516 Bioreactions and Bioreactor Ope

516 Bioreactions and Bioreactor Operation
Image of Figure 1 Image of Figure 1 Image of Figure 1 Image of Figure 1 Image of Figure 1 Image of Figure 1 Image of Figure 1 Image of Figure 1 Image of Figure 1 Image of Figure 1Image of Figure 1 Image of Figure 1 Image of Figure 1Image of Figure 1 Image of Figure 1 Image of Figure 1Image of Figure 1Image of Figure 1 Image of Figure 1
Figure 1 Schematic of (a) batch, (b) fed-batch, and (c) continuous cultivation. X: concentration of biomass (g/l); P: concentration of product (g/l); F : volumetric feed rate at which nutrients are added (l/h); V0: initial volume of the medium in the bioreactor (l ); V: final volume of the medium in the bioreactor (l); S: instantaneous substrate concentration in the Bioreactor (g/l); S0: Substrate concentration in the feed.
formed by catalysts by their interaction with the substrate; besides, they catalyze their own synthesis. Based on the environment, type of cell, and typical characteristics of substrate and its feed strategy, the mode of reactor operation could be batch, fed batch, or continuous cultivation (Figure 1).
2.38.1.1 Batch Fermentation
Batch fermentation is highly dynamic yet a closed system in which all the medium components, except gases such as oxygen, acid or base for pH control, and antifoaming agents, are placed in the reactor at the start of the cultivation. During the process there is neither any addition nor any withdrawal of nutrients. The nutrient concentrations are continuously changing with time and the system remains in a dynamic unsteady state. The major disadvantage of batch cultivation is its low productivity due to its high downtime (nonproduction time which is used for cleaning, sterilization, and startup of another batch cultivation) during two batch cultivations.
2.38.1.2 Continuous Mode of Cultivation
In continuous mode of cultivation, fresh medium is continuously added in the fermenter with a simultaneous removal of spent medium containing residual nutrients from the bioreactor. This keeps the reactor volume constant and helps in maintaining the cells in a predefined growth phase (physiological state). Thus, a steady state is achieved, which helps to establish the relationship between microbial behavior (physiology) depending on the limiting nutrient availability conditions. At the same time, they feature continuous product formation with higher productivity. However, continuous cultivation may not be suitable for the production of secondary metabolites primarily because of difficulty in maintenance of low dilution rates, that is, specific growth rates in the bioreactor. Also contamination or mutation could also result in a failure of continuous cultivation process.
2.38.1.3 Fed-Batch Fermentation
The fed-batch cultivation processes generally feature no removal of broth from the reactor during the entire fermentation period; however, the rate of addition of the limiting nutrient helps to control the reaction rate. Sterilized conditions are maintained throughout the process and the product is generally withdrawn only at the end of the batch.
However, fed-batch processes are relatively more labor intensive because of the need to sterilize the equipment after every batch and require precise nutrient feed at the time when they are disappearing and maintenance of the specific growth conditions for the production of a particular metabolite. This gives rise to the batch-to-batch product concentration variability in quality. Nonetheless, this mode of operation is preferred as it can eliminate excessive substrate feed which might inhibit microorganism growth and product formation. Thus, fed-batch cultivation is the preferred mode of cultivation as it has higher operational flexibility as compared to continuous operation. Fed-batch cultivation has been used successfully in the production of lactic acid [1], poly-(β-hydroxybutyrate) [2, 3], biomass, antibiotics [4], and recombinant proteins [5].
2.38.2 Different Types of Fed-Batch Cultivations
The fed-batch fermentation consists of growth and production phases. The initial batch growth is followed by the addition of one or more limiting nutrients to the fermenter without the removal of cells or product from the fermenter. Under these circumstances, the rate of production of biomass can be given by eqn 1:
dðVXÞ
μXð1−αXÞV ¼½1
dt where μ is the specific growth rate, X is the concentration of biomass at any time t, V is the volume of the medium, and α is a constant. An increase in the biomass concentration in the fermenter results in a slow down of growth which can be explained by the

Kết quả (Việt) 2:

516 Bioreactions và Bioreactor Operation
Ảnh của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1Image của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1Image của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1Image của hình 1Image của Hình 1 Hình ảnh của Hình 1
Hình 1 Sơ đồ (a) hàng loạt, (b) cho ăn-lô, và (c) canh tác liên tục. X: nồng độ sinh khối (g / l); P: nồng độ của sản phẩm (g / l); F: tỷ lệ thức ăn tích mà các chất dinh dưỡng được thêm vào (l / h); V0: thể tích ban đầu của môi trường trong bioreactor (l); V: thể tích cuối cùng của môi trường trong bioreactor (l); S: nồng độ cơ chất tức thời trong Bioreactor (g / l); S0: nồng độ cơ chất trong thức ăn.
Hình thành bởi các chất xúc tác bởi sự tương tác của họ với các chất nền; bên cạnh đó, họ xúc tác tổng hợp của mình. Dựa trên các môi trường, loại tế bào, và các đặc điểm đặc trưng của chất nền và chiến lược thức ăn của nó, phương thức hoạt động lò phản ứng có thể là hàng loạt, hàng loạt cho ăn, hoặc liên tục canh tác (Hình 1).
2.38.1.1 mẻ lên men
hàng loạt quá trình lên men là rất năng động chưa một hệ thống khép kín, trong đó tất cả các thành phần môi trường, ngoại trừ các loại khí như oxy, axit hoặc cơ sở để kiểm soát pH, và chống tạo bọt đại lý, được đặt trong các lò phản ứng ở đầu của việc trồng. Trong quá trình đó không phải là bất kỳ Ngoài ra cũng không thu hồi các chất dinh dưỡng. Nồng độ các chất dinh dưỡng được thay đổi liên tục theo thời gian và hệ thống vẫn ở trong tình trạng không ổn định năng động. Những bất lợi chính của trồng hàng loạt là năng suất thấp do thời gian chết cao (thời gian nonproduction được sử dụng để làm sạch, khử trùng, và khởi động của một canh batch) của nó trong hai canh tác hàng loạt.
2.38.1.2 Chế độ liên tục Trồng trọt
Trong chế độ liên tục canh tác , môi trường mới được tiếp tục gia tăng trong lên men với một loại bỏ đồng thời vừa trải qua có chứa các chất dinh dưỡng còn sót lại từ các lò phản ứng sinh. Điều này giữ không đổi khối lượng lò phản ứng và giúp duy trì các tế bào trong một giai đoạn tăng trưởng được xác định trước (trạng thái sinh lý). Do đó, một trạng thái ổn định đạt được, giúp thiết lập các mối quan hệ giữa hành vi vi sinh vật (sinh lý) tùy thuộc vào các điều kiện sẵn có chất dinh dưỡng hạn chế. Đồng thời, họ tính năng hình thành sản phẩm liên tục với năng suất cao hơn. Tuy nhiên, canh tác liên tục có thể không thích hợp cho việc sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp chủ yếu là do khó khăn trong việc duy trì tỷ lệ pha loãng thấp, đó là, tốc độ tăng trưởng cụ thể trong các phản ứng sinh học. Ngoài ra ô nhiễm hoặc đột biến cũng có thể dẫn đến thất bại của quá trình canh tác liên tục.
2.38.1.3 Fed-lô lên men
Các quy trình canh tác nuôi-lô thường tính năng không để cho nước dùng từ các lò phản ứng trong suốt thời gian lên men; Tuy nhiên, tỷ lệ bổ sung các chất dinh dưỡng hạn chế giúp kiểm soát tốc độ phản ứng. Điều kiện tiệt trùng được duy trì trong suốt quá trình và sản phẩm thường được rút chỉ ở phần cuối của loạt.
Tuy nhiên, quá trình cho ăn-lô là lao động tương đối nhiều sâu vì nhu cầu để khử trùng các thiết bị sau mỗi mẻ và đòi hỏi thức ăn dinh dưỡng chính xác tại thời gian khi họ đang dần biến mất và duy trì các điều kiện phát triển cụ thể cho việc sản xuất các chất chuyển hoá cụ thể. Điều này dẫn đến sự thay đổi nồng độ sản phẩm hàng loạt-to-lô trong chất lượng. Tuy nhiên, chế độ này hoạt động được ưa thích vì nó có thể loại bỏ thức ăn chất nền quá mức mà có thể ức chế sự phát triển vi sinh vật và sự hình thành sản phẩm. Do đó, trồng trọt cho ăn-lô là các chế độ ưu tiên trồng vì nó có tính linh hoạt cao hơn so với hoạt động liên tục. Trồng Fed-lô đã được sử dụng thành công trong việc sản xuất axit lactic [1], poly- (β-hydroxybutyrate) [2, 3], sinh khối, kháng sinh [4], và các protein tái tổ hợp [5].
2.38.2 Các loại khác nhau phương thức canh tác Fed-lô
Sự lên men fed-batch bao gồm sự phát triển và sản xuất giai đoạn. Tốc độ tăng trưởng hàng loạt đầu tiên được theo sau bởi sự bổ sung của một hoặc nhiều chất dinh dưỡng hạn chế đến lên men mà không cần loại bỏ các tế bào hoặc các sản phẩm từ lên men. Trong hoàn cảnh này, tốc độ sản xuất sinh khối có thể được đưa ra bởi eqn 1:
dðVXÞ
? ΜXð1-αXÞV ¼½1
dt nơi μ là tốc độ tăng trưởng cụ thể, X là nồng độ sinh khối tại bất kỳ thời điểm t, V là thể tích của môi trường và α là một hằng số. Sự gia tăng nồng độ sinh khối trong các kết quả lên men trong một chậm lại của tăng trưởng có thể được giải thích bởi