微生物反应动力学及过程分析.ppt

恒定状态可以有效地延长分批培养中的指数生长期。在恒定的状态下，微生物所处的环境条件，如营养物质浓度、产物浓度、pH值，以及微生物细胞的浓度、比生长速率等可以始终维持不变，甚至还可以根据需要来调节生长速率。 ds=0;dp=0;dX=0;dμ=0 连续培养的工艺种类 1．均匀混合的生物反应器 在这种反应器中，培养基经搅拌而混合均匀，反应器中的各部分培养基间不存在浓度梯度。这种连续培养装置又可进一步分为恒化器和恒浊器两种。 (1)恒化器 是一种设法使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。 这是一种通过控制某一种营养物的浓度，使其始终成为生长限制因子的条件下达到的，因而可称为外控制式的连续培养装置。 在恒化器中，一方面菌体密度会随时间的增长而增高，另一方面，限制生长因子的浓度又会随时间的增长而降低，两者互相作用的结果，出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡。 这样，既可获得一定生长速率的均一菌体，又可获得虽低于最高菌体产量，却能保持稳定菌体密度的菌体。 (2)恒浊器 是根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。在这一系统中，当培养基的流速低于微生物生长速度时，菌体密度增高，这时通过光电控制系统的调节，可促使培养液流速加快，反之亦然，并以此来达到恒密度的目的。因此，这类培养器的工作精度是由光电控制系统的灵敏度来决定的。 在恒浊器中的微生物，始终能以最高生长速率进行生长，并可在允许范围内控制不同的菌体密度。 在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，都可以利用恒浊器。 在恒浊器中，微生物可维持该培养在分批培养时达到的最大生长速率。 一般来说，恒浊器较难控制，目前大多数研究工作者都利用恒化器进行连续培养的研究。 群体生长速率与临界底物浓度的关系 2，活塞流反应器 这是一种不均一的管状反应器，培养基由反应器的一端流入，而从另一端流出。 在这种反应器中，没有返混现象，因而，反应器内的培养基呈极化状态，在其不同的部位，营养物的成分、细胞数目、传质效果、氧供应和生产量都不相同。对于这类反应器，在其入口处，加入物料的同时也必须加入微生物细胞。通常是在反应器的出口处装一支路，使细胞返回，也可以来自另一连续培养装置(种子供应系统)。 恒化器(A)、恒浊器(B)和活塞流反应器(c)中的连续发酵 分批培养条件下微生物的生长曲线 减速期 (一) 延滞期 把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的最初一段时间里，尽管微生物细胞的重量有所增加，但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞期。 ?延滞期细胞特点： 细胞本身面临着一系列的变化，如PH值的改变、营养物质供给增加等。因而，延滞期的微生物主要是适应新的环境，让细胞内部对新环境作出充分反应和调节，从而适应新的环境。 从生理学的角度来说，延滞期是活跃地进行生物合成的时期。微生物细胞将释放必需的辅助因子，合成出适应新环境的酶系，为将来的增殖作准备。 影响延滞期长短的因素 接种材料的生理状态，如果接种物正处于指数生长期，则延滞期可能根本就不出现，微生物在新的培养基中迅速开始生长繁殖，如果接种物在原培养基中已将营养成分消耗殆尽，则要花费较长时间来适应新培养基。 培养基的组成和培养条件也可影响延滞期的长短。 接种物的浓度对延滞期长短也有一定影响，加大接种浓度可相应缩短延滞期。 延滞期长短对发酵结果的影响 种子培养基和培养条件必须合适，只有这样才能获得高的产量。 接种后延滞期的长短关系到发酵周期的长短，而与产物形成速率和产率并无必然联系。 实际生产过程中，为缩短发酵周期、提高设备利用宰、提高体积生产率，就必须尽可能地缩短延滞期。 解决途径： 一是尽量选择处于指数生长期的种子； 二是扩大接种量。但是，如果要扩大接种量，又往往需要多级扩大制种，这不仅增加了发酵的复杂程度，又容易造成杂菌污染，故而应从多方面考虑。 关于延滞期的计算，研究人员认为，培养液中存在某种物质，达到一定浓度时延迟期结束，并提出以下关系： c=αv+βn0t+rt c是物质浓度；v是种液体积；n0是种液中细胞的浓度；α是种液中该物质浓度；βn0是该物质的生产速度；r细胞内该物质的生产速度； 当c达到临界值C时，延迟期结束， 延滞期L= c/β-αv/β n0+r/β (二)指数生长期 对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间内其细胞数目将成倍增加。 而对于丝状微生物而言，单位时间内其生物量将加倍。 此时，如以细胞数目或生物量的对数对时间作一对数图，将得一直线，因而这一时期称作指数生长期。 指数生长期细胞特