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1、 第八章第八章 连续发酵连续发酵（Continuous Fermentation）分批发酵的不足之处分批发酵的不足之处 ? ? 在分批发酵过程中在分批发酵过程中, ,微生物处于连续变化的环境中微生物处于连续变化的环境中. .由于基质的不断消由于基质的不断消耗耗, ,有害代谢产物的不断积累有害代谢产物的不断积累, ,环境条件不断变化环境条件不断变化, ,使微生物不能长久地使微生物不能长久地处在旺盛的发酵期处在旺盛的发酵期. .发酵设备的利用率较低发酵设备的利用率较低, ,单位体积时间所产生的产物单位体积时间所产生的产物量也较少。量也较少。一一. . 连续培养连续培养 (发酵发酵) 的概念及其优缺

2、点的概念及其优缺点代谢产物的目的代谢产物的目的。 下页是连续培养下页是连续培养(发酵发酵)的优缺点表的优缺点表二二. 连续发酵的类型连续发酵的类型 连续发酵的类型根据反应器可分为连续发酵的类型根据反应器可分为罐式连续发酵罐式连续发酵和和管式连续发酵管式连续发酵; 纯培养的连续操作主要是采用搅拌罐连续反应器纯培养的连续操作主要是采用搅拌罐连续反应器; 管式反应器无法单独使用管式反应器无法单独使用, 必须与其它形式的反应器联合使用。必须与其它形式的反应器联合使用。根据控制菌体的方法可以分成根据控制菌体的方法可以分成:开放式和封闭式两类系统开放式和封闭式两类系统, 各类系统各类系统又可细分又可细分

3、(见下页表见下页表) P127 教材教材三三. 罐式连续发酵罐式连续发酵 发酵设备与分批发酵设备无根本区别发酵设备与分批发酵设备无根本区别.根据所用罐数又可分为单罐连续发酵和多根据所用罐数又可分为单罐连续发酵和多罐连续发酵。罐连续发酵。1. 单罐连续发酵单罐连续发酵 通常先要进行一段时间的分批发酵通常先要进行一段时间的分批发酵.当当反应器中的细胞浓度达到一定程度后反应器中的细胞浓度达到一定程度后,以恒以恒定的流量向反应器中流加培养基定的流量向反应器中流加培养基,同时以相同时以相同流量取出发酵液同流量取出发酵液,使反应器内的发酵液体使反应器内的发酵液体积保持恒定积保持恒定.如果在反应器中进行充分

4、的搅如果在反应器中进行充分的搅拌拌,则培养液中各处的组成相同则培养液中各处的组成相同,并且也与流并且也与流出液的组成相同出液的组成相同,成为一个连续流动搅拌罐成为一个连续流动搅拌罐反应器反应器(CSTR) 连续发酵的控制方式有两种连续发酵的控制方式有两种: 恒浊器法恒浊器法 恒化器法恒化器法a. 恒浊器法恒浊器法(turbidostat) 通过自控仪表调节输入料液的流量通过自控仪表调节输入料液的流量, 以控制培养液中以控制培养液中的菌体浓度达到恒定值的菌体浓度达到恒定值.b. 恒化器法恒化器法(chemostat) 与与 a 相似之处是维持一定的体积相似之处是维持一定的体积, 不同之处是菌体浓

5、不同之处是菌体浓度不是直接控制的度不是直接控制的,而是通过恒定输入的养料中某一种生长限制基质的浓而是通过恒定输入的养料中某一种生长限制基质的浓度度(共余组分均为过量共余组分均为过量)来控制来控制.产生菌的生长最终便由生长限制因素所决定产生菌的生长最终便由生长限制因素所决定.四四. 连续发酵动力学连续发酵动力学-以恒化器法培养进行研究以恒化器法培养进行研究(1) 稀释速率与菌体生长的关系稀释速率与菌体生长的关系: 在连续培养中菌体的物料平衡关系为在连续培养中菌体的物料平衡关系为: V(dX/dt) = FX0 + xV - FX (净增加量净增加量) (输入量输入量) (生长量生长量) (输出量

6、输出量)式中式中: F: 单位时间内输入或输出的培养液体积单位时间内输入或输出的培养液体积, L/ h; X0:输入料液中的菌体浓度输入料液中的菌体浓度, g / L; V: 发酵过程中的培养发酵过程中的培养 X: 输出培养液中的菌体浓度输出培养液中的菌体浓度, g / L; 液的体积液的体积, L; x: 单位时间内单位体积培养液中菌体的增长量单位时间内单位体积培养液中菌体的增长量, g / L h; 情况情况1, 如如: 料液是新鲜培养基料液是新鲜培养基 则则: X0 = 0 当整个系统达到平衡时当整个系统达到平衡时, dX/dt = 0, 前式前式 V(dX/dt) = FX0 + xV

7、 - FX 就为: x= FX; F/V = x/X 这里这里, F/V = D 稀释度稀释度, (-1 )含义是单位时间内新进入的培养基体积占罐内培养液总含义是单位时间内新进入的培养基体积占罐内培养液总 体积的分数体积的分数; D的倒数的倒数 t h表示培养液在罐中的平均停留时间表示培养液在罐中的平均停留时间,单位为单位为h; x/X 相当于分批培养中的比生长速率相当于分批培养中的比生长速率 所以所以: 整个系统平衡时整个系统平衡时: D = 微生物在单罐连续培养时达到稳定的平衡条件就是微生物在单罐连续培养时达到稳定的平衡条件就是 D = 情况情况2,2,如如: X0 = 0, D = ,

8、则则: dX/dt = x - DX 由于由于: x = X 所以所以: dX/dt = (- D)X; D 与与关系所致将出现以下三种状况关系所致将出现以下三种状况如如 D小于小于: 则则dX/dt是正数是正数, 培养液中菌体浓度将随时间而增加培养液中菌体浓度将随时间而增加;如如 D大于大于: 则则dX/dt是负数是负数, 菌本浓度因培养物被菌本浓度因培养物被“洗出洗出”罐外而减少罐外而减少;如如 D = : 则则dX/dt = 0, 培养物中的菌体浓度不随时间而变化培养物中的菌体浓度不随时间而变化, 培养液达到稳培养液达到稳 定状态。定状态。(2) 稀释速率对菌体与培养液中限制基质浓度的关

9、系稀释速率对菌体与培养液中限制基质浓度的关系: 在连续培养中基质的物料平衡关系为在连续培养中基质的物料平衡关系为: V(dS/dt) = FS0 - FS - Vs (基质浓度的变化基质浓度的变化) (输入输入) (输出输出) (消耗度消耗度) 上式两边除以上式两边除以V则则: dS/dt = DS0 - DS - s式中式中 S0 新鲜培养基中的基质浓度新鲜培养基中的基质浓度,g/L; S 培养罐中及放出培养液中的基质浓度培养罐中及放出培养液中的基质浓度, g/L; s 单位时间内单位体积培养液中基质的耗用量单位时间内单位体积培养液中基质的耗用量, g/L h; dS /dt 培养液中基质浓

10、度随时间改变的变化率培养液中基质浓度随时间改变的变化率, g/L h 如如: dS/dt = 0, 则则: D = s /(S0 - S) -式式 A由于由于: x/s 相当于分批培养中的相当于分批培养中的 YG值值, ( (YG碳源对菌体的理论得率碳源对菌体的理论得率) )因此因此: YG= x/s =X/s或或 s=(X/ YG)那么那么: D = s /(S0 - S) D (S0 - S) = (X / YG)在平衡时由于在平衡时由于 D =D (S0 - S) = (X / YG) = YG (S0 - S) 又由于又由于, 莫诺方程莫诺方程:=m S /(Ks + S) S = K

11、s/(m-) = Ks D/(m- D)所以所以:= YG (S0 - S) 可写成可写成:= YG S0 - Ks D/(m- D) -式式 B如果如果D =, 则则: dS/dt = 0因为因为: dS/dt = DS0 - DS - s dS/dt = DS0 - DS - s = DS0 - DS - X/ YG -式式 C 这三个公式可以定量地描述恒成分培养中培养物的性质。这三个公式可以定量地描述恒成分培养中培养物的性质。以上的公式表明以上的公式表明不管培养物的最初状态如何不管培养物的最初状态如何, 终将建立稳定的状态。终将建立稳定的状态。在连续培养中在连续培养中, 变数很多变数很多

12、, 但主要的有但主要的有D, X以及以及 S0 其它如其它如, x 和和 s等则是应变等则是应变数数, 各个变数中各个变数中, 以以 D 的变化为最基本的变化为最基本, 因为在一个稳定的连续过程中因为在一个稳定的连续过程中, 各个参各个参数均保持恒定不变数均保持恒定不变, 而当而当 D 变化时变化时, 即会引起即会引起 X, S, 等的变化等的变化, 直至达到一直至达到一个新的平衡为止。当达到新的平衡时个新的平衡为止。当达到新的平衡时, 又会自动地和又会自动地和 D 在数值上相等。在数值上相等。S 和和 X 可通过下式求得可通过下式求得 S = Ks/(m-) = Ks D/(m- D) =

13、YG S0 - Ks D/(m- D)根据式根据式C dS/dt = DS0 - DS - s = DS0 - DS - X/ YG 当当 D 增大增大, dS/dt 为正数为正数, 即即 S 随之上升。随之上升。一个说明一个说明 D, X, S 之间关系的例子之间关系的例子 （见下页）（见下页）设设: m = 1.0 h -1; YG = 0.5; Ks =0.2 g/L; S0 = 10g/L;如如: D = 0.5 h -1; 根据根据 平衡时平衡时 D = 以及公式以及公式 (莫诺方程莫诺方程) =m S /( Ks +S)得得:= D =m S /( Ks +S) = 0.5 = 1

14、 S / (0.2 + S) S = Ks/m- = 0.2 0.5/1.0 - 0.5 = 0.2g/L根据根据 = YG (S0 - S) 得得:= YG (S0 - S) = 0.5 (10 - 0.2) = 4.9 g/L 以不同的以不同的D代入代入,则得到不同的则得到不同的 S, X值值; (如图所示如图所示)th2. 多罐串联连续发酵多罐串联连续发酵 下图是多罐串联连续发酵的示意图。多罐串联连续培养可提高生产能力。下图是多罐串联连续发酵的示意图。多罐串联连续培养可提高生产能力。 第一罐情况与单罐培养相同第一罐情况与单罐培养相同, 第二罐料液中菌体浓度第二罐料液中菌体浓度 X02 即

15、为第一罐流出液即为第一罐流出液的菌体浓度的菌体浓度 X1, 第二罐料液的基质浓度第二罐料液的基质浓度 S02 即为第一罐流出液的基质浓度即为第一罐流出液的基质浓度 S1, 则则F1 = F2 如考虑二级连续培养时如考虑二级连续培养时, X01= 0，X02 = X1, dX1/dt = dX2/dt = 0, V1 = V2 则第一级则第一级 FX1 = x1V 或或 1 = D 第二级第二级 FX2 FX1+X2V 2 = D(1 X1/X2) D =2 X2 / (X2X1) 由于两级中由于两级中 D 相等，而第二级中比生长速率相等，而第二级中比生长速率2一般可相当于单罐连续培一般可相当于

16、单罐连续培 养中的比生长速率养中的比生长速率, 所以二级培养时的稀释度可较单级培养时大所以二级培养时的稀释度可较单级培养时大X2 / (X2X1) 倍。在二级连续培养中，欲达到与单级连续培养同样的微生物量所需的培养时倍。在二级连续培养中，欲达到与单级连续培养同样的微生物量所需的培养时 间间 t h 为为: t h1/1 + (1/2) (X2X1) / X2 在二级连续培养中，在二级连续培养中，2可相当于单级连续培养中的可相当于单级连续培养中的, 因此因此, 1/2可以单可以单 罐连罐连 续培养时的停留时间续培养时的停留时间 th代入，于是前式可写为代入，于是前式可写为: t h1/1 + t

17、 h (1 X1/ X2 ) 通过实例可看出培养液在罐中的培养时间比单罐连续培养时少，因此相应通过实例可看出培养液在罐中的培养时间比单罐连续培养时少，因此相应 地提高了生产力。地提高了生产力。(P131)五五. . 管式连续发酵管式连续发酵 连续管式反应器（其理想型为活塞流反应器，连续管式反应器（其理想型为活塞流反应器，PFR）用于单细胞或絮凝物）用于单细胞或絮凝物悬浮状态的微生物反应时，因必须不断地供给菌种悬浮状态的微生物反应时，因必须不断地供给菌种, 所以不能单独使用。可按所以不能单独使用。可按下页图所示下页图所示, 将其接在连续搅拌罐将其接在连续搅拌罐(其理想型为其理想型为CSTR)后后, 或在或在PFR后安装分离后安装分离装置利用循环进行运转。这种微生物反应器的运转存在许多困难装置利用循环进行运转。这种微生物反应器的运转存在许多困难, 所以目前主所以目前主要用于理论研究要用于理论研究, 基本上未进行实际应用。基本上未进行实际应用。1见下页见下页糖液糖液