微生物反应动力学及过程分析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物反应动力学,5,发酵作用：所谓的发酵，广义的讲就是利用微生物或生物化学的手段，将各种物质加以改变，然后利用由此产生的能量及代谢中间体，而得到各种有用的物质,过程,。,5.1发酵,发酵的类型,根据微生物的种类不同，可分为好氧性发酵、厌氧性发酵和兼性发酵。,（1）好氧性发酵(,aerobic fermentation)：,在发酵过程中需要通入一定量的无菌空气，满足微生物呼吸需要。,e.g.,Bacillus subtilis,-amylase,Corynebacterium,265-inosinic acid,Asp.niger,Uv06-citric acid,C,.glutamicum As1299-glutamic acid,（2）厌氧性发酵(anaerobic fermentation)：在发酵过程中不需要供给无菌空气。,e.g.,lactic acid bacteria-lactic acid,Bacillus clostridium,-acetone-butanol,（3）兼性发酵(facultative fermentation)：,在有氧、无氧条件下均能生活。如酒精酵母，在缺氧条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧条件下则进行好氧发酵，大量繁殖菌体细胞,。,生物反应类型：,简单反应：以酶、固定化酶、细胞、固定细胞等为催化剂。,复杂反应：以增殖细胞为催化剂，将培养基转化为新的细胞和代谢产物。,生物反应动力学以反应过程的物料平衡为基础，研究细胞生长、底物（营养物）消耗和产物生产率之间的关系和特点。,5.2培养过程的物料平衡,细胞关于氧的得率系数,Y,x/o,=-,X/O,2,产物关于碳源的得率系数,Yp/s=-,P/S,产物关于细胞的得率系数,Yp/x=,P/X,二氧化碳关于碳源的得率系数,Yco,2,/s=-,CO,2,/S,当基质既是能源又是碳源时，就应考虑维,持能量，即：,碳源总消耗量,=,用于生长的,消耗速率,+,用于维持代谢,的消耗速率,1,Y,G,c,(X),菌体生长得率系数,m,菌体维持代谢,的维持系数,+,=,v,S,v,x,c,(,X,),Y,X/S,-,v,x,Y,X/S,v,s,=-,=,=,dc(s),dt,基质的消耗速率,vs,代谢产物的生成速率,v,p,：单位体积、单位时间内，产物形成的量。,v,p,=,d,c,(P),dt,产物的比生成速率,Q,：,Qs=-,Vs,c,(X),基质的比消耗速率,：,Qp=,X,1,dp,dt,=,X,Vp,氧的比消耗速率,Qo,2,=-,1,X,do,2,dt,二氧化碳比生成速率,Qco,2,=,1,X,dCO,2,dt,5,.,1,.2培养过程的化学计量关系,培养过程中的物质相互转化式：,A,:碳源+氮源+氧 细胞+产物+,CO,2,+H,2,O,B:(-S)+(-N)+(-O2),X+P+CO,2,+H,2,O,C:CH,m,O,l,+a,NH,3,+bO,2,=,ycCH,p,O,n,N,q,+ypCH,r,O,s,N,t,+dH,2,O+eCO,2,yc为无因次生长得率，与,Y,X/S,的关系：,yc=Y,X/S,1是碳源含碳量,2是细胞含碳量,2,1,无因次产物得率,yp,yp=,Yp/s，,3,是产物含碳量,对A式中的碳元素进行物料平衡，有：,D:,1,（-S)=,2,X+,3,P+,4,CO,2,将其写成比速率的关系，则有,：,E:,1,Qs=,2,+,3,Qp+,4,Qco,2,3,1,对A式中各种物质完全氧化时的需氧量衡算：,F:,A,Qs=B,+,Qo,2,+C,Qp,A是碳源完全燃烧的需氧量；B是细胞完全燃烧的需氧量，对微生物细胞大约为45mmol,O,2,/g菌体；C是产物完全燃烧的需氧量；并假定菌体和产物中的氮在燃烧时都成为氨。,由上可知，,如果测定了,、,Qs以及,Qo,2,或Qco,2,根据式E和F可判断过程中是否有产物包括中间代谢产物生成,。,如果产物的生成可以忽略，有式F可得到：,Qo,2,=A,Qs-B,整理后得到：,1/Y,x/o,=A/,Y,X/S,-B,因此在没有产物形成时，按照,Y,X/S,和,Y,x/o,关系，可以估计菌体生成的需氧量。,在基本培养基中，细胞所消耗的碳源，用于产生能量、合成细胞成分及产物，可用下式表示：,（-,S）=,（-,S）,M,+,（-,S）,G,+,（-,S）,A,+,（-,S）,P,则有,（-,S）,M,=mX,t,m为维持系数，X为菌体浓度。,（-,S）,G,=,X/Y,G,Y,G,用于生长的能量得率系数,产生能量维持,代谢所消耗的,碳源,产生能量供,细胞生长所,消耗的碳源,同化作用构成,细胞所消耗的,碳源,形成产物所,消耗的碳源,同化作用构成细胞所消耗的碳源中的碳转化为细胞成分：,1,（-,S）,A,=,2,X,如果无产物形成：则Sp=0,Qs=m+,/,Y,G,其中：,Y,G,=,1,Y,G,1,+,2,Y,G,X,（,-,S,）,G,+,（,-,S,）,A,P200,由上可知：,Y,X/S,是对于全部消耗的碳源为基准的细胞得率系数；,Y,G,是以用于生长所消耗的碳源为基准的细胞得率系数；,Y,G,则是以用于生长中产生能量的那部分碳源为基准的细胞得率系数。,如果随细胞生长有产物形成：则由,（-,S）=,（-,S）,M,+,（-,S）,G,+,（-,S）,A,+,（-,S）,P,可以得出：,Qs-,Qp/,Yp=m+,/Y,G,其中,Yp是产物的最大得率系数,Yp=-,P/Sp,在复合培养基中培养细胞，可以认为培养基中的有机氮源用于合成细胞物质，碳源仅用来提供能量，,当无产物生成时,，,（-,S）=,（-,S）,M,+,（-,S）,G,于是,Qs=m+,/Y,G,当有产物形成时，,Qs-,Qp/,Yp=m+,/Y,G,氧的消耗与碳源的消耗也很相似，在由加氧酶作用的产物生成可以忽略不计的情况下，消耗的氧部分用于维持，部分用于细胞生长：,Qo,2,=,m,o,+,/Y,GO,m,o,关于氧的维持系数；,Y,GO,以氧为基准的细胞得率系数。,5,.,2,微生物生长动力学,无论好氧与厌氧发酵都可以通过深层培养来实现，这种培养均在具有一定径高比的圆柱形发酵罐内完成。,(1)分批式操作 底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。,(2)半分批式操作 也称流加式操作。是指先将一定量底物装入罐内，在适宜条件下接种使反应开始。反应过程中，将特定的限制性底物,以一定速率或时间间隔,送入反应器，以控制罐内限制性底物浓度保持一定，反应终止取出反应系。,(3)反复分批式操作 分批操作完成后取出部分反应系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作进行。,根据发酵操作,(4)反复半分批式操作 流加操作完成后，取出部分反应系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作进行。,(5)连续式操作 反应开始后，一方面把底物连续地供给到反应器中，另一方面又把反应液连续不断地取出，使反应条件不随时间变化。,5,.,2,.1分批发酵法,发酵工业中常见的分批方法是采用单罐深层培养法，每一个分批发酵过程都经历接种，生长繁殖，菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。,这一过程中在某些培养液的条件支配下，微生物经历着由生到死的一系列变化阶段，在各个变化的进程中都受到菌体本身特性的制约，也受周围环境的影响。,分批发酵的特点,微生物所处的环境是不断变化的,可进行少量多品种的发酵生产,发生杂菌污染能够很容易终止操作.,当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易改变处理对策,对原料组成要求较粗放,分批培养过程中细菌生长曲线：可分为延滞期、对数生长期、减速期、静止期和衰亡期五个阶段。,研究细胞的代谢和遗传宜采用生长最旺盛的对数生长期细胞。,在发酵工业生产中，使用的种子应处于对数生长期，把它们接种到发酵罐新鲜培养基时，几乎不出现延迟期，这样可在短时间内获得大量生长旺盛的菌体，有利于缩短生产周期。,在研究和生产中，时常需要延长细胞对数生长阶段。,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=,v+,n,0,t+rt,c是物质浓度；v是种液体积；n,0,是种液中细胞的浓度；,是种液中该物质浓度；,n,0,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/,-,v/,n,0,+r/,(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。,指数生长期细胞特点,细胞保持均恒生长。,不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质，并不断向培养基中分泌代谢产物。,由于此时培养基中的营养成分远远过量，且积累的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖，因而,微生物的生长速率不受这些因素的影响，而仅与微生物本身的比生长速率及发酵液中的生物量浓度X(g/L)相关,。,对于单细胞的微生物来说，还可进一步简化为,N,培养基中的细胞密度。,对于特定的微生物而言，其比生长速率,只与三个因素有关。限制性营养物质的浓度、最大比生长速率,m,、底物相关常数,Ks,。,假定营养物质进入细胞后，立即被利用而不积累，则存在以下关系式：,Ks,一一底物相关常效，为,为,1/2m,时限制性营养物质的浓度。,如果各种营养物质均大大过量的话，则=m，这时便是指数生长期。也就是说，,处于指数生长期的微生物,其生长繁殖不受营养物质的限制，因而具有最大比生长速率,。如果发酵的目的是为了获得微生物菌体的话，则应尽量设法维持指数生长期。,微生物的最大比生长速率在工业上的意义,为保证工业发酵的正常周期，要尽可能地使微生物的比生长速率接近其最大值。,最大比生长速率不仅与微生物本身的性质有关，也与所消耗的底物以及培养的方式有关。,限制微生物生长代谢的并不是发酵液中营养物质的浓度，而是,营养物质进入细胞的速度,。,倍增时间或增代时间：,即细胞浓度增加一倍所需的时间，,td=ln2/,=0.693/,在复合培养基中，有时看不到对数生长期，原因是随细胞生长，限制性因素随细胞生长不断变化的结果。,(三)稳定期,在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被消耗，一些对微生物生长代谢,有害的物质在不断积累,。受此影响，微生物的生长速率和比生长速率就会逐渐下降进入减速期，直至完全停止，这时就进入稳定期。,处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变；,但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的组成物质还在不断变化。,在减速期，营养物质限制生长的典型形式可用Monod方程表示：,=,m,S/(K,S,+S),稳定,期：随着营养物质耗尽或有害代谢产物的积累，细胞生长速率和死亡速率相等，,=,，细胞浓度保持恒定，这一阶段称为静止期。,静止期细胞的表观比生长速率为0，细胞浓度达最大。如果是由于某种营养物质的耗尽，而且在细胞的生长过程中，细胞的得率系数Y,x/s,不变，,则静止期细胞的浓度：,Xm=Xo+Y,x/s,So,即最大生长速率与限制性基质的初始浓度呈线性关系，当Xo=0时，Xm与So呈正比关系。,稳定,期往往是微生物大量生产有用的代谢产物,尤其是次级代谢产物,如抗生素,的阶段。,对于一些营养缺陷型菌株，待生长达到一定程度后，停止供应某种营养物质，使菌体停止生长，维持一定浓度，同时提供合成产物所需的物质，可以大大地延长生产期，提高产物的收得率。,此时，有的细胞开始老化、裂解，形成芽孢，并向培养基中释放出新的碳水化合物和蛋白质等，这些物质可以用来维持生存下来的细胞的缓慢生长。,当微生物赖以生存的培养基中存在多种营养 物质时，微生物将优先利用其易于代谢的营养物质，至其耗用完时，降解利用其他营养物质的酶才能诱导合成或解除抑制。,(四),死亡期,在死亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开始死亡。,这时，以生存细胞的数目的对数对时间作半对数图，可得一直线，这说明微生物细胞的死亡呈指数比率增加。,在发酵工业生产中在进入死亡期之前应及时将发酵液放罐处理。,分批培养中的基质消耗,-ds/dt=,X/Yx/s,对于碳源：-ds/dt=,1,Yx/s,dX,dt,X,Y,G,+,mX,+,QpX,Yp,如果产物的合成可以忽略，则：,-ds/dt=,X,Y,G,+,mX,合并（,1,）和（,2,）式得,：,（,1,）式,（,2,）式,1,Y,x/s,=,1,Y,G,+,m,分批发酵产物形成的动力学,(一)生产连动型产物形成(I型发酵),生产连动型产物通常都直接涉及微生物的产能降解代谢途径，或是正常的中间代谢产物。,酵母发酵生成酒精，以及葡萄糖酸和大部分氨基酸、单细胞蛋白等初级代谢产物或细胞蛋白生产都属于这种类型。,在这种类型的发酵中，微生物的生长、碳水化合物的降解代谢和产物的形成几乎是平行进行的，营养期和分化期彼此不分开。,分批生物工艺中各种比速率,(,生长速率,、基质消耗,q,k,和产物形成,q,p,),之间关系的图示,生产连动型,生产连动型产物的生成反应可表示如下,：,生产连动型产物的合成速率与微生物的比生长速率以及培养基中的菌体浓度呈正比。,产物形成的比速率则与微生物的比生长速率呈正比。,所以，对于这种类型的产物来说，调整发酵工艺参数，使,微生物保持高的比生长速率，,对于快速获得产物、缩短发酵周期十分有利。,(二)部分生长连动型产物形成(II型发酵),部分生长连动型产物又称混合型产物，它们通常都间接地与微生物的初级产能代谢途径相关，是由产能代谢派生的代谢途径产生的。,其生成反应可表示为；,柠檬酸、衣糠酸、乳酸和部分氨基酸为这种类型产物的典型代表。,在分批发酵中，这种类型产物的形成分成两个极限：,起初,，微生物消耗大量底物用于产能代谢和生长，而产物形成很缓馒，甚至根本不形成；,此后,，,当微生物的生长速率开始减慢后，细胞开始大量消耗底物以合成产物,。,对这类产物来说，,营养期和分化期在时间上是彼此分开的,。,分批生物工艺中各种比速率,(生长速率、基质消耗q,k,和产物形成q,p,),之间关系的图示,(b)部分生长连动型,产物的形成只与发酵液中的菌体浓度有关，而微生物的生长速率对它无直接影响。,对于这一类型发酵，只要能,保证获得足够高浓度的生物量,，就可以获得高速率的产物合成。,产物的生成速率既与细胞的生长速率有关，也和细胞浓度有关。,dp/dt=,*X+,X,简化得 Qp=,*+,(三)非生长连动型产物形成(型发酸),非生长连动型的产物一般不是直接或间接来自微生物的产能降解代谢，而是通过两用代谢途径合成的。,在这一类型的发酵中，起初是微生物的初级代谢和菌体生长，而没有产物的合成。此时，营养物质的消耗非常大。,当培养基中的营养物质消耗尽、微生物的生长停止以后，产物才开始通过中间代谢大量合成。即产生该类产物的微生物，其,营养期和分化期在时间上是完全分开的,。,dp/dt=QpX,或,=,X,非生产连动型的产物大多数是微生物的次级代谢产物，大多数的抗生素和生物毒素，以及维生素类。,分批生物工艺中各种比速率(生长速率、基质消耗q,k,和产物形成q,p,)之间关系的图示,c)非生长连动型,5,.,2,.2连续培养技术,与在密闭系统中进行的分批培养相反，连续培养是在开放系统中进行的。,所谓连续培养，是指以一定的速率向发酵液中添加新鲜培养基的同时，以相同的速率流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定不变，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。,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;d,=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,另外，这种反应器常用于固定化菌和固定化细胞所催化的反应，这时就无需再在进料口处加入催化剂。,连续培养在生产上的应用还很有限的原因,许多方法只能连续运转20一200小时，而工业系统则要求必须能稳定运行500一1000小时以上；,工业生产规模长时间保持无菌状态有一定困难；,连续培养所用培养基的组成要保持相对稳定，这样才能取得最大产量，而工业培养基的组成成分，如玉米浆、蛋白胨和淀粉等，在批与批之间有时会出现较大变化；,当使用高产菌株进行生产时，回复突变可能发生。在连续培养过程中，回复突变的菌株有可能会取代生产菌株而成为优势菌株。,连续发酵分类,开放式连续发酵系统：单罐均匀混合连续发酵、多罐均匀混合连续发酵、管道非均匀混合连续发酵、塔式非均匀混合连续发酵,封闭式连续发酵系统：,连续发酵类型,类 型,开放式,(,菌体取出,),封闭式,(,菌体不取出,),单罐,多罐,单罐,多罐,均匀混合,非循环,搅拌发酵罐,搅拌罐,(,串联,),透析膜培养,循环,搅拌发酵罐,(,菌体部分重复使用,),搅拌罐串联,(,菌体部分重复使用,),搅拌发酵罐,(,菌体,100,重复使用,),搅拌发酵罐串联,(,菌体,100,重复使用,),非均匀混合,非循环,管道发酵器塔式发酵罐,塔式发酵罐装有隔板的管道发酵器,(,卧式、立式,),塔式发酵罐,(,菌体,100,重复使用,),塔式发酵罐,(,菌体,100,重复使用,),循环,管道发酵器塔式发酵罐,(,菌体部分重复使用,),塔式发酵罐装有隔板的管道发酵器,(,菌体部分重复使用,),管道发酵器,(,菌体,100,重复使用,),塔式发酵罐装有隔板的管道,(,菌体,100,重复使用,),1,开放式连续发酵,在开放式连续发酵系统中，培养系统中的微生物细胞随着发酵液的流出而一起流出，细胞流出速度等于新细胞形成速度。因此在这种情况下，可使细胞浓度处于某种稳定状态。,另外，最后流出的发酵液如部分返回(反馈)发酵罐进行重复使用，则该装置叫做循环系统，发酵液不重复使用的装置叫做不循环系统。,(1)单罐均匀混合连续发酵：培养液以一定的流速不断地流加到带机械搅拌的发酵罐中，与罐内发酵液充分混合，同时带有细胞和产物的发酵液又以同样流速连续流出。如果用一个装置将流出的发酵液中部分细胞返回发酵罐，就构成循环系统。,(2)多罐均匀混合连续发酵：将若干搅拌发酵罐串联起来，就构成多罐均匀混合连续发酵装置。新鲜培养液不断流人第一只发酵罐，发酵液以同样流速依次流人下一只发酵罐，在最后一只罐中流出。多级连续发酵可以在每个罐中控制不同的环境条件以满足微生物生长各阶段的不同需要，并能使培养液中的营养成分得到较充分的利用，最后流出的发酵液中细胞和产物的浓度较高，所以是最经济的连续方法。,(3)管道非均匀混合连续发酵：管道的形式有多种，如直线形、S形、蛇形管等。培养液和从种子罐来的种子不断流入管道发酵器内，使微生物在其中生长。,这种连续发酵的方法主要用于厌氧发酵。如在管道中用隔板加以分隔，每一个分隔等于一台发酵罐，就相当于多罐串联的连续发酵。,(4)塔式非均匀混合连续发酵：,塔式发酵罐有两种：一种是用多孔板将其分隔成若干室，每个室等于一台发酵罐，这样一台多孔板塔式发酵罐就相当于一组多级串联的连续发酵装置。另一种是在罐内装设填充物，使菌体在上面生长，这种形式仍然属于单罐式。,2,封闭式连续发酵,在封闭式连续发酵系统中，运用某种方法使细胞一直保持在培养器内，并使其数量不断增加。这种条件下，某些限制因素在培养器中发生变化，最后大部分细胞死亡。因此在这种系统中，不可能维持稳定状态。,封闭式连续发酵可以用开放式连续发酵设备加以改装，只要使全部菌体重新循环使用。,另一种方法是采用间隔物或填充物置于设备内，使菌体在上面生长，发酵液流出时不带细胞或所带细胞极少。,透析膜连续发酵是一个新方法，它是采用一种具有微孔的有机膜将发酵设备分隔，这种膜只能通过发酵产物，而不能通过菌体细胞。,将培养液连续流加到发酵设备的具有菌体的间隔中，微生物的代谢产物就通过透析膜连续不断地从另一间隔流出。,在一些发酵过程中，当发酵液中代谢产物积累到一定程度时就会抑制它的继续积累，而采用透析膜发酵的方法可使代谢产物不断透析出去，发酵液中留下不多，因而可以提高产品得率。,5,.,2,.2.1单级连续培养的理论计算,微生物的物料衡算,(细胞进入)-(细胞流出)+(细胞生长)-(细胞死亡)=(细胞积累速率),在稳态操作情况下可以假设：,（1）x,0,=0，即入口仅加入基质（S,0,）；,（2）反应器无积累，dx/dt=0,ds/dt=0；,（3）菌体死亡速率远较生长速率低，,c,0,(X),，,则,c,max,(X)=,Y,X/S,c,0,(S),在,c,(X)=,c,0,(X),时，,开始以恒速补加培养基,此时,D,m,F,c,(X),Y,X/S,培养液中微生物细胞总量,c,(,X,)=,c,(,X,),V,c,0,(S),时间,t,时培养,基的体积，,L,F,c,(X),Y,X/S,c,0,(S)=,由,知,dc,(S),dt,=,0,dc,(,X,),dt,=,0,D,在准恒定状态下，由,c,(S),DK,S,m,-D,c,(X),=,c,0,(X),+,F,c,0,(S)t,Y,X/S,=,D,m,c,(S),K,S,+,c,(S),补料分批培养的优缺点,优点 在这样一种系统中可以维持低的基质浓度，避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料控制达到最佳的生长和产物合成条件；还可以利用计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产工艺。,缺点 由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌机会,重复补料分批培养：是指在培养 过程中，每隔一定的时间，取出一定体积的培养液，同时又在同一时间间隔内加入相同体积的培养基，如此反复进行的培养方式,。,