頻繁殺菌，易使檢測裝置損傷；由于每次培養(yǎng)均要接種，增加了生產(chǎn)成本；需要非穩(wěn)定過程控制費用；人員操作加大了污染的危險。進行少量產(chǎn)品生產(chǎn)；使用同一種反應(yīng)器，進行多種產(chǎn)物生產(chǎn)；易發(fā)生雜菌污染或菌種變異從培養(yǎng)液中提取產(chǎn)物采取分批式操作。流流加式操作高通融性；可任意控制反應(yīng)器中的基質(zhì)濃度；可確保微生物所需的環(huán)境；如果能夠了解菌體在分批過程中的性質(zhì)，可獲得產(chǎn)物高收率。有反應(yīng)器的非生產(chǎn)周期

7、；需要較高的勞動力（需要控制和高價的檢測裝置）；人員的操作加大了污染的危險；由于頻繁殺菌，易使檢測裝置損傷。不能進行連續(xù)式操作；分批操作生產(chǎn)效率低；希望延長反應(yīng)時間；出現(xiàn)基質(zhì)抑制；使用營養(yǎng)要求變異株一定培養(yǎng)基成分的濃度是菌體收率或代謝產(chǎn)物生產(chǎn)速度的影響因素；需要高菌體濃度。連連續(xù)式操作易機械化、自動化；節(jié)約勞動力；反應(yīng)器體積?。ㄓ捎跓o非生產(chǎn)準(zhǔn)備時間）；可確保產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定；由于機械化操作，減少了操作人員的操作帶來的污染；幾乎沒有因殺菌，使檢測裝置損傷的可能。通融性低（同一裝置不能生產(chǎn)多種產(chǎn)品）；需要原料的品質(zhì)均一；設(shè)備投資高（控制、自動化等操作具有一定難度）；長時間培養(yǎng)，增加了雜菌污染或菌種變異

8、的幾率；反應(yīng)器內(nèi)保持醪液的恒定，有一定困難（由于產(chǎn)生氣泡、絲狀菌堵塞管路等）。需生產(chǎn)速率高的場合（對于同一品質(zhì)，大量生產(chǎn)的產(chǎn)品）；基質(zhì)是氣體、液體和可溶性固體；不易發(fā)生雜菌污染或菌種變異。分批式操作特點分批式操作特點.4.2.1 4.2.1 生長曲線生長曲線 分批培養(yǎng)中微生物的生長曲線如圖分批培養(yǎng)中微生物的生長曲線如圖4-4-2 2。隨培養(yǎng)的進行，基質(zhì)濃度下降，菌體。隨培養(yǎng)的進行，基質(zhì)濃度下降，菌體量增加，產(chǎn)物量相應(yīng)增加。分批式培養(yǎng)過量增加，產(chǎn)物量相應(yīng)增加。分批式培養(yǎng)過程中，微生物的生長可分為：程中，微生物的生長可分為：1 1、遲緩期、遲緩期（lag phase)；2 2、對數(shù)生長期、對數(shù)生長

9、期（lagarithmic growth phase）；）；3 3、減速期、減速期（fransient phase）；4 4、靜止期、靜止期（stationary phase）； 5 5、衰退期、衰退期（decline phase）5 5個階段。個階段。.分批式培養(yǎng)中微生物的生長曲線分批式培養(yǎng)中微生物的生長曲線.4.2.2 4.2.2 狀態(tài)方程式狀態(tài)方程式 分批式培養(yǎng)過程的狀態(tài)方程式（環(huán)境過分批式培養(yǎng)過程的狀態(tài)方程式（環(huán)境過程的狀態(tài)方程式）可表示為：程的狀態(tài)方程式）可表示為：基質(zhì)：基質(zhì)：dS/dt=-yXdS/dt=-yX菌體：菌體：dX/dt=XdX/dt=X產(chǎn)物：產(chǎn)物：dP/dt=XdP/

10、dt=X氧：氧：COCO2 2： outcooutoalloutoincoinoallinooPPPPPPPPVFXQOUR2222222incoinoallincooutcooutoalloutcocoPPPPPPPPVFXQCER2222222.當(dāng)當(dāng)t=0t=0時時; 0;000PXXSS02202200)(;)(;cocoooQQQQ上式中，上式中， F F為惰性氣體流速，為惰性氣體流速， V V為反應(yīng)液總?cè)莘e，為反應(yīng)液總?cè)莘e， PallPall為氣體總壓力，為氣體總壓力， (Po2)out(Po2)out為排氣中氧的分壓，為排氣中氧的分壓， (Po2)in(Po2)in為進氣體中氧的分

11、壓，為進氣體中氧的分壓， (Pco2)in(Pco2)in為進氣體中為進氣體中C02C02的分壓，的分壓， (Pco2)out(Pco2)out為排氣中為排氣中CO2CO2的分壓的分壓。. 一般微生物的最適溫度、最適一般微生物的最適溫度、最適pHpH的范圍的范圍較窄。例如，較窄。例如，CalamCalam等人研究了溫度對產(chǎn)黃等人研究了溫度對產(chǎn)黃青霉（青霉（Penicillum chrysogenumPenicillum chrysogenum）生長速）生長速率和青霉素生成速率的影響，發(fā)現(xiàn)最適生率和青霉素生成速率的影響，發(fā)現(xiàn)最適生長溫度為長溫度為3030，進行呼吸的最適溫度為，進行呼吸的最適溫度

12、為21.721.728.628.6，產(chǎn)物青霉素的最適生成溫，產(chǎn)物青霉素的最適生成溫度為度為24.724.7。生產(chǎn)中一般采用定值控制。生產(chǎn)中一般采用定值控制。在這樣的條件下，可以認為分批培養(yǎng)過程在這樣的條件下，可以認為分批培養(yǎng)過程中的動態(tài)特性取決于基質(zhì)與微生物濃度中的動態(tài)特性取決于基質(zhì)與微生物濃度（接種量）及微生物反應(yīng)的諸比速率的初（接種量）及微生物反應(yīng)的諸比速率的初始值，因此，支配分批式培養(yǎng)統(tǒng)的主要因始值，因此，支配分批式培養(yǎng)統(tǒng)的主要因素是基質(zhì)與微生物的濃度的初始值。素是基質(zhì)與微生物的濃度的初始值。. 分批式微生物反應(yīng)過程分析中，需分批式微生物反應(yīng)過程分析中，需觀察觀察X X，S S和和P P

13、等隨時間的變化情況。由于等隨時間的變化情況。由于不可能研究所有反應(yīng)液成分隨時間的變不可能研究所有反應(yīng)液成分隨時間的變化，因此應(yīng)選擇與產(chǎn)物化，因此應(yīng)選擇與產(chǎn)物P P關(guān)系最為密切的關(guān)系最為密切的底物底物S S作為觀察的對象。必要時，可觀察作為觀察的對象。必要時，可觀察兩種基質(zhì)濃度的變化。好氧反應(yīng)中，溶兩種基質(zhì)濃度的變化。好氧反應(yīng)中，溶解氧濃度（解氧濃度（DODO）隨時間的變化也是很重）隨時間的變化也是很重要的參數(shù)。要的參數(shù)。 .4.2.3 4.2.3 反復(fù)分批操作反復(fù)分批操作 反復(fù)分批操作系統(tǒng)（圖反復(fù)分批操作系統(tǒng)（圖4-34-3）中培養(yǎng)液）中培養(yǎng)液體積為體積為V V，培養(yǎng)液取出率為，濾液取出率為，

14、培養(yǎng)液取出率為，濾液取出率為，由于由于V V一定，所以培養(yǎng)液加入量為。為確保一定，所以培養(yǎng)液加入量為。為確保菌體初始濃度一定，有必要將流出液中部分菌體初始濃度一定，有必要將流出液中部分含菌體的培養(yǎng)液取出，此時菌體量的衡算式含菌體的培養(yǎng)液取出，此時菌體量的衡算式為：為：VXVXVXffi.反復(fù)分批操作示意圖反復(fù)分批操作示意圖.由上式可知由上式可知 產(chǎn)物濃度的衡算為產(chǎn)物濃度的衡算為由上式，濾液取出率為由上式，濾液取出率為fiXX1VPVPVPVPfffifififiPPXXPP1.產(chǎn)物的生產(chǎn)能力產(chǎn)物的生產(chǎn)能力 由上式可知，為提高產(chǎn)物生產(chǎn)能力，可采取提由上式可知，為提高產(chǎn)物生產(chǎn)能力，可采取提高或減少

15、高或減少t tRBRB。RBfRBifRBtPtPPP.4.3 4.3 流加操作流加操作 流加操作的優(yōu)點是能夠任意控制反應(yīng)液中流加操作的優(yōu)點是能夠任意控制反應(yīng)液中基質(zhì)濃度?；|(zhì)濃度。 流加操作的要點是控制基質(zhì)濃度，因此，流加操作的要點是控制基質(zhì)濃度，因此，其核心問題是流加什么和怎么流加。在工程上其核心問題是流加什么和怎么流加。在工程上特別要注意后者。從流加方式看，流加操作可特別要注意后者。從流加方式看，流加操作可分為無反饋控制流加操作與反饋控制流加操作。分為無反饋控制流加操作與反饋控制流加操作。前者包括定流量流加、指數(shù)流加和反饋控制流前者包括定流量流加、指數(shù)流加和反饋控制流加操作等。后者分間接

16、控制、直接控制、定值加操作等。后者分間接控制、直接控制、定值控制和程序控制等流加操作?？刂坪统绦蚩刂频攘骷硬僮?。 .流加培養(yǎng)操作流加培養(yǎng)操作 . 流加操作時，特定基質(zhì)加入到反應(yīng)器后，流加操作時，特定基質(zhì)加入到反應(yīng)器后，反應(yīng)液體積就會發(fā)生變化，這時反應(yīng)液體積就會發(fā)生變化，這時、和和的可的可定義如下：定義如下： 式中，式中，V V為反應(yīng)液體積，為反應(yīng)液體積，F(xiàn) F是體積流量，是體積流量，S Sinin是流是流加液中的基質(zhì)濃度，加液中的基質(zhì)濃度，F(xiàn)SFSinin為基質(zhì)的質(zhì)量流量。為基質(zhì)的質(zhì)量流量。 dtXVdXV)(1dtVSdFSXVin)(1dtVPdVX)(1.4.3.1 4.3.1 無反饋控

17、制的流加操作無反饋控制的流加操作 采用這種操作方式時，基質(zhì)的流加按預(yù)先設(shè)采用這種操作方式時，基質(zhì)的流加按預(yù)先設(shè)置好的條件進行。因此，表達系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是置好的條件進行。因此，表達系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是否正確成為反應(yīng)成敗的關(guān)鍵。最簡單的微生物的否正確成為反應(yīng)成敗的關(guān)鍵。最簡單的微生物的生長速率為生長速率為VXdtVXd)(.作為流加基質(zhì)的平衡式，有作為流加基質(zhì)的平衡式，有mVXdtVXdYFSdtVSdSXin)(1)(反應(yīng)液體積變化的方程式為反應(yīng)液體積變化的方程式為vapKFdtdV. 式中，式中，K Kvapvap為單位時間里由于通氣，隨排出氣為單位時間里由于通氣，隨排出氣體而失去的水分。如果流加

18、的基質(zhì)能夠迅速并完體而失去的水分。如果流加的基質(zhì)能夠迅速并完全為菌體所消耗，并且維持代謝為零時，可得到全為菌體所消耗，并且維持代謝為零時，可得到最大的菌體濃度最大的菌體濃度X Xmaxmax。由于基質(zhì)流加量與基質(zhì)消耗。由于基質(zhì)流加量與基質(zhì)消耗量相等，可認為，這樣由流加基質(zhì)的平衡式有量相等，可認為，這樣由流加基質(zhì)的平衡式有 XYSVFSXin1對于所供給基質(zhì)的濃度，菌體濃度近似一定，即對于所供給基質(zhì)的濃度，菌體濃度近似一定，即dX/dt=0dX/dt=0時。由上式，可認為時。由上式，可認為F/V（=D,=D,即稀釋即稀釋率）。率）。 .一、一、定流量流加操作定流量流加操作 定流量流加操作是指基質(zhì)

19、的流加速度保持一定定流量流加操作是指基質(zhì)的流加速度保持一定的流加操作。此時。時間時，由菌體的恒算式的流加操作。此時。時間時，由菌體的恒算式0000)(VXSVtFSYXVinSX可知，時間可知，時間t t時的菌體濃度為時的菌體濃度為 0000)(VFtXSYVtFSYXSXinSX.這種流加方式的最大特點是微生物進行線型生長這種流加方式的最大特點是微生物進行線型生長（linear growthlinear growth），即），即 式中式中K KL L是線性生長速率常數(shù)。一般，在線性生長階是線性生長速率常數(shù)。一般，在線性生長階段，基質(zhì)濃度相當(dāng)?shù)?。段，基質(zhì)濃度相當(dāng)?shù)汀?（一定）LKdtVXd)(

20、.二、指數(shù)流加操作二、指數(shù)流加操作 通過采用隨時間呈指數(shù)性變化的方式流加基質(zhì)，通過采用隨時間呈指數(shù)性變化的方式流加基質(zhì)，維持微生物菌體的對數(shù)生長的操作方法稱為指數(shù)流維持微生物菌體的對數(shù)生長的操作方法稱為指數(shù)流加操作。此時，以滿足加操作。此時，以滿足等于定值為基礎(chǔ)，流加基等于定值為基礎(chǔ)，流加基質(zhì)，由質(zhì)，由MonodMonod方程可獲得方程可獲得S=S=常數(shù)。此時，由于常數(shù)。此時，由于dX/dt=0dX/dt=0，結(jié)合前述的擬穩(wěn)定狀態(tài)條件，有如下方程，結(jié)合前述的擬穩(wěn)定狀態(tài)條件，有如下方程式式dtdVVVF1.基于上式，菌體量為基于上式，菌體量為)exp(00tVXXV流量為流量為)exp(0tFF

21、 從以上結(jié)果可知，采用這種方式操作，不僅能從以上結(jié)果可知，采用這種方式操作，不僅能保證微生物呈指數(shù)生長，而且能保持基質(zhì)濃度一定。保證微生物呈指數(shù)生長，而且能保持基質(zhì)濃度一定。流加基質(zhì)濃度流加基質(zhì)濃度S Sinin與反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液最終體積、最終與反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液最終體積、最終菌體量菌體量X Xf f和菌體收率和菌體收率Y YX/SX/S有如下關(guān)系：有如下關(guān)系：.)(000VVYVXVXSfSXffin 擬穩(wěn)定狀態(tài)下初始流加速度擬穩(wěn)定狀態(tài)下初始流加速度F F0 0可由（可由（4-244-24）給出。給出。 SXinYSXVF000 微生物每次培養(yǎng)都可能有微妙的變化，因微生物每次培養(yǎng)都可能有微妙的變化

22、，因此，無反饋控制的流加操作適用范圍很窄。此，無反饋控制的流加操作適用范圍很窄。 .4.3.2 4.3.2 有反饋控制的流加操作有反饋控制的流加操作陰溝腸桿菌定流量流加培養(yǎng)陰溝腸桿菌定流量流加培養(yǎng). 甘油為基質(zhì)進行陰溝腸桿菌甘油為基質(zhì)進行陰溝腸桿菌（Enterobacter cloacaeEnterobacter cloacae）定流量流加培養(yǎng)）定流量流加培養(yǎng)的實驗結(jié)果與計算機模擬結(jié)果如前圖。圖中的實驗結(jié)果與計算機模擬結(jié)果如前圖。圖中（a a）是甘油水溶液為流加基質(zhì)的結(jié)果，如圖）是甘油水溶液為流加基質(zhì)的結(jié)果，如圖4-44-4所示的那樣，菌體濃度一定（所示的那樣，菌體濃度一定（XVXV以直線方以

23、直線方式增加）。圖中（式增加）。圖中（b b）甘油直接為流加基質(zhì)，）甘油直接為流加基質(zhì)，與甘油水溶液的不同，流加的基質(zhì)全部被消與甘油水溶液的不同，流加的基質(zhì)全部被消耗，反應(yīng)液的體積耗，反應(yīng)液的體積V V一定，菌體濃度一定，菌體濃度X X按照直按照直線方式增加。此時，確保了高濃度培養(yǎng)的成線方式增加。此時，確保了高濃度培養(yǎng)的成功。功。 .4.44.4 連續(xù)式操作連續(xù)式操作 連續(xù)操作有兩大類型，即CSTR（continuous stirred tank reactor）型和CPFR(continuous plug flow tulular reactor）型。 根據(jù)達成穩(wěn)定狀態(tài)的方法不同，CSTR型

24、連續(xù)操作，大致可分為三種。一是恒化器法（chemostat），二是恒濁器法（turbidstat），第三是營養(yǎng)物恒定法（nutristat）。. 恒化器法是指在連續(xù)培養(yǎng)過程中，基質(zhì)恒化器法是指在連續(xù)培養(yǎng)過程中，基質(zhì)流加速度恒定，以調(diào)節(jié)微生物細胞的生長速流加速度恒定，以調(diào)節(jié)微生物細胞的生長速率與恒定流量相適應(yīng)的方法。率與恒定流量相適應(yīng)的方法。 恒濁器法是指預(yù)先規(guī)定細胞濃度，通過恒濁器法是指預(yù)先規(guī)定細胞濃度，通過基質(zhì)流量控制，以適應(yīng)細胞的既定濃度的方基質(zhì)流量控制，以適應(yīng)細胞的既定濃度的方法。營養(yǎng)物恒定法是指通過流加一定成分，法。營養(yǎng)物恒定法是指通過流加一定成分，使培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分恒定的方法。實際

25、應(yīng)使培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分恒定的方法。實際應(yīng)用中多采用恒化器法用中多采用恒化器法 。.單級單級CSTRCSTR培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)系統(tǒng) 4.4.1 4.4.1 恒化器法連續(xù)操作恒化器法連續(xù)操作.1 1、單級連續(xù)培養(yǎng)操作、單級連續(xù)培養(yǎng)操作 上圖所示的單級上圖所示的單級CSTRCSTR培養(yǎng)系統(tǒng)中，流培養(yǎng)系統(tǒng)中，流入液中僅一種成分為微生物生長的限制性入液中僅一種成分為微生物生長的限制性因子，其他成分在不發(fā)生抑制的條件下充因子，其他成分在不發(fā)生抑制的條件下充分存在。反應(yīng)過程中，菌體、限制性基質(zhì)分存在。反應(yīng)過程中，菌體、限制性基質(zhì)及產(chǎn)物的物料衡算式為及產(chǎn)物的物料衡算式為 變化量變化量= =流入量流入量+ +生成量生

26、成量- -流出量流出量 由于流入液中菌體與產(chǎn)物的濃度為零，由于流入液中菌體與產(chǎn)物的濃度為零，因此，上述衡算式寫成數(shù)學(xué)表達式為因此，上述衡算式寫成數(shù)學(xué)表達式為.FXXVdtdXV微生物菌體：XVSSFdtdSVin)(基質(zhì)：FPXVdtdPV產(chǎn)物：式中，式中， F F為反應(yīng)液流入與流出速度為反應(yīng)液流入與流出速度L/hL/h， V V為反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液的體積為反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液的體積L L， SinSin為流入液中限制性底物的濃度為流入液中限制性底物的濃度mol/Lmol/L， S S為反應(yīng)器內(nèi)和流出液中限制性底物濃度為反應(yīng)器內(nèi)和流出液中限制性底物濃度mol/Lmol/L， 其余符號同前。其余符號同前。

27、 .以上式子兩邊同除以以上式子兩邊同除以V V，則，則 DXXdtdXXSSDdtdSin)(DPXdtdP.式中，式中，D D稱為稀釋率稱為稀釋率(dilution rate） VFD/根據(jù)菌體得率和的定義式，以及根據(jù)菌體得率和的定義式，以及MonodMonod方程，方程， 可改寫成可改寫成 XDSKSdtdXS)(maxSKSYXSSDdtdSSSXinmax)(DPXSKYdtdPSXPmax.穩(wěn)定狀態(tài)下，穩(wěn)定狀態(tài)下，dX/dt=dS/dt=dP/dt=0dX/dt=dS/dt=dP/dt=0，此時的菌，此時的菌體濃度、基質(zhì)濃度和代謝產(chǎn)物濃度可分別表示為體濃度、基質(zhì)濃度和代謝產(chǎn)物濃度可分

28、別表示為)(maxDDKSYXSinSXDDKSSmax)(maxDDKSYPSinSP.事實上事實上D D是有一定限制的，就是要保證，即是有一定限制的，就是要保證，即inSincriSKSDDmax微生物反應(yīng)一般是在微生物反應(yīng)一般是在 條件下進行的，所以條件下進行的，所以由上式，可以認為由上式，可以認為 當(dāng)當(dāng)D D值接近值接近 時，時， ，實際上，實際上X X為零，此時為零，此時 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽優(yōu)?此時稱為沖出（此時稱為沖出（wash outwash out）點，）點， 稱為沖出稱為沖出基質(zhì)濃度基質(zhì)濃度 。也就是微生物的生長速度低于反應(yīng)液流。也就是微生物的生長速度低于反應(yīng)液流加速度時，反應(yīng)液中微

29、生物將全部被排出。當(dāng)然，加速度時，反應(yīng)液中微生物將全部被排出。當(dāng)然，這已無連續(xù)操作的意義，但這一過程可用來確定此這已無連續(xù)操作的意義，但這一過程可用來確定此條件時微生物的條件時微生物的 maxcriDSinKSmaxXSFSFSmax.另外，給出穩(wěn)定狀態(tài)下菌體生長速率和產(chǎn)物生成另外，給出穩(wěn)定狀態(tài)下菌體生長速率和產(chǎn)物生成速率，即速率，即)(maxDDKSDYXDSinSX)(maxDDKSDYPDSinSP所以獲得最高產(chǎn)物產(chǎn)率時的稀釋率為所以獲得最高產(chǎn)物產(chǎn)率時的稀釋率為 )(1 maxmaxinSSSKKD此時，最高代謝產(chǎn)物濃度為此時，最高代謝產(chǎn)物濃度為 )(maxinSSSinSPSKKKSY

30、P.最高產(chǎn)率時的菌體濃度為最高產(chǎn)率時的菌體濃度為 )(maxinSSSinSXSKKKSYX 面包酵母的連續(xù)培養(yǎng)中，最大產(chǎn)率的面包酵母的連續(xù)培養(yǎng)中，最大產(chǎn)率的 確定確定是一個優(yōu)化問題。事實上，最大生產(chǎn)能力是一個優(yōu)化問題。事實上，最大生產(chǎn)能力是在接近最大稀釋率時達到的，其可能與基質(zhì)的利用是在接近最大稀釋率時達到的，其可能與基質(zhì)的利用率存在矛盾。經(jīng)驗表明，率存在矛盾。經(jīng)驗表明， 時，基質(zhì)利用率仍可能大于時，基質(zhì)利用率仍可能大于95%95%。 maxmaxXDmaxmaxXDcriDD7 . 0. 連續(xù)培養(yǎng)為目的微生物選擇了有利的生連續(xù)培養(yǎng)為目的微生物選擇了有利的生長環(huán)境，提高了競爭的優(yōu)勢，有利于減

31、少雜長環(huán)境，提高了競爭的優(yōu)勢，有利于減少雜菌污染的機會。另外，連續(xù)培養(yǎng)過程中的菌菌污染的機會。另外，連續(xù)培養(yǎng)過程中的菌種變異問題也是不可輕視的。種變異問題也是不可輕視的。DNADNA的復(fù)制是一的復(fù)制是一種復(fù)雜而精確的過程，雖然出現(xiàn)差錯的概率種復(fù)雜而精確的過程，雖然出現(xiàn)差錯的概率僅僅1/101/106 6，但因每，但因每mlml反應(yīng)液中往往有反應(yīng)液中往往有10109 9個細個細胞，所以變異問題顯得很重要。當(dāng)然，在這胞，所以變異問題顯得很重要。當(dāng)然，在這一數(shù)量中，多數(shù)突變是不重要的。有人研究一數(shù)量中，多數(shù)突變是不重要的。有人研究了工程菌株連續(xù)培養(yǎng)的理論問題，多數(shù)情況了工程菌株連續(xù)培養(yǎng)的理論問題，多

32、數(shù)情況下，只有保持一定的選擇壓力，工程菌株一下，只有保持一定的選擇壓力，工程菌株一樣可以穩(wěn)定。樣可以穩(wěn)定。 . 3 3、多級連續(xù)培養(yǎng)、多級連續(xù)培養(yǎng) 多級連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)是一具有多級連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)是一具有n n個串聯(lián)反應(yīng)個串聯(lián)反應(yīng)器的連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)。底物流經(jīng)這一系統(tǒng)器的連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)。底物流經(jīng)這一系統(tǒng)的流量為的流量為F F，由物料衡算可得出菌體，由物料衡算可得出菌體X X、產(chǎn)物產(chǎn)物P P及限制性基質(zhì)及限制性基質(zhì)S S的衡算式。這些方的衡算式。這些方程式成立的基本條件是，限制性基質(zhì)由程式成立的基本條件是，限制性基質(zhì)由n-1n-1號反應(yīng)器流入號反應(yīng)器流入n n號反應(yīng)器中立即與號反應(yīng)器中立即與n n號號反應(yīng)器內(nèi)

33、的反應(yīng)物料充分混合均勻。其反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)物料充分混合均勻。其有關(guān)衡算式為有關(guān)衡算式為.nnnnnXXXDdtdX)(1nnSXnnnXYSSDdtdS1)(1nnXPnnnXYPPDdtdP)(1. 穩(wěn)定狀態(tài)下，以上三式左邊為零。因此，有穩(wěn)定狀態(tài)下，以上三式左邊為零。因此，有) 1(1nDDXXnnnSXnnnDYXSSn1DXYDPPnnSPnn1從以上式子可以分析得出，從第二級開始，菌體從以上式子可以分析得出，從第二級開始，菌體的比生長速率不再與稀釋率相等。另外，有關(guān)具的比生長速率不再與稀釋率相等。另外，有關(guān)具有反饋的多級連續(xù)培養(yǎng)操作方程可采用前面所述有反饋的多級連續(xù)培養(yǎng)操作方程可采用前面

34、所述方法推導(dǎo)出來。方法推導(dǎo)出來。.2 2、具有反饋的單級連續(xù)培養(yǎng)、具有反饋的單級連續(xù)培養(yǎng) 有時為了增加反應(yīng)器內(nèi)的菌體濃度，或者在某有時為了增加反應(yīng)器內(nèi)的菌體濃度，或者在某種條件下提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率，對于單級連續(xù)培種條件下提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率，對于單級連續(xù)培養(yǎng)可以采取將反應(yīng)器排出液中的部分微生物重新養(yǎng)可以采取將反應(yīng)器排出液中的部分微生物重新返回反應(yīng)器中。圖返回反應(yīng)器中。圖4-94-9表示具有反饋的單級連續(xù)培表示具有反饋的單級連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)，圖中養(yǎng)系統(tǒng)，圖中g(shù) g為微生物的濃縮系數(shù)（為微生物的濃縮系數(shù)（11），），r r為為再循反應(yīng)液的比例（返回的反應(yīng)液與供給的新鮮再循反應(yīng)液的比例（返回的反應(yīng)液與供給的新鮮反應(yīng)液的體積比）。穩(wěn)定狀態(tài)時，菌體的物料衡反應(yīng)液的體積比）。穩(wěn)定狀態(tài)時，菌體的物料衡算式為算式為XFrXrFgXVdtdXV)1 (0.整理得整理得0)1 (DrrDg由此求得稀釋率為由此求得稀釋率為 )1 (1grD 在這種情況下，在這種情