第五章 微生物反應(yīng)器操作

第五章微生物反響器操作1、微生物反響器操作根底〔自學(xué)〕**2、分批操作**3、流加操作**4、延續(xù)操作本章擬處理問(wèn)題：5.1微生物反響器操作根底微生物培育過(guò)程根據(jù)能否要求供氧，分為厭氧和好氧培育根據(jù)所用培育基的形狀，可分為液體發(fā)酵和固體發(fā)酵液體發(fā)酵根據(jù)微生物的聚集形狀，又可分為深層培育〔浸沒(méi)培育〕、外表培育和附著培育好氧培育可采用以下幾種方法：〔1〕液體外表培育〔如運(yùn)用淺盤(pán)〕；〔2〕通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵；〔3〕通氧深層培育。深層培育培育方式分類(lèi)：分批式操作〔batchoperation〕半分批式操作〔semi-batchoperation〕反復(fù)分批式操作〔repeatedbatchoperation〕反復(fù)半分批式操作〔repeatedsemi-batchoperation〕延續(xù)式操作〔continuousoperation)5.2分批式操作是指基質(zhì)一次性參與反響器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入，反響完成后將全部反響物料取出的操作方式。特點(diǎn)：①微生物所處的環(huán)境不斷變化；②適宜于少量多種類(lèi)的發(fā)酵消費(fèi)；③發(fā)生雜菌污染時(shí)終止操作容易；④可比較容易經(jīng)過(guò)改動(dòng)處置對(duì)策來(lái)改動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)條件變化或轉(zhuǎn)產(chǎn)新產(chǎn)品；⑤對(duì)原料組成要求較粗放等。優(yōu)點(diǎn)：①設(shè)備制造費(fèi)用低；②同一設(shè)備可進(jìn)展多種產(chǎn)品消費(fèi)；③發(fā)生雜菌污染或菌種變異概率低等缺陷：①反響器非消費(fèi)周期長(zhǎng)；②頻繁滅菌易使檢測(cè)安裝損傷；③每次培育均要接種導(dǎo)致消費(fèi)本錢(qián)添加；④需求非穩(wěn)定過(guò)程控制費(fèi)用等培育過(guò)程中基質(zhì)體積變化a分批式操作b反復(fù)分批式操作c半分批式操作d反復(fù)半分批式操作e延續(xù)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)參與反響器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入反響器中，反響開(kāi)場(chǎng)，反響過(guò)程中將特定的限制性基質(zhì)按照一定要求參與到反響器內(nèi)，以控制限制性基質(zhì)堅(jiān)持一定，當(dāng)反響終止時(shí)取出反響物料的操作方式。酵母、淀粉酶、某些氨基酸和抗生素等采用這種方式進(jìn)展消費(fèi)。反復(fù)分批式操作是指分批操作完成后，不全部取出反響物料，剩余部分重新參與一定量的基質(zhì)，再按照分批式操作方式，反復(fù)進(jìn)展。其培育過(guò)程中基質(zhì)體積變化曲線如圖4-1b所示。反復(fù)半分批式操作是指流加操作完成后，不全部取出反響物料，剩余部分重新參與一定量的基質(zhì)，再按照流加操作方式進(jìn)展，反復(fù)進(jìn)展。其培育過(guò)程中基質(zhì)體積變化曲線如圖4-1d所示。延續(xù)式操作是指在分批式操作進(jìn)展到一定階段，一方面將基質(zhì)延續(xù)不斷地參與反響器內(nèi)，另一方面又把反響物料延續(xù)不斷的取出，使反響條件〔如反響液體積等〕不隨時(shí)間變化的操作方式?；钚晕勰喾ㄌ幹脧U水、固定化微生物反響等多采用延續(xù)式操作。延續(xù)培育過(guò)程中基質(zhì)體積變化曲線如圖4-1e所示。

優(yōu)點(diǎn)缺乏運(yùn)用的場(chǎng)所分分批式操作設(shè)備制造費(fèi)用低；同一設(shè)備可進(jìn)展多種產(chǎn)品消費(fèi)；高收率〔假設(shè)能對(duì)培育過(guò)程了解的深化〕；發(fā)生雜菌污染或菌種變異的幾率低。反響器的非消費(fèi)周期較長(zhǎng)；由于頻繁殺菌，易使檢測(cè)安裝損傷；由于每次培育均要接種，添加了消費(fèi)本錢(qián)；需求非穩(wěn)定過(guò)程控制費(fèi)用；人員操作加大了污染的危險(xiǎn)。進(jìn)展少量產(chǎn)品消費(fèi)；運(yùn)用同一種反響器，進(jìn)展多種產(chǎn)物消費(fèi)；易發(fā)生雜菌污染或菌種變異從培育液中提取產(chǎn)物采取分批式操作。流流加式操作高通融性；可恣意控制反響器中的基質(zhì)濃度；可確保微生物所需的環(huán)境；假設(shè)可以了解菌體在分批過(guò)程中的性質(zhì)，可獲得產(chǎn)物高收率。有反響器的非消費(fèi)周期；需求較高的勞動(dòng)力〔需求控制和高價(jià)的檢測(cè)安裝〕；人員的操作加大了污染的危險(xiǎn)；由于頻繁殺菌，易使檢測(cè)安裝損傷。不能進(jìn)展延續(xù)式操作；分批操作消費(fèi)效率低；希望延伸反響時(shí)間；出現(xiàn)基質(zhì)抑制；運(yùn)用營(yíng)養(yǎng)要求變異株一定培育基成分的濃度是菌體收率或代謝產(chǎn)物消費(fèi)速度的影響要素；需求高菌體濃度。連延續(xù)式操作易機(jī)械化、自動(dòng)化；節(jié)約勞動(dòng)力；反響器體積小〔由于無(wú)非消費(fèi)預(yù)備時(shí)間〕；可確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；由于機(jī)械化操作，減少了操作人員的操作帶來(lái)的污染；幾乎沒(méi)有因殺菌，使檢測(cè)安裝損傷的能夠。通融性低〔同一安裝不能消費(fèi)多種產(chǎn)品〕；需求原料的質(zhì)量均一；設(shè)備投資高〔控制、自動(dòng)化等操作具有一定難度〕；長(zhǎng)時(shí)間培育，添加了雜菌污染或菌種變異的幾率；反響器內(nèi)堅(jiān)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〕。需消費(fèi)速率高的場(chǎng)所〔對(duì)于同一質(zhì)量，大量消費(fèi)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(diǎn)5.2.1生長(zhǎng)曲線分批培育中微生物的生長(zhǎng)曲線如圖5-2。隨培育的進(jìn)展，基質(zhì)濃度下降，菌體量添加，產(chǎn)物量相應(yīng)添加。分批式培育過(guò)程中，微生物的生長(zhǎng)可分為：1、緩慢期〔lagphase)；2、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期〔lagarithmicgrowthphase〕；3、減速期〔fransientphase〕；4、靜止期〔stationaryphase〕；5、衰退期〔declinephase〕5個(gè)階段。分批式培育中微生物的生長(zhǎng)曲線5.2.2形狀方程式分批式培育過(guò)程的形狀方程式〔環(huán)境過(guò)程的形狀方程式〕可表示為：基質(zhì)：dS/dt=-yX菌體：dX/dt=μX產(chǎn)物：dP/dt=X氧：CO2：當(dāng)t=0時(shí)上式中，F(xiàn)為惰性氣體流速，V為反響液總?cè)莘e，Pall為氣體總壓力，(Po2)out為排氣中氧的分壓，(Po2)in為進(jìn)氣體中氧的分壓，(Pco2)in為進(jìn)氣體中C02的分壓，(Pco2)out為排氣中CO2的分壓。普通微生物的最適溫度、最適pH的范圍較窄。例如，Calam等人研討了溫度對(duì)產(chǎn)黃青霉〔Penicillumchrysogenum〕生長(zhǎng)速率和青霉素生成速率的影響，發(fā)現(xiàn)最適生長(zhǎng)溫度為30℃，進(jìn)展呼吸的最適溫度為21.7～28.6℃，產(chǎn)物青霉素的最適生成溫度為24.7℃。消費(fèi)中普通采用定值控制。在這樣的條件下，可以以為分批培育過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性取決于基質(zhì)與微生物濃度〔接種量〕及微生物反響的諸比速率的初始值，因此，支配分批式培育統(tǒng)的主要要素是基質(zhì)與微生物的濃度的初始值。分批式微生物反響過(guò)程分析中，需察看X，S和P等隨時(shí)間的變化情況。由于不能夠研討一切反響液成分隨時(shí)間的變化，因此應(yīng)選擇與產(chǎn)物P關(guān)系最為親密的底物S作為察看的對(duì)象。必要時(shí)，可察看兩種基質(zhì)濃度的變化。好氧反響中，溶解氧濃度〔DO〕隨時(shí)間的變化也是很重要的參數(shù)。5.2.3反復(fù)分批操作反復(fù)分批操作系統(tǒng)〔圖4-3〕中培育液體積為V，培育液取出率為，濾液取出率為，由于V一定，所以培育液參與量為。為確保菌體初始濃度一定，有必要將流出液中部分含菌體的培育液取出，此時(shí)菌體量的衡算式為：反復(fù)分批操作表示圖由上式可知

產(chǎn)物濃度的衡算為由上式，濾液取出率為產(chǎn)物的消費(fèi)才干

由上式可知，為提高產(chǎn)物消費(fèi)才干，可采取提高或減少tRB。5.3流加操作優(yōu)點(diǎn)：①同一套設(shè)備可進(jìn)展多種產(chǎn)品消費(fèi)；②可恣意控制反響器中的基質(zhì)濃度；③可確保微生物所需的環(huán)境；④假設(shè)可以了解菌體在分批過(guò)程中的性質(zhì)，可獲得產(chǎn)物高收率缺陷：①存在非消費(fèi)周期；②要較高的投入〔需求控制和高價(jià)的檢測(cè)安裝〕；③人員操作加大了污染的危險(xiǎn)；④由于頻繁染菌，易使檢測(cè)安裝損傷。適用情況：①細(xì)胞高密度培育②發(fā)生底物抑制的過(guò)程③分解代謝物阻遏④營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的培育⑤前體的補(bǔ)充流加培育操作流加操作時(shí)，特定基質(zhì)參與到反響器后，反響液體積就會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)μ、γ和π的可定義如下：

式中，V為反響液體積，F(xiàn)是體積流量，Sin是流加液中的基質(zhì)濃度，F(xiàn)Sin為基質(zhì)的質(zhì)量流量。5.3.1無(wú)反響控制的流加操作

采用這種操作方式時(shí)，基質(zhì)的流加按預(yù)先設(shè)置好的條件進(jìn)展。因此，表達(dá)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型能否正確成為反響成敗的關(guān)鍵。最簡(jiǎn)單的微生物的生長(zhǎng)速率為作為流加基質(zhì)的平衡式，有反響液體積變化的方程式為式中，Kvap為單位時(shí)間里由于通氣，隨排出氣體而失去的水分。假設(shè)流加的基質(zhì)可以迅速并完全為菌體所耗費(fèi)，并且維持代謝為零時(shí)，可得到最大的菌體濃度Xmax。由于基質(zhì)流加量與基質(zhì)耗費(fèi)量相等，可以為，這樣由流加基質(zhì)的平衡式有對(duì)于所供應(yīng)基質(zhì)的濃度，菌體濃度近似一定，即dX/dt=0時(shí)。由上式，可以為〔D稀釋率〕。一、定流量流加操作定流量流加操作是指基質(zhì)的流加速度堅(jiān)持一定的流加操作。此時(shí)。時(shí)間時(shí)，，由菌體的恒算式可知，時(shí)間t時(shí)的菌體濃度為這種流加方式的最大特點(diǎn)是微生物進(jìn)展線型生長(zhǎng)〔lineargrowth〕，即

式中KL是線性生長(zhǎng)速率常數(shù)。普通，在線性生長(zhǎng)階段，基質(zhì)濃度相當(dāng)?shù)?。二、指?shù)流加操作經(jīng)過(guò)采用隨時(shí)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(duì)數(shù)生長(zhǎng)的操作方法稱為指數(shù)流加操作。此時(shí)，以滿足μ等于定值為根底，流加基質(zhì)，由Monod方程可獲得S=常數(shù)。此時(shí)，由于dX/dt=0，結(jié)合前述的擬穩(wěn)定形狀條件，有如下方程式基于上式，菌體量為流量為從以上結(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(zhǎng)，而且能堅(jiān)持基質(zhì)濃度一定。流加基質(zhì)濃度Sin與反響器內(nèi)反響液最終體積、最終菌體量Xf和菌體收率YX/S有如下關(guān)系：擬穩(wěn)定形狀下初始流加速度F0可由〔4-24〕給出。微生物每次培育都能夠有微妙的變化，因此，無(wú)反響控制的流加操作適用范圍很窄。5.3.2有反響控制的流加操作陰溝腸桿菌定流量流加培育甘油為基質(zhì)進(jìn)展陰溝腸桿菌〔Enterobactercloacae〕定流量流加培育的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果如前圖。圖中〔a〕是甘油水溶液為流加基質(zhì)的結(jié)果，如圖4-4所示的那樣，菌體濃度一定〔XV以直線方式添加〕。圖中〔b〕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)全部被耗費(fèi)，反響液的體積V一定，菌體濃度X按照直線方式添加。此時(shí)，確保了高濃度培育的勝利。5.4

延續(xù)式操作延續(xù)操作有兩大類(lèi)型，即CSTR〔continuousstirredtankreactor〕型和CPFR(continuousplugflowtulularreactor〕型。根據(jù)達(dá)成穩(wěn)定形狀的方法不同，CSTR型延續(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(yíng)養(yǎng)物恒定法〔nutristat〕。恒化器法是指在延續(xù)培育過(guò)程中，基質(zhì)流加速度恒定，以調(diào)理微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率與恒定流量相順應(yīng)的方法。恒濁器法是指預(yù)先規(guī)定細(xì)胞濃度，經(jīng)過(guò)基質(zhì)流量控制，以順應(yīng)細(xì)胞的既定濃度的方法。營(yíng)養(yǎng)物恒定法是指經(jīng)過(guò)流加一定成分，使培育基中的營(yíng)養(yǎng)成分恒定的方法。實(shí)踐運(yùn)用中多采用恒化器法。單級(jí)CSTR培育系統(tǒng)5.4.1恒化器法延續(xù)操作1、單級(jí)延續(xù)培育操作上圖所示的單級(jí)CSTR培育系統(tǒng)中，流入液中僅一種成分為微生物生長(zhǎng)的限制性因子，其他成分在不發(fā)生抑制的條件下充分存在。反響過(guò)程中，菌體、限制性基質(zhì)及產(chǎn)物的物料衡算式為變化量=流入量+生成量-流出量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(xiě)成數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中，F(xiàn)為反響液流入與流出速度L/h，V為反響器內(nèi)反響液的體積L，Sin為流入液中限制性底物的濃度mol/L，S為反響器內(nèi)和流出液中限制性底物濃度mol/L，其他符號(hào)同前。以上式子兩邊同除以V，那么式中，D稱為稀釋率(dilutionrate〕根據(jù)菌體得率和的定義式，以及Monod方程，可改寫(xiě)成穩(wěn)定形狀下，dX/dt=dS/dt=dP/dt=0，此時(shí)的菌體濃度、基質(zhì)濃度和代謝產(chǎn)物濃度可分別表示為現(xiàn)實(shí)上D是有一定限制的，就是要保證，即微生物反響普通是在條件下進(jìn)展的，所以由上式，可以以為

當(dāng)D值接近時(shí)，，實(shí)踐上X為零，此時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閇此時(shí)稱為沖出〔washout〕點(diǎn)，稱為沖出基質(zhì)濃度]。也就是微生物的生長(zhǎng)速度低于反響液流加速度時(shí)，反響液中微生物將全部被排出。當(dāng)然，這已無(wú)延續(xù)操作的意義，但這一過(guò)程可用來(lái)確定此條件時(shí)微生物的。另外，給出穩(wěn)定形狀下菌體生長(zhǎng)速率和產(chǎn)物生成速率，即所以獲得最高產(chǎn)物產(chǎn)率時(shí)的稀釋率為此時(shí)，最高代謝產(chǎn)物濃度為最高產(chǎn)率時(shí)的菌體濃度為面包酵母的延續(xù)培育中，最大產(chǎn)率的確定是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題?，F(xiàn)實(shí)上，最大消費(fèi)才干是在接近最大稀釋率時(shí)到達(dá)的，其能夠與基質(zhì)的利用率存在矛盾。閱歷闡明，

時(shí)，基質(zhì)利用率仍能夠大于95%。延續(xù)培育為目的微生物選擇了有利的生長(zhǎng)環(huán)境，提高了競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，有利于減少雜菌污染的時(shí)機(jī)。另外，延續(xù)培育過(guò)程中的菌種變異問(wèn)題也是不可輕視的。DNA的復(fù)制是一種復(fù)雜而準(zhǔn)確的過(guò)程，雖然出現(xiàn)過(guò)失的概率僅1/106，但因每ml反響液中往往有109個(gè)細(xì)胞，所以變異問(wèn)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。有人研討了工程菌株延續(xù)培育的實(shí)際問(wèn)題，多數(shù)情況下，只需堅(jiān)持一定的選擇壓力，工程菌株一樣可以穩(wěn)定。

3、多級(jí)延續(xù)培育多級(jí)延續(xù)培育系統(tǒng)是一具有n個(gè)串聯(lián)反響器的延續(xù)反響系統(tǒng)。底物流經(jīng)這一系統(tǒng)的流量為F，由物料衡算可得出菌體X、產(chǎn)物P及限制性基質(zhì)S的衡算式。這些方程式成立的根本條件是，限制性基質(zhì)由n-1號(hào)反響器流入n號(hào)反響器中立刻與n號(hào)反響器內(nèi)的反響物料充分混合均勻。其有關(guān)衡算式為穩(wěn)定形狀下，以上三式左邊為零。因此，有從以上式子可以分析得出，從第二級(jí)開(kāi)場(chǎng)，菌體的比生長(zhǎng)速率不再與稀釋率相等。另外，有關(guān)具有反響的多級(jí)延續(xù)培育操作方程可采用前面所述方法推導(dǎo)出來(lái)。2、具有反響的單級(jí)延續(xù)培育有時(shí)為了添加反響器內(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(duì)于單級(jí)延續(xù)培育可以采取將反響器排出液中的部分微生物重新前往反響器中。圖4-9表示具有反響的單級(jí)延續(xù)培