微生物反應(yīng)器操作

5微生物反應(yīng)器操作教學(xué)基本內(nèi)容：講授微生物反應(yīng)器的操作方式，包括分批式操作、連續(xù)式操作、流加式操作。連續(xù)式操作的定義、數(shù)學(xué)模型，連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作條件，連續(xù)操作的優(yōu)缺點(diǎn)，在生產(chǎn)上和科研中的應(yīng)用；流加式操作的定義、數(shù)學(xué)模型，定流量流加、指數(shù)流加的概念，流加式操作的控制優(yōu)化問題。分批式操作下微生物生長(zhǎng)曲線。5.1微生物反應(yīng)器操作基礎(chǔ)5.2連續(xù)式操作5.3流加式操作5.4分批式操作授課重點(diǎn)：1.三種基本操作方式的比較。2.單級(jí)連續(xù)式操作的數(shù)學(xué)模型，連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作條件，沖出現(xiàn)象。3.連續(xù)操作的優(yōu)缺點(diǎn)及在生產(chǎn)上和科研領(lǐng)域的應(yīng)用。4流加式操作的數(shù)學(xué)模型，指數(shù)流加和定流量流加的概念。5.流加操作的控制與優(yōu)化。6.分批式操作下微生物的生長(zhǎng)曲線。難點(diǎn)：1.連續(xù)式操作的數(shù)學(xué)模型。2.多級(jí)連續(xù)培養(yǎng)的數(shù)學(xué)模型。3.流加式操作的數(shù)學(xué)模型。本章主要教學(xué)要求：1.理解微生物反應(yīng)器操作方式的概念。注意連續(xù)式操作、流加式操作和分批式操作的區(qū)別。2.理解和掌握連續(xù)式操作的數(shù)學(xué)模型及連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作條件。3.理解指數(shù)流加和定流量流加的區(qū)別。4.了解連續(xù)式操作的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用。5.了解流加式操作的優(yōu)化和控制。5微生物反應(yīng)器操作5.1微生物反應(yīng)器操作基礎(chǔ)5.1.1微生物反應(yīng)器操作方式分批式操作：是指基質(zhì)一次性加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入，反應(yīng)完成后將全部反應(yīng)物料取出的操作方式。連續(xù)式操作：是指分批操作進(jìn)行到一定階段，一方面將基質(zhì)連續(xù)不斷地加入反應(yīng)器內(nèi)，另一方面又把反應(yīng)物料連續(xù)不斷的取出，使反應(yīng)條件不隨時(shí)間變化的操作方式。流加式操作：是指先將一定量基質(zhì)加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入反應(yīng)器中，反應(yīng)開始，反應(yīng)過程中將特定的限制性基質(zhì)按照一定要求加入到反應(yīng)器內(nèi)，以控制限制性基質(zhì)濃度保持一定，當(dāng)反應(yīng)終止時(shí)取出反應(yīng)物料的操作方式。Vt圖5－1分批式操作中基質(zhì)體積變化Vt圖5－2流加式操作Vt圖5－3連續(xù)式操作5.1.2不同操作方式的特點(diǎn)在分批式操作中，反應(yīng)液中基質(zhì)濃度S隨反應(yīng)進(jìn)行不斷降低，菌體濃度X、產(chǎn)物濃度P則不斷升高，因此是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程。當(dāng)微生物反應(yīng)存在底物抑制時(shí)，初期底物濃度高不利于反應(yīng)。后期底物濃度過低，則反應(yīng)速度很低。在流加式操作中，基質(zhì)濃度控制在一定水平，避免了底物抑制問題。流加過程中反應(yīng)液體積是變化的。流加式操作可達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)。在連續(xù)式操作中，反應(yīng)液體積V、底物濃度S、菌體濃度X、產(chǎn)物濃度P保持恒定，連綿式操作是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程。5.1.3不同操作方式的優(yōu)缺點(diǎn)見教材73頁表5-1。5.2連續(xù)式操作連續(xù)式操作有兩大類型，即CSTR型和CPFR型，CPFR型多用于酶促反應(yīng)過程，微生物反應(yīng)的連續(xù)式操作多采用CSTR型。根據(jù)達(dá)成穩(wěn)定狀態(tài)的方法不同，CSTR型連續(xù)操作，大致可分為以下3種：恒化器法：指連續(xù)培養(yǎng)過程中，基質(zhì)流加速度恒定，以調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率與恒定流量相適應(yīng)的方法。恒濁器法：指預(yù)先規(guī)定細(xì)胞濃度，通過基質(zhì)流量控制，以適應(yīng)細(xì)胞的既定濃度的方法。營(yíng)養(yǎng)物恒定法：指通過流加一定成分，使培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分恒定的方法。5.2.1恒化器法單級(jí)連續(xù)操作5.2.1.1數(shù)學(xué)模型圖5－4所示的單級(jí)CSTR培養(yǎng)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。F（S0，X0）S，X，PF（S，X，P）F（S0，X0）S，X，PF（S，X，P）圖5－4單級(jí)CSTR培養(yǎng)系統(tǒng)菌體的物料衡算式：變化量=流入量+生長(zhǎng)量流出量即：（5－1）限制性基質(zhì)的物料衡算式：變化量=流入量流出量－消耗量即（5－2）產(chǎn)物的物料衡算式：變化量=流入量＋生成量流出量即：（5－3）（5－1）式～（5－3）式兩邊同除以V，則（5－4）（5－5）（5－6）式中D為稀釋率，穩(wěn)定狀態(tài)下，，因此D=μ（5－7）（5－8）（5－9）若微生物生長(zhǎng)符合莫諾模型，則（5－10）（5－7）式～（5－10）式為恒化器法單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)的數(shù)學(xué)模型。稀釋率D是一個(gè)重要的操作參數(shù)。根據(jù)上述方程可知當(dāng)D確定時(shí)，、S、X、P即可唯一確定。D=F/V，因此，當(dāng)反應(yīng)液體積一定時(shí)，可通過控制流量F來控制、S、X、P，這正是恒化器法又被稱為外部控制方法的緣故。5.2.1.2連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作條件：D的取值是有限制的，即應(yīng)有，式中，為臨界稀釋率。微生物反應(yīng)一般是在條件下進(jìn)行的，所以當(dāng)D時(shí)，根據(jù)（5－4）式可知，反應(yīng)器中菌體終將全部被沖出(wash-out)，稱為沖出現(xiàn)象。5.2.1.3菌體產(chǎn)率、產(chǎn)物產(chǎn)率菌體產(chǎn)率（5－11）產(chǎn)物產(chǎn)率（5－12）獲得最大菌體產(chǎn)率（或最大產(chǎn)物產(chǎn)率）時(shí)的稀釋率為（5－13）此時(shí)，最大菌體產(chǎn)率為（5－14）最高產(chǎn)物產(chǎn)率為（5－15）當(dāng)時(shí)，，（5－16）例1：以葡萄糖為限制性底物，連續(xù)培養(yǎng)大腸桿菌，在此培養(yǎng)條件下，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下，比較理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。已知m=1.08h-1，KS=0.102g/L，YX/S=0.505g/g。單級(jí)恒化器連續(xù)培養(yǎng)大腸桿菌S0=0.968g/L稀釋率D(h-1)葡萄糖S(mg/L)菌體濃度X(mg/L)菌體產(chǎn)率DX(mg/L.h)0.066427260.1213434520.24334171000.31404381360.43644221810.531024272260.601224242540.661534222790.691704302970.712213902770.73210352257解：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算菌體產(chǎn)率DX，列入上表。根據(jù)理論公式計(jì)算不同稀釋率下的葡萄糖濃度S、菌體濃度X和菌體產(chǎn)率DX，列入下表。，，單級(jí)恒化器連續(xù)培養(yǎng)大腸桿菌S0=0.968g/L稀釋率D(h-1)葡萄糖S(mg/L)菌體濃度X(mg/L)菌體產(chǎn)率DX(mg/L.h)0.066486290.1213482580.24294741140.31414681450.43674551960.53984392330.601274252550.661604082690.691803982750.711963902770.73213381278分別以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)繪制S~D、X~D及DX~D曲線。實(shí)驗(yàn)曲線用實(shí)線表示，理論曲線用虛線表示。XXDXDXSS觀察理論曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的擬合情況，可以發(fā)現(xiàn)，兩組曲線基本吻合，在稀釋率較小時(shí)X~D理論曲線與實(shí)驗(yàn)曲線存在較大偏差。例2葡萄糖為限制性基質(zhì)進(jìn)行呼吸缺陷型酵母突變株的單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)（恒化器法）。請(qǐng)給出存在乙醇抑制和無抑制兩種情況下稀釋率D與菌體濃度X、基質(zhì)濃度S與產(chǎn)物濃度P的關(guān)系。已知原料中不含產(chǎn)物乙醇（Pin＝0），基質(zhì)濃度Sin=10g/L。存在乙醇抑制的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型可采用解：存在乙醇抑制時(shí)，連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，無乙醇抑制時(shí)，連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，例3判斷題1)單罐連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，稀釋率與生長(zhǎng)比速的關(guān)系：D>()D=()D<()D==0()3)單罐連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，在洗出稀釋率下，可達(dá)到最大的菌體產(chǎn)率。()4)單罐連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，在Dmax的細(xì)胞濃度不是最大細(xì)胞濃度。()5)單罐連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，細(xì)胞濃度越高，菌體產(chǎn)率越大。()6)單罐連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，在洗出稀釋率下罐內(nèi)底物濃度等于零。()7)單罐連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，細(xì)胞濃度越高，罐內(nèi)底物濃度越低。()例4（教材例4－7）求青霉素連續(xù)發(fā)酵的穩(wěn)定狀態(tài)下最大菌體生成速度(DX)max及此時(shí)的稀釋率Dmax，菌體濃度X和基質(zhì)濃度Sout。已知Sin=30g/L，YX/S＝0.45，菌體生長(zhǎng)可用Monod方程表達(dá)，max=0.18h-1，KS＝1.0g/L。解：菌體生長(zhǎng)符合Monod模型，連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下達(dá)到最大菌體生成速度的稀釋率5.2.2具有反饋的單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)有時(shí)為了增加反應(yīng)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)單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)可以采取將反應(yīng)器排出液中的部分菌體重新返回反應(yīng)器中。5.2.2.1數(shù)學(xué)模型（1+（1+）F（X，S）F（S0）S，XF{[1+（1-）]X，S}F(X，S)圖5－5具有反饋的單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)圖5－5表示具有反饋的單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)，圖中g(shù)為微生物的濃縮系數(shù)（g1），r為再循環(huán)反應(yīng)液的比例（返回的反應(yīng)液與供給的新鮮反應(yīng)液的體積比）。菌體衡算式：（5－17）基質(zhì)衡算式：（5－18）培養(yǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)， 即：=D(1+r-gr)=DR（5－19）（5－20）式中，R為循環(huán)濃縮因子，R＝1＋r－rg，若微生物生長(zhǎng)模型可采用Monod方程，則（5－21）（5－19）式、（5－20）式、（5－21）式為具有反饋的單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)數(shù)學(xué)模型。5.2.2.2穩(wěn)態(tài)操作條件：(在通常情況下，Sin<<KS)（5-22）穩(wěn)態(tài)操作條件：DDcrit可見，具有反饋的單級(jí)恒化器與無反饋的單級(jí)恒化器相比，穩(wěn)定狀態(tài)下的菌體濃度X增大，臨界稀釋率增大。5.2.2.3菌體產(chǎn)率對(duì)具有反饋的單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)，還應(yīng)考慮排出反應(yīng)液中的菌體濃度X。菌體分離裝置處的菌體衡算式為（5-23）所以，從分離裝置處流出的菌體濃度（5-24）菌體產(chǎn)率（5-25）例5（教材例4－9）以葡萄糖為基質(zhì)在如下條件進(jìn)行具有反饋的連續(xù)操作。V＝1m3；F＝0.1m3/h；YX/S＝0.158g/g(以細(xì)胞/葡萄糖計(jì))；Sin=10kg/m3；r=0.8；g=1.5。已知微生物反應(yīng)可以用Monod方程來表示，其中max=0.41h-1，KS＝0.22kg/m3，求比生長(zhǎng)速率，反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)濃度Sout和菌體濃度X和分離裝置出口處的菌體濃度X。解：微生物反應(yīng)可以用Monod方程來表示，具有反饋的連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，5.2.3多級(jí)連續(xù)培養(yǎng)5.2.3.1數(shù)學(xué)模型：以微生物生長(zhǎng)符合莫諾模型為例。F，SF，S2，X2，P2F，SF，S3，X3，P3F，SoF，S1，X1，P1圖5－6多級(jí)連續(xù)培養(yǎng)操作達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，第一級(jí)罐（5-26）（5-27） （5-28）（5-29）第n級(jí)罐物料衡算式（5-30）（5-31）（5-32）（5-33）化簡(jiǎn)，得 （5-34）（5-35）（5-36）（5-37）例6某微生物的生長(zhǎng)可用Monod方程來描述，并且max=0.5/h，KS=2g/L。(1)連續(xù)培養(yǎng)中，流加基質(zhì)濃度So=48g/L，YX/S=0.45g/g，在穩(wěn)定狀態(tài)下，菌體的最大生產(chǎn)強(qiáng)度為多少？(2)采用相同容積的發(fā)酵罐，且D=0.2/h連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)下培養(yǎng)，若要保證反應(yīng)系統(tǒng)的基質(zhì)流出濃度S小于0.5g/L，問需要幾個(gè)發(fā)酵罐串聯(lián)？基質(zhì)轉(zhuǎn)化率為多少？解：(1)微生物的生長(zhǎng)可用Monod方程來描述，連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，取得最大生產(chǎn)強(qiáng)度的稀釋率(2)連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，第一級(jí)罐中第二級(jí)罐中：（1）（2）（3）聯(lián)立方程求解,得，S2=0.3g/L基質(zhì)轉(zhuǎn)化率:5.2.4連續(xù)培養(yǎng)中的雜菌污染和菌種變異目前，除大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白、工業(yè)化處理廢水采用連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)之外，其他發(fā)酵產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)極少采用連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)。主要原因有三：(1)雜菌污染問題。因連續(xù)培養(yǎng)以長(zhǎng)期、穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)為前提，在整個(gè)培養(yǎng)過程中，必需不斷地供給無菌的新鮮培養(yǎng)基，好氧發(fā)酵時(shí)，必需同時(shí)供給大量的無菌空氣，這兩種供給的過程中極易帶來雜菌的污染，長(zhǎng)期保持連續(xù)培養(yǎng)的無菌狀態(tài)非常困難。(2)菌種變異問題。因工業(yè)化生產(chǎn)所用菌株大都是通過人工誘變處理的高度變異株，在長(zhǎng)期的連續(xù)培養(yǎng)過程中容易使回復(fù)突變菌株逐漸積累，最后取得生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。(3)成本問題。為降低成本,其一要使原料以最大的轉(zhuǎn)化率和最大的產(chǎn)率轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物；是使發(fā)酵終了液中含有盡可能高的產(chǎn)物濃度，以縮小產(chǎn)物分離提取系統(tǒng)的規(guī)模和操作的費(fèi)用。一些發(fā)酵過程其產(chǎn)物的分離提取費(fèi)用約占生產(chǎn)總成本的40%以上；而對(duì)于大多數(shù)抗生素和精細(xì)化學(xué)品的發(fā)酵生產(chǎn)，其本身就是一個(gè)高成本分離過程的生產(chǎn)過程。而在連續(xù)培養(yǎng)過程中，流出的發(fā)酵液中產(chǎn)物濃度一般比分批培養(yǎng)、流加培養(yǎng)的低，結(jié)果加重了分離提取的負(fù)荷，在生產(chǎn)成本上沒有競(jìng)爭(zhēng)力。目前連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用主要集中在研究領(lǐng)域。XWS設(shè)連續(xù)培養(yǎng)微生物X的過程中被Y或Z或W微生物所污染。其中雜菌Y在給定的限制性底物S中的比生長(zhǎng)速率；雜菌Z在S中的比生長(zhǎng)速率；而雜菌W在S中的比生長(zhǎng)速率則與S有關(guān)。三種菌在連續(xù)培養(yǎng)中與微生物X的生長(zhǎng)關(guān)系如圖所示。XWSXZSXZSXYS根據(jù)連續(xù)培養(yǎng)理論，對(duì)于雜菌Y，在一定S下，，，因此雜菌Y被沖出，不能殘存在系統(tǒng)中。對(duì)于雜菌Z，在一定的S下，，,因此雜菌Z將殘存在系統(tǒng)中。其殘存方式是：由于，微生物Z增殖，Z的增殖將導(dǎo)致限制性底物濃度S的下降，下降至?xí)r，有，建立了一個(gè)在下新的穩(wěn)定狀態(tài)。在下，，微生物X將從培養(yǎng)系統(tǒng)中洗出。對(duì)于雜菌W，W的殘存與否取決于操作的稀釋率，在D=0.25Dcrit時(shí),X將洗出，在D=0.75Dcrit時(shí),W將被洗出。由此可見，在系統(tǒng)中保留的是在此環(huán)境中比生長(zhǎng)速率最大的微生物。5.2.5連續(xù)培養(yǎng)在研究領(lǐng)域的應(yīng)用(1)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定。莫諾模型中max、KS的測(cè)定：繪制曲線或曲線，即可由直線斜率和截距計(jì)算出max、KS。為了達(dá)到測(cè)定的準(zhǔn)確性，就要求S-數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠、重現(xiàn)性好。采用分批培養(yǎng)，由于過程的不穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性不好，另外還要求底物、菌體濃度測(cè)定方法極為靈敏、準(zhǔn)確；而連續(xù)培養(yǎng)由于過程的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠、重現(xiàn)性好。測(cè)定一般采用恒化器實(shí)驗(yàn)，即控制不同的稀釋率D，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，測(cè)定相應(yīng)的底物濃度S，而=D，這樣，就得到了-S數(shù)據(jù)。產(chǎn)物動(dòng)力學(xué)模型中系數(shù)的測(cè)定：，可變形為同樣采用恒化器實(shí)驗(yàn)，即控制不同的稀釋率D，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，測(cè)定相應(yīng)的產(chǎn)物濃度P、菌體濃度X，根據(jù)連續(xù)培養(yǎng)產(chǎn)物恒算式計(jì)算Qp，而=D，這樣，就得到了-Qp數(shù)據(jù)。繪制Qp~曲線，根據(jù)直線斜率、截距即可計(jì)算出、。(2)確定最佳培養(yǎng)條件這是過程優(yōu)化的一個(gè)內(nèi)容。對(duì)于一個(gè)發(fā)酵過程，優(yōu)化的內(nèi)容包括：什么樣的條件下能獲得最大菌體產(chǎn)率、產(chǎn)物產(chǎn)率？什么樣的條件下能獲得最大的菌體得率、產(chǎn)物得率？控制哪種限制性底物，在何種濃度水平才能最大限度地避免其他副產(chǎn)物的形成？下面將舉例說明。微生物培養(yǎng)的目的有兩個(gè)：一是菌體，二是產(chǎn)物。先以面包酵母生產(chǎn)為例。以葡萄糖為限制性底物，在不同稀釋率D下進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，測(cè)定穩(wěn)態(tài)下的菌體濃度X、糖濃度S、乙醇濃度P并計(jì)算出得率YX/S、乙醇生成比速，可得如圖5－7所示培養(yǎng)結(jié)果。0.40.30.20.10.40.40.30.20.10.40.30.20.1(a)(b)(b)DDDD0.10.20.30.40.50.10.20.30.40.50.10.20.30.40.50.10.20.30.40.5SS(c)(c)0.20.20.10.10.20.30.40.50.10.20.30.40.5SS圖5－7面包酵母連續(xù)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果由圖(a)可知：在D=0.1-0.25之間培養(yǎng)能夠取得最高轉(zhuǎn)化率YX/S=0.5g/g；在此種稀釋率D下，所對(duì)應(yīng)的葡萄糖濃度S0.12g/L，如圖(b)所示；在這一底物濃度下，乙醇的比產(chǎn)生速率QP=0，如圖(C)所示。根據(jù)這些參數(shù)間的關(guān)系，可知在培養(yǎng)面包酵母時(shí)，應(yīng)控制發(fā)酵液中面包酵母的比生長(zhǎng)速率在0.1-0.25之間,選擇合適的初糖濃度S0，使培養(yǎng)操作時(shí)的底物濃度S0.12g/L；在此條件下培養(yǎng)，基本無乙酵生成，轉(zhuǎn)化率可達(dá)到最高為50%。生產(chǎn)中呼吸商RQ是易于測(cè)定和控制的參數(shù)，RQ=QCO2/QO2。測(cè)定培養(yǎng)過程菌體濃度X、氧攝取速率QO2、二氧化碳排出速率QCO2，計(jì)算呼吸商RQ，可得圖5－8所示的結(jié)果。XQCO2XQCO2YX/SXX，YX/S，RQ12X，YX/S，RQ1284QCO2，QO2D圖5－8連續(xù)培養(yǎng)面包酵母時(shí)各參數(shù)間的關(guān)系從圖中可以看出：呼吸商RQ為1時(shí)取得最大轉(zhuǎn)化率YX/S，呼吸商RQ大于1時(shí)，轉(zhuǎn)化率下降。綜合上述結(jié)果，可得培養(yǎng)面包酵母的最佳培養(yǎng)條件：S=0.12g/L；=0.25h-1；RQ=1，此時(shí)，轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率均可達(dá)到最大值。依此培養(yǎng)條件，采用連續(xù)培養(yǎng)或流加培養(yǎng)就能夠獲得最好的培養(yǎng)結(jié)果。事實(shí)上，現(xiàn)代工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)面包酵母的流加培養(yǎng)和操作控制技術(shù)就是建立在上述研究基礎(chǔ)上的。我們?cè)倥e一個(gè)以得到發(fā)酵產(chǎn)物為目的例子。在這類發(fā)酵中，過程優(yōu)化的問題就是研究如何提高產(chǎn)物產(chǎn)率。其中研究限制性底物對(duì)產(chǎn)物比生成速率的影響十分重要。在各種限制性底物對(duì)鏈球菌產(chǎn)生乳酸的研究中得到如下結(jié)果。限制性底物稀釋率D(h-1)細(xì)胞產(chǎn)酸力YP/X（g/g）比產(chǎn)物生成速率(h-1)乳酸P(g/L)葡萄糖0.0175.40.0924.0葡萄糖0.0346.10.214.0葡萄糖0.0516.00.313.8氮源0.03426.30.8910.0磷酸鹽0.03480.02.74.8表中細(xì)胞產(chǎn)酸力YP/X反映了生長(zhǎng)與產(chǎn)物的偶聯(lián)情況。當(dāng)以葡萄糖為限制性底物時(shí)，生長(zhǎng)與產(chǎn)酸相偶聯(lián)；而當(dāng)以氮源或磷酸鹽為限制性底物時(shí)，由于氮源和磷酸鹽都是構(gòu)成菌體成分的物質(zhì)，氮源或磷酸鹽的限制，使葡萄糖的代謝與生長(zhǎng)速率無關(guān)，即生長(zhǎng)與葡萄糖代謝非偶聯(lián)，促使葡萄糖的分解代謝產(chǎn)物乳酸大量產(chǎn)生、積累，菌種的比產(chǎn)物生成速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。(3)富集、選育特殊性狀的菌種一般的菌種選育方法有物理誘變法、化學(xué)誘變法，利用連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)選育菌種，是一種十分簡(jiǎn)便的方法。這種方法包括兩個(gè)要點(diǎn)：一是要針對(duì)具體選定的微生物群，根據(jù)所要求的功能建立高度選擇的培養(yǎng)環(huán)境，使得無此功能的微生物在此環(huán)境中不能生長(zhǎng)或極少生長(zhǎng)，例如，選育能夠利用碳?xì)浠衔锏奈⑸?，則需以碳?xì)浠衔餅槲ㄒ惶荚?；又如選育的是酵母而非細(xì)菌，則可在高酸性條件下培養(yǎng)，pH3-4；如果所選育的是嗜熱微生物，則在高溫條件下培養(yǎng)。第二個(gè)要點(diǎn)是選擇合適的稀釋率。5.3流加式操作F，SF，S0XS圖5－9流加式操作在流加式操作中，反應(yīng)液體積是變化的，。5.3.1流加操作的數(shù)學(xué)模型流加操作中菌體、基質(zhì)、產(chǎn)物的物料衡算式：（5-38）（5-39）（5-40）當(dāng)培養(yǎng)達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)時(shí)，基質(zhì)濃度S、菌體濃度X恒定。即：（5-41）即：（5-42）（5-43）化簡(jiǎn)后，得到（5-44）（5-45）（5-40）式化簡(jiǎn)可得，（邊界條件：）(5-46)對(duì)（5－46）式積分，得(5-47)若，

則(5-48)流加操作中有關(guān)參數(shù)的變化如圖5－10所示。X，S，PtX，S，PtXSPVVtt圖5-10流加操作中有關(guān)參數(shù)的變化5.3.2流加的方式指數(shù)流加：指稀釋率D恒定，對(duì)積分，得。即基質(zhì)流量按指數(shù)規(guī)律變化，這種方式可達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)，微生物呈指數(shù)生長(zhǎng)。定流量流加：流量F恒定，定流量流加的最大特點(diǎn)是微生物進(jìn)行線性生長(zhǎng)，即（一定）5.3.3流加操作的控制流加操作的控制包括無反饋控制和反饋控制。無反饋控制的流加操作是指按預(yù)先設(shè)置好的模式進(jìn)行底物的流加。因此，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是否正確成為控制成敗的關(guān)鍵。另外，由于微生物反應(yīng)的復(fù)雜性，使實(shí)際情況總會(huì)與理論模型存在偏差，而無反饋控制不能及時(shí)修正偏差。反饋控制則可彌補(bǔ)這一缺陷。反饋控制又可分為直接反饋控制和間接反饋控制。直接反饋控制監(jiān)測(cè)的是發(fā)酵液中底物濃度S、菌體濃度X、產(chǎn)物濃度P等直接指標(biāo)。如果些指標(biāo)不能在線測(cè)定，可以監(jiān)測(cè)溶氧、pH等可在線測(cè)定的間接指標(biāo)，這就是間接反饋控制。無論直接反饋控制，還是間接反饋控制，都可以根據(jù)監(jiān)控指標(biāo)的變化情況對(duì)過程中產(chǎn)生的偏差進(jìn)行修正。5.3.4流加操作過程的優(yōu)化。發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用并不限于對(duì)發(fā)酵過程的模擬，更重要的是實(shí)施過程的優(yōu)化，以達(dá)到高產(chǎn)、低耗的目的。由于微生物生長(zhǎng)是代謝產(chǎn)物合成的基礎(chǔ)，并對(duì)產(chǎn)物合成起著調(diào)控作用，故發(fā)酵過程的優(yōu)化主要是微生物生長(zhǎng)的優(yōu)化?？紤]到實(shí)用的目的，這里主要介紹補(bǔ)料分批發(fā)酵過程的優(yōu)化。流加培養(yǎng)優(yōu)化是指控制適當(dāng)?shù)南♂屄驶蚓w生長(zhǎng)比速，是生產(chǎn)強(qiáng)度和得率盡可能最大。大量的菌體時(shí)產(chǎn)生產(chǎn)物的前提，因此在菌體生長(zhǎng)階段，應(yīng)控制較高的生長(zhǎng)比速，使菌體量快速增長(zhǎng)。進(jìn)入產(chǎn)物生成階段后，應(yīng)控制較低的菌體生長(zhǎng)比速，以減少基質(zhì)的消耗，并保證“壯齡”細(xì)胞在細(xì)胞群體中占絕大多數(shù)。進(jìn)行流加培養(yǎng)優(yōu)化時(shí)，還應(yīng)考慮以下邊界條件：(1)最大比生長(zhǎng)速率。流加操作擬定態(tài)要求。(2)臨界比生長(zhǎng)速率。每個(gè)菌株維持具有較高產(chǎn)物合成酶活性的“壯年”細(xì)胞占優(yōu)勢(shì)都必須滿足一個(gè)最低比生長(zhǎng)速率，低于它，老齡細(xì)胞將逐漸占優(yōu)勢(shì)，致使產(chǎn)物合成能力下降，這就是臨界比生長(zhǎng)速率。根據(jù)這一要求，應(yīng)有。(3)發(fā)酵罐最大允許細(xì)胞濃度。由于發(fā)酵罐氧傳遞能力的限制，使細(xì)胞濃度也有一臨界值，超過它，氧的供應(yīng)將失去平衡，使細(xì)胞處于缺氧狀態(tài)，產(chǎn)物合成能力將急劇下降。(4)細(xì)胞對(duì)底物的耐受力。一般來說，底物濃度越大，細(xì)胞生長(zhǎng)比速越大，但是由于細(xì)胞對(duì)底物有一定的耐受力，因此底物濃度并非越大越好。例7流加基質(zhì)為葡萄糖，培養(yǎng)大腸桿菌。流加培養(yǎng)開始時(shí)的，，反應(yīng)