《连续发酵汇总课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《连续发酵汇总课件.ppt（25页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第八章 连续发酵（Continuous Fermentation）分批发酵的不足之处?在分批发酵过程中,微生物处于连续变化的环境中.由于基质的不断消耗,有害代谢产物的不断积累,环境条件不断变化,使微生物不能长久地处在旺盛的发酵期.发酵设备的利用率较低,单位体积时间所产生的产物量也较少。一.连续培养(发酵)的概念及其优缺点,代谢产物的目的。下页是连续培养(发酵)的优缺点表,二.连续发酵的类型 连续发酵的类型根据反应器可分为罐式连续发酵和管式连续发酵;纯培养的连续操作主要是采用搅拌罐连续反应器;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。根据控制菌体的方法可以分成:开放式和封闭式两类系
2、统,各类系统又可细分(见下页表),P127 教材,三.罐式连续发酵 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罐连续发酵。1.单罐连续发酵 通常先要进行一段时间的分批发酵.当反应器中的细胞浓度达到一定程度后,以恒定的流量向反应器中流加培养基,同时以相同流量取出发酵液,使反应器内的发酵液体积保持恒定.如果在反应器中进行充分的搅拌,则培养液中各处的组成相同,并且也与流出液的组成相同,成为一个连续流动搅拌罐反应器(CSTR)连续发酵的控制方式有两种:恒浊器法 恒化器法,a.恒浊器法(turbidostat)通过自控仪表调节输入料液的流量,以控制培养液中的菌体浓度达到恒定值
3、.b.恒化器法(chemostat)与 a 相似之处是维持一定的体积,不同之处是菌体浓度不是直接控制的,而是通过恒定输入的养料中某一种生长限制基质的浓度(共余组分均为过量)来控制.产生菌的生长最终便由生长限制因素所决定.四.连续发酵动力学-以恒化器法培养进行研究(1)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:V(dX/dt)=FX0+xV-FX(净增加量)(输入量)(生长量)(输出量)式中:F: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,g/L;V:发酵过程中的培养 X:输出培养液中的菌体浓度,g/L;液的体积,L;x:单位时间内单位体积培养液中菌体
4、的增长量,g/Lh;,情况1,如:料液是新鲜培养基 则:X0=0 当整个系统达到平衡时,dX/dt=0,前式 V(dX/dt)=FX0+xV-FX 就为:x=FX;F/V=x/X 这里,F/V=D 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 体积的分数;D的倒数 t h表示培养液在罐中的平均停留时间,单位为h;x/X 相当于分批培养中的比生长速率 所以: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 D=情况2,如:X0=0,D=,则:dX/dt=x-DX 由于:x=X 所以:dX/dt=(-D)X;D 与关系所致将出现以下三种状况,如 D小于:则dX/
5、dt是正数,培养液中菌体浓度将随时间而增加;如 D大于:则dX/dt是负数,菌本浓度因培养物被“洗出”罐外而减少;如 D=:则dX/dt=0,培养物中的菌体浓度不随时间而变化,培养液达到稳 定状态。(2)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:V(dS/dt)=FS0-FS-Vs(基质浓度的变化)(输入)(输出)(消耗度)上式两边除以V则:dS/dt=DS0-DS-s式中 S0 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,g/L;s 单位时间内单位体积培养液中基质的耗用量,g/Lh;dS/dt 培养液中基质浓度随时间改变的变化率,
6、g/Lh,如:dS/dt=0,则:D=s/(S0-S)-式 A由于:x/s 相当于分批培养中的 YG值,(YG碳源对菌体的理论得率)因此:YG=x/s=X/s或 s=(X/YG)那么:D=s/(S0-S)D(S0-S)=(X/YG)在平衡时由于 D=D(S0-S)=(X/YG)=YG(S0-S)又由于,莫诺方程:=m S/(Ks+S)S=Ks/(m-)=Ks D/(m-D)所以:=YG(S0-S)可写成:=YG S0-Ks D/(m-D)-式 B如果D=,则:dS/dt=0因为:dS/dt=DS0-DS-s dS/dt=DS0-DS-s=DS0-DS-X/YG-式 C 这三个公式可以定量地描述
7、恒成分培养中培养物的性质。,以上的公式表明不管培养物的最初状态如何,终将建立稳定的状态。在连续培养中,变数很多,但主要的有D,X以及 S0 其它如,x 和 s等则是应变数,各个变数中,以 D 的变化为最基本,因为在一个稳定的连续过程中,各个参数均保持恒定不变,而当 D 变化时,即会引起 X,S,等的变化,直至达到一个新的平衡为止。当达到新的平衡时,又会自动地和 D 在数值上相等。S 和 X 可通过下式求得 S=Ks/(m-)=Ks D/(m-D)=YG S0-Ks D/(m-D)根据式C dS/dt=DS0-DS-s=DS0-DS-X/YG 当 D 增大,dS/dt 为正数,即 S 随之上升。
8、一个说明 D,X,S 之间关系的例子（见下页）,设:m=1.0 h-1;YG=0.5;Ks=0.2 g/L;S0=10g/L;如:D=0.5 h-1;根据 平衡时 D=以及公式(莫诺方程)=m S/(Ks+S)得:=D=m S/(Ks+S)=0.5=1 S/(0.2+S)S=Ks/m-=0.20.5/1.0-0.5=0.2g/L根据=YG(S0-S)得:=YG(S0-S)=0.5(10-0.2)=4.9 g/L 以不同的D代入,则得到不同的 S,X值;(如图所示),th,2.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。,第一罐情况与单罐培养相同,第二罐料液
9、中菌体浓度 X02 即为第一罐流出液的菌体浓度 X1,第二罐料液的基质浓度 S02 即为第一罐流出液的基质浓度 S1,则F1=F2 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 FX1=x1V 或 1=D 第二级 FX2 FX1+X2V 2=D(1 X1/X2)D=2 X2/(X2X1)由于两级中 D 相等，而第二级中比生长速率2一般可相当于单罐连续培 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 间 t h 为:t h1/1+(1/2)(X
10、2X1)/X2 在二级连续培养中，2可相当于单级连续培养中的,因此,1/2可以单 罐连 续培养时的停留时间 th代入，于是前式可写为:t h1/1+t 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 地提高了生产力。(P131),五.管式连续发酵 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。可按下页图所示,将其接在连续搅拌罐(其理想型为CSTR)后,或在PFR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,所以目前主要用于理论研究,基本上未进行实际应用。,1,几个连续发酵的例子,见下页,糖液,
