【文章內(nèi)容簡介】 的強的培養(yǎng)基廢水，技術(shù)設計要能在連續(xù)操作系統(tǒng)中，維持微生物生物體較長的時段。由此，固體retention time與液體retention time無關(guān)（uncouopled from），在消化罐中可以獲得高的微生物濃度，而產(chǎn)生高的降解速率。對于非常稀的廢水，例如，城市污水，需要非常長的固體retention time，而且這只能通過流動床過程來實現(xiàn)（見第五章）。甲烷發(fā)酵最杰出的例子就是中國的生物氣生產(chǎn)過程，建立了幾百萬個家庭規(guī)模的厭氧生物反應器。這種生物反應器處理糞肥、人類排泄物和秸稈，產(chǎn)生生物氣用來做飯和照明，以及垃圾的凈化，其后來成為一種很好的肥料，每立方米生物反應器每天的體積載量為4kg，mean停留時間小至10天，整個規(guī)模的甲烷生物反應器可期望每立方米生物反應器生產(chǎn)1立方米氣體。激活的污水sludge處理過程廣泛用于污水及其他工業(yè)垃圾的氧化處理。這些過程采用的是分批或者連續(xù)攪拌生物反應器系統(tǒng)以增加空氣的通入來優(yōu)化有機物質(zhì)的氧化分解（(e)）。這些生物反應器是很大的，為了使其發(fā)揮最佳的功能，有一些或者許多的攪拌單元使容易的進行混合及許多處理城市污水的植物攝取氧。由于它們開放式的本質(zhì)，有時候會出現(xiàn)氣味的問題。工業(yè)廢物廢水的厭氧生物處理較為采納的原因是：（1） 通氣時不需要能量；（2） 有機物質(zhì)高效的轉(zhuǎn)化為生物氣，用來作為燃料；（3） 沒有氣味問題；（4） 產(chǎn)生很少的surplus sludge；（5） 經(jīng)過顯微操作，可以生產(chǎn)出高附加值的產(chǎn)物。 培養(yǎng)基設計培養(yǎng)基設計要滿足生產(chǎn)有機體、生產(chǎn)目的和操作規(guī)模的營養(yǎng)要求。對于許多大規(guī)模的生物工程成本，培養(yǎng)基組分的可利用性和處理特點是決定選擇的主要因素。對于異氧微生物來說，最基本的營養(yǎng)要求是能量或者碳源、一種可利用的氮源，無機物組分及對于某些微生物還要有生長因子。對于大多數(shù)生物工程過程，碳源及氮源常常來源于廉價的天然產(chǎn)物或者副產(chǎn)物的復雜的混合物（），而自來水中或者主要的初原料中常含有足量的稀有金屬。當需要生長因子的時候，供應的應是純品，但是出于經(jīng)濟原因，常常以植物或者動物的提取物來供應。所需要的生長因子的主要的類型是B族維生素或者相關(guān)化合物，特定的氨基酸和某些脂肪酸。如果不進行pH控制，碳源及氮源的合適的平衡對于過程的pH類型是重要的。對大多數(shù)過程而言，營養(yǎng)物質(zhì)必須溶于水。在分批系統(tǒng)中，初體積中常常含有所有的營養(yǎng)物質(zhì)。以特定的速率為基礎(chǔ)通過添加某些營養(yǎng)物質(zhì)的方式（半連續(xù)培養(yǎng)），對分批培養(yǎng)中的發(fā)酵反應進一步進行調(diào)控。通過這種方式，維持了關(guān)鍵的誘導物溶液?？衫玫臓I養(yǎng)物質(zhì)將對發(fā)酵反應和產(chǎn)物形成過程進行強大的生理控制。由于原料占到可變的發(fā)酵成本的6080%，那么在按配方配制培養(yǎng)基時，經(jīng)濟性是要paramount考慮的。一個發(fā)酵過程攝入的原料主要取決于特定時期原料的成本，因為商品的價格隨著季節(jié)和其他變化而上下浮動的。原料的選擇也取決于處理和儲存成本、配制過程的容易性及滅菌，同時還需要考慮到健康和安全性。發(fā)酵過程中培養(yǎng)基的配制和特定養(yǎng)分的可利用性對產(chǎn)物的優(yōu)化有著極大的影響。因此，如果發(fā)酵的目的是生物體或者是一種生長產(chǎn)物（growthasscoiated）的話，培養(yǎng)基就必須能進行最大潛能的生長。對不是生長限制性的化合物，例如有機酸、抗生素等等，在初生長期后，培養(yǎng)基要成為一種或者多種養(yǎng)分的缺陷型。根據(jù)所研究的生產(chǎn)過程的本質(zhì)，尤其是如果需要的是次級代謝產(chǎn)物，那么成功采用對磷、氮、碳水化合物或者痕量金屬的限制而實現(xiàn)。某些過程需要培養(yǎng)集中含有一種誘導物，而其他過程可能被培養(yǎng)基的一種組分所阻遏。分解代謝物阻遏在酶的生產(chǎn)中是特別普遍的問題，且證實常常發(fā)生在含有葡萄糖的培養(yǎng)基中。阻遏可通過用慢發(fā)酵的碳水化合物或者特別是水解淀粉取代葡萄糖而避免。在特定的發(fā)酵過程中，也采用遞增或者連續(xù)的補加一種濃縮的組分的方式。一種工業(yè)培養(yǎng)基的組成不僅基于發(fā)酵時期的需要而且基于后續(xù)的純化步驟。培養(yǎng)基配制也應該以生產(chǎn)a final fermentation broth 為目標，這個final fermentation broth要黏度低，具有易分離的細胞質(zhì)量( mass)，且影響終產(chǎn)物特性（specifications）的殘余化合物少。培養(yǎng)基的滅菌方法應以對培養(yǎng)基組分或者參與的礦物質(zhì)的最小程度的溫度損害實現(xiàn)最大程度的殺死污染微生物。細菌內(nèi)生孢子對于穩(wěn)定培養(yǎng)基構(gòu)成一個嚴重的問題，因為它們在超過100℃才能被殺死。在這些溫度下，許多培養(yǎng)基組分是脆弱的（laible）而且會被破壞。在這種情況下，其他可采用的滅菌方法包括過濾或者射線照射。對于多數(shù)培養(yǎng)基，分批滅菌仍是所選擇的方法，盡管連續(xù)滅菌已被廣泛采納。連續(xù)滅菌過程在超過120℃的溫度下經(jīng)過短時間處理可有效的殺死孢子，而對培養(yǎng)基養(yǎng)分不產(chǎn)生有害的影響。實際中，連續(xù)滅菌是通過給培養(yǎng)基中穿過一個熱交換器來進行的，在那里（where）熱交換器在短時間內(nèi)升至所要求的高溫度。接著培養(yǎng)基穿過一個線圈（holding coil），在這個溫度下維持所預定的時間，最后通過反向循環(huán)的冷培養(yǎng)基的輸入或者冷水迅速冷卻。高溫/瞬時滅菌過程提高了生長因子的保存時間且產(chǎn)生很少的顏色變化。熱量的回收是額外的優(yōu)點。直接通入蒸汽也被用來滅菌。 儀器化（instrumentation）和生物反應器的過程控制所有的生命有機體都受到大范圍的（a wide range of）細胞內(nèi)和細胞外調(diào)控因子的作用，像溫度、pH及O2。這些每個因子的鑒定和作用都源于傳統(tǒng)的生理和生化研究。在所有的生物工程過程中，關(guān)鍵的是優(yōu)化生產(chǎn)力。這只能依靠鑒別和控制這許多已知的調(diào)節(jié)有機體活性的因子來實現(xiàn)?？刂粕锘钚缘沫h(huán)境特征參數(shù)可以是物理的、化學的和生物化學的，而且不總是那么容易的辨別和處理（）。生物反應器的儀器化對于控制特定參數(shù)、對它們進行記錄、然后用這些信息提高和優(yōu)化過程已經(jīng)越來越重要了（）。實際中，過程控制的一種措施是利用傳感器，它然后與固定值進行比較。這兩項值之間的差異（discrepancy）用來改動對過程進行操作的激勵器的位置，這樣確保改動的值更接近于固定值。實現(xiàn)這種改動（measurement）與固定值進行比較的物理設備是控制器，而且通過這樣的方式，由傳感器、控制器和激勵器組成的可以調(diào)節(jié)特定因子的控制環(huán)路就構(gòu)成了。生物反應器控制措施可以以在線或者離線方式進行。對于在線控制，傳感器直接安裝在過程流（process stream）中，然而對于離線控制，一個樣品從過程流中取出并進行分析。一種理想的傳感器是經(jīng)過蒸汽滅菌的、可產(chǎn)生可靠的連續(xù)的信號并且能進行在線操作。它應該容易進行標定、智能的而且對過程無影響。缺乏有效的用于控制的傳感器是發(fā)酵技術(shù)發(fā)展中的一個主要的障礙（bottleneck）。在線控制的比較典型的傳感器類型有那些用于溫度、pH、壓力、液體和氣體流速、CO2及O2測定的傳感器。完整的生物反應器過程仍由于缺乏能夠?qū)ο馜NA、RNA、酶及生物體這些重要的變量進行控制的可靠工具而受到嚴重限制。離線分析對這些化合物仍為重要，而由于這些分析結(jié)果常常在檢樣幾小時后才可以利用，所以它們不能用來進行快速控制。一些已證明比較好的在線系統(tǒng)將通過某些未來的工程化在線控制技術(shù)來進行檢驗。 控制技術(shù)溫度 溫度通過對反映速率的動力學作用和對酶活性和穩(wěn)定的催化作用影響生物過程。有許多能調(diào)節(jié)生物反應器溫度的傳感器類型包括thermocouples, resistance thermometers, thermistors and ，這個信號用在控制環(huán)路中。大體積的生物反應器需要一些溫度傳感器以確保發(fā)酵體積中合理的溫度分配。pH 大多數(shù)有機體的生長對于pH的變化是敏感的，每群有機體有特定的最優(yōu)的pH值。產(chǎn)物形成的最佳pH值與生長最佳pH值不同。pH確信它主要影響細胞壁的通透性及有鍵合于細胞壁外的酶參與的反應速率。pH傳感器或者離子選擇性電極在生物反應器中廣泛應用。現(xiàn)代pH探頭可以耐受蒸汽滅菌和某些高程度的處理。溶解氧 生物反應器中應用的多數(shù)有機體需要氧的連續(xù)供應。溶解氧（DO）探針測量過程中液體中溶解的氧的含量。有機體活性與溶解氧之間的關(guān)系常常作為多數(shù)生物工程過程最終成功與否的主要決定因素。有兩種DO探頭，原電池型和質(zhì)譜型。設計上兩者沒多大的區(qū)別，每種探頭都帶有兩個位于玻璃或者不銹鋼中的電極。DO探頭的最大的問題是它們應變慢而且在低DO濃度下非常不穩(wěn)定。需要耗掉大量的時間而且不耐受反復的滅菌。生物反應器的攝氧速率可采用順磁氧分析儀或者質(zhì)譜儀來測定輸入與輸出氣流氧的濃度而獲得，質(zhì)譜儀速度很快但是非常昂貴。溶解CO2 fermentation broth 中CO2的溶解水平提供了這個過程的大量的信息。膜包裹的酶電極現(xiàn)在用于溶解的CO2的測定，但它們昂貴而且不穩(wěn)定。對氣相CO2的測定可以采用spectrophotometric, 氣相色譜或者質(zhì)譜的方法。固定化酶探頭 這些新一代的探頭是將酶固定于靠近一種電化學傳感器的表面上而制造出來的，常常是DO或者CO2探頭。酶可以與一種特殊的分子反應產(chǎn)生能被電化學傳感器檢測的應答。酶電極原型樣品反