微生物发酵工程第8章-连续发酵课件.ppt

《微生物发酵工程第8章-连续发酵课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微生物发酵工程第8章-连续发酵课件.ppt（28页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第八章第八章 连续发酵连续发酵（Continuous Fermentation）一.连续发酵的概念二.连续发酵的分类及其特点三.罐式连续发酵四.管式连续发酵五.几个连续发酵的例子连续发酵连续发酵（Continuous Fermentation）一.连续发酵的概念 亦称连续培养是指以相同的速度向培养系统内连续流加新鲜的培养基并同时输出指以相同的速度向培养系统内连续流加新鲜的培养基并同时输出发酵液，使培养系统内各状态变量恒定的培养方法。发酵液，使培养系统内各状态变量恒定的培养方法。相对于分批发酵的封闭培养系统和补料分批发酵的半开放培养系统，连续发酵是一个开放的培养系统。它可以根据发酵目的，把微生物

2、分批培养到某个阶段后，人为地固定其生长和代谢速率。也就是说，连续发酵中，可以人为地将微生物的生长代谢活动保持在最旺盛状态，而且pH、营养成分、溶解氧等状态变量也可通过系统外部调控保持恒定，如此连续发酵的时间越长，设备利用率就越高。连续发酵的方式可分成开放式连续发酵系统和封闭式连续发酵系统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。流出的发酵液如部分返回（反馈）培养系统进行重复使用，则该装置叫做循环系统 否则称非循环系统。根据理想混合状态，开放式连续发酵系统又可分成全混流混合和平推流混合，前者一般在带有搅拌装置的发酵罐中进行发酵，简称罐式连续发酵；后者一般在管式反应

3、器中进行发酵，称管式连续发酵。此外还有介于全混流和平推流混合之间的塔式连续发酵。二.连续发酵的分类及其特点 全混流是理想流动的一种。其特征是在连续流动过程中，无论轴向或是径向都是达到完全混合，以致物系参数均一。全混流流是返混程度最在的一种流动。该模型的基本假定是设备内物料的浓度均一，且等于设备出口处的浓度。平推流是理想状态下在流动方向上完全没有返混，而在垂直于流动方向的平面上达到最大程度的混合。返混是不同停留时间的粒子的混合。混合是不同空间位置的粒子的混合。停留时间指的是年龄，所谓年龄就是说从物料进入平推流反应器开始，未出平推流的情况下，在反应器中停留的时间。平推流中的物料在径向截面上物质参数

4、均相同，浓度、温度与轴向距离有关系。名 称 优 点 存在的问题 设备方面设备的体积可以减小能合理的按照发酵阶段实行连续化将原有分批发酵设备改装成连续化有一定困难设备的合理性和加料设备的精确性要求甚高 操作情况操作时间可以缩短总的操作管理较方便必须与全部工艺系统中的其它工段保持连续一致 生产情况中间产物和最终产物稳定生产系统化可节约人力、物力、降低生产费用营养成分的利用较分批发酵稍差产物浓度较分批发酵略低微生物的情况对微生物的生理、生态和反应机制比较容易分析杂菌污染的机会较多，菌种发生变异的问题没有解决开放式（菌体取出）封闭式（菌体不取出）单罐多罐单罐多罐均匀混合均匀混合非循环 搅拌发酵罐搅拌发

5、酵罐（串联）透析膜培养_ 循环搅拌发酵罐（菌体部分重复使用)搅拌发酵罐串联（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罐（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（菌体部分重复食用 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、装有隔板的管道发酵器（菌体100重复使用）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

6、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。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

7、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.2.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 (净增加量净增加量)(输入量输入量)(生长量生长量)(输出量输出量)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的增长量,g/Lh;如 D小于:则dX/dt是正数,培养液中菌体浓度将随时间而增加;如

8、 D大于:则dX/dt是负数,菌体浓度因培养物被“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a 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

9、化率,g/Lh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。下面介绍一个说明 D,X,S 之间关系的例子 设:m=1.0 h-1;YG

10、=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)3.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

11、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 h 1/1+(1/2)(X2X1)/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

12、续培养时的停留时间 th代入，于是前式可写为:t h 1/1+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。四.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。11 这种连续发酵的方法可用于酒精等厌氧发酵。先在搅拌罐中进行通风培养种子，然后将种子和培养液同时加入管道中进行厌氧发酵。如在管道中用隔板分隔，每个分隔等于一台发酵罐，这就相当于多罐串联的连续发酵。另外，还有塔式连续发酵也属于非均匀混合系统。塔式反应器有两种，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反应器就相当于一组多罐串联的连续发酵系统。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。采用塔式反应器进行连续发酵的形式很多，如啤酒、单细胞蛋白等。左图所示是一种气液并流型连续发酵装置，培养液和空气从塔底并流进入，在用多孔板分隔的多段发酵室中培养后由塔顶流出。气液并流型塔式连续发酵装置几个连续发酵的例子见下页见下页谢谢各位！