在这种情况下，形成稳定状态，有机体的浓度随时间不发生变化。
稀释率也影响生物反应器中底物的浓度。
在生物反应器中，底物进入时的浓度为sR，被有机体消耗流出时的浓度为s。
由另一个平衡方程获得底物浓度变化的net速率：
增加=输入-输出-消耗
=输入-输出-生长/生长得率系数
dx/dt=DSR-Ds-μx/Y
当稀释率超过μmax时，有机体洗出。
当一个连续培养系统被看作一个生产系统（例如SCP）过程的时候，它的performances用两个标准来评价：
（1）单位时间产生的细胞数——ouput速率；和
（2）单位重量的底物生成的细胞数——有效生长速率或产量系数。
在稳定状态下，总的ouput等于产物流速和有机体的浓度。
为了获得最大ouput细胞或者生物体，稀释率必须高但是它显然不能超过μmax。
实际上，将高ouput与底物的有效利用相连的最大生产效率可以通过流出速度或低于最大ouput速率以及可用的最高底物浓度而获得。
这样的最佳条件只与生物体生成相关。
尽管当所想要的产物如乙醇是一个发酵产物的时候，可以利用相类似的条件，这个发酵产物的形成与所消耗的底物的量成比例，但是复杂代谢物如抗生素的生产所需要的条件是很不相同的。
半连续培养是培养的一种形式，它涉及向初始批次中连续或者系列的添加培养基或者底物，而没有任何缺点。
这种系统产物的产量有可能（well）超过传统的分批培养。
这个方法在工业中被广泛使用，例如，在面包酵母的生产中。
实际中，分批、半连续以及连续培养系统用在工业中生物体的生产或者细胞产物的生产。
出于很多的原因，分批培养技术代表了工业生产的主要形式。
为了更加充分的理解进行微生物生长的各种技术的动力学机制，应当参考Pirt和Fiechter所编的书。
4.3生物反应器设计
生物反应器是生物工程过程中进行生物反应的容器系统。
它为优化有机体的生长和代谢活动提供正确的环境条件；它必须阻止周围环境对生产培养物的污染，同时还要组织培养物释放到环境中，而且有辅助的工具或者探针对最优过程进行控制（表4.5生物反应器设计的基本标准）。
许多生物反应器系统需要在asepticcondition下进行操作。
在许多具有工业重要性的系统中，使用的是生产有机体的纯培养物，而且，不需要的外来污染物的存在会以许多方式影响生产过程——例如，用生物催化剂进行干扰，将破坏产物，产生破坏下游处理过程的物质，而且还将有毒物质引入到系统中。
为了防止出现这个问题，培养基、生物反应器和所有附属工具（pipework）都要进行灭菌（常用高压蒸汽），而且通入的空气需要通过灭菌玻璃wool去除去污染物。
在分批发酵培养基中，通常在生物反应器进行灭菌，而在连续系统中，进行外部灭菌。
在发酵工业中，会有污染微生物确实进入到生物反应器中并产生破坏的偶然情况发生。
由于这个原因，在抗生素工业中，生物反应器很少有大于200m3的，原因就是当污染发生就会造成大量的损失。
当采用连续过程，就需要更加严格的灭菌操作。
基因工程微生物在工业中期望更大的利用就需要更为昂贵的除菌技术。
对于耗氧过程，设计必须包括通入空气和混合物质的机制，并且所有的系统都必须提供接种和检样及charginganddischargingthevessel。
需要通过冷却机制除去来自搅拌、通气和氧化代谢过程的能量输入。
能量输入的处理低于决定整个混合和通气速率是必要的。
构造材料应该是无毒的、耐蒸汽压并能抵御化学和电子腐蚀。
工业生物反应器常常用highlypolished不锈钢建造。
生物反应器有多种形状和大小，且高径比是重要的工作参数。
工业生物反应器的大小受所需要的产物的浓度影响，无论选择的是分批还是连续操作。
尽管连续培养技术在研究中使用广泛，但是发现它们在工业中的应用是有限的，例如，SCP和乙醇的生产过程及污水处理。
几乎所有其他的工业过程采用的是分批或者半连续培养方法。
分批和半连续培养技术在工业中的主导地位出于以下一些原因或者全部原因。
（a）在任意设定的时间内，所需要的产物相对数量较小。
（b）市场要求canbeintermittent
（c）某些产物的储存期限短。
（d）需要高的产物浓度以优化下游处理过程。
（e）某些产物只在生长周期的稳定期才产生。
（f）某些生产菌株的不稳定性需要regularrenewal.
（g）连续过程有许多技术难题。
尽管工业生物反应器有许多设计，但是建立已久的连续搅拌釜式反应器（CSTR）或者容器一直被广泛使用（图4.2（a））。
在没有机械搅拌的生物反应器中，例如，塔式或者环路式生物反应器，通过通入气体来实现搅拌（图4.2（b））。
在大规模的这些类型的生物反应器的液体发酵中，已经认为这样的设计可以经济性的与机械搅拌生物反应器相竞争。
然而，在所有系统中，黏度的提高将产生关于通气的主要问题，由于小的气泡合并为大的气泡而表面积减少。
总体上，发酵工业所要求的生物反应器应能满足不同的操作条件，包括变化黏度、通气速率、搅拌强度和发酵体积，而实践中，CSTR已被广为采纳。
决定选择的一个进一步的考虑是许多工业需要处理一个植物体内不同的产物；因此，可以容易的进行改动的可变系统将是人们所喜欢的。
CSTR最基本的设计发展于1940s和1950s工业生产青霉素。
它常为一个完全直立的有挡板cylinder而且挡板的宽度为罐直径的10%。
无菌空气由容器底部通入，通过一个打开的管或者环状鼓泡器。
直立shaftwithoverheaddrive带有一个或者多个搅拌浆叶取决于径高比。
搅拌浆叶常常位于中间位置与罐直径相等alongtheshaft去防止流体湍流运动。
大部分生物反应器采用平叶式透平搅拌器，一般3-5aremounted进行良好的搅拌和分散于系统高度（图4.2（a））。
这种搅拌器系统需要输入高的动力，且进行大量的研究以寻找更为有效的设计。
一个典型的工业CSTR如图4.3所示。
搅拌浆叶的作用是在生物反应器中进行搅拌和混合并且使通气便于进行（图4.4）。
搅拌和通气是CSTR操作成本的重要部分。
搅拌的主要作用是使细胞和养分悬浮通过培养基，使养分包括氧气能够被细胞利用并且使热量转移。
绝大多数的工业有机体是好氧的，在大多数发酵过程中，有机体是高氧需求。
既然氧气是一种在水溶液中sparingly可溶的气体，那么发酵过程可由vigorousaretationofthebroth来支持。
搅拌以三种方式影响氧传递系数（KLa）：
（1）搅拌浆叶将空气打碎为小的气泡增大气体与液体之间的接触面积，
（2）搅拌延缓了空气从生物反应器中的流失，和（3）turbulentshear可以减少气体与液体接触面的film厚度。
塔式生物反应器可定义为加长的搅拌容器，径高比大于6:
1（图4.2（b））。
塔式生物反应器没有机械搅拌；空气由塔的底部通入，只能依靠气泡的上升进行混合。
由于这个原因，有机体受shear的影响很少。
环路式生物反应器在特定的方向引入了一个强大的、可控制的liquidbulkflow（图4.2（c））。
这通过引入draft或者挡板tubes产生一种液体“内部循环”或者通过使用循环管的“外部循环”来实现。
大量来自生活和工业用的废水通常用厌氧和耗氧生物反应器系统来处理。
在没有氧气的情况下，某些专门化的微生物能够将可生物降解的有机物质转化为甲烷、二氧化碳和新的新的微生物细胞。
初始有机物质中，大约90%化学键合的能量以甲烷的形式回收，5-10%的能量用于新微生物的形成，而约有3%作为热量而浪费掉。
这与好氧降解过程形成鲜明的对比，好氧过程中，大约有60%的可利用的能量用于新细胞的生长，而约40%作为过程中热量而损失。
最为典型的厌氧生物反应器或者消化器是CSTR（图4.2（d）），以连续或者半连续方式进行操作。
利用这个系统，浓缩的废水——例如，城市污水处理的sludge——与厌氧微生物大约在30℃下混合，选择thehydraulicretentiontime（反应器中水滞留的平均时间）使废水有效的稳定而获得高的甲烷产量。
对于食品和发酵工业的强的培养基废水，技术设计要能在连续操作系统中，维持微生物生物体较长的时段。
由此，固体retentiontime与液体retentiontime无关（uncouopledfrom），在消化罐中可以获得高的微生物浓度，而产生高的降解速率。
对于非常稀的废水，例如，城市污水，需要非常长的固体retentiontime，而且这只能通过流动床过程来实现（见第五章）。
甲烷发酵最杰出的例子就是中国的生物气生产过程，建立了几百万个家庭规模的厌氧生物反应器。
这种生物反应器处理粪肥、人类排泄物和秸秆，产生生物气用来做饭和照明，以及垃圾的净化，其后来成为一种很好的肥料，
每立方米生物反应器每天的体积载量为4kg，mean停留时间小至10天，整个规模的甲烷生物反应器可期望每立方米生物反应器生产1立方米气体。
激活的污水sludge处理过程广泛用于污水及其他工业垃圾的氧化处理。
这些过程采用的是分批或者连续搅拌生物反应器系统以增加空气的通入来优化有机物质的氧化分解（图4.2（e））。
这些生物反应器是很大的，为了使其发挥最佳的功能，有一些或者许多的搅拌单元使容易的进行混合及许多处理城市污水的植物摄取氧。
由于它们开放式的本质，有时候会出现气味的问题。
工业废物废水的厌氧生物处理较为采纳的原因是：
（1）通气时不需要能量；
（2）有机物质高效的转化为生物气，用来作为燃料；
（3）没有气味问题；
（4）产生很少的surplussludge；
（5）经过显微操作，可以生产出高附加值的产物。
4.4培养基设计
培养基设计要满足生产有机体、生产目的和操作规模的营养要求。
对于许多大规模的生物工程成本，培养基组分的可利用性和处理特点是决定选择的主要因素。
对于异氧微生物来说，最基本的营养要求是能量或者碳源、一种可利用的氮源，无机物组分及对于某些微生物还要有生长因子。
对于大多数生物工程过程，碳源及氮源常常来源于廉价的天然产物或者副产物的复杂的混合物（表4.6），而自来水中或者主要的初原料中常含有足量的稀有金属。
当需要生长因子的时候，供应的应是纯品，但是出于经济原因，常常以植物或者动物的提取物来供应。
所需要的生长因子的主要的类型是B族维生素或者相关化合物，特定的氨基酸和某些脂肪酸。
如果不进行pH控制，碳源及氮源的合适的平衡对于过程的pH类型是重要的。
对大多数过程而言，营养物质必须溶于水。
在分批系统中，初体积中常常含有所有的营养物质。
以特定的速率为基础通过添加某些营养物质的方式（半连续培养），对分批培养中的发酵反应进一步进行调控。
通过这种方式，维持了关键的诱导物溶液。
可利用的营养物质将对发酵反应和产物形成过程进行强大的生理控制。
由于原料占到可变的发酵成本的60-80%，那么在按配方配制培养基时，经济性是要paramount考虑的。
一个发酵过程摄入的原料主要取决于特定时期原料的成本，因为商品的价格随着季节和其他变化而上下浮动的。
原料的选择也取决于处理和储存成本、配制过程的容易性及灭菌，同时还需要考虑到健康和安全性。
发酵过程中培养基的配制和特定养分的可利用性对产物的优化有着极大的影响。
因此，如果发酵的目的是生物体或者是一种生长产物（growth-asscoiated）的话，培养基就必须能进行最大潜能的生长。
对不是生长限制性的化合物，例如有机酸、抗生素等等，在初生长期后，培养基要成为一种或者多种养分的缺陷型。
根据所研究的生产过程的本质，尤其是如果需要的是次级代谢产物，那么成功采用对磷、氮、，碳水化合物或者痕量金属的限制而实现。
某些过程需要培养集中含有一种诱导物，而其他过程可能被培养基的一种组分所阻遏。
分解代谢物阻遏在酶的生产中是特别普遍的问题，且证实常常发生在含有葡萄糖的培养基中。
阻遏可通过用慢发酵的碳水化合物或者特别是水解淀粉取代葡萄糖而避免。
在特定的发酵过程中，也采用递增或者连续的补加一种浓缩的组分的方式。
一种工业培养基的组成不仅基于发酵时期的需要而且基于后续的纯化步骤。
培养基配制也应该以生产afinalfermentationbroth为目标，这个finalfermentationbroth要黏度低，具有易分离的细胞质量（mass），且影响终产物特性（specifications）的残余化合物少。
培养基的灭菌方法应以对培养基组分或者参与的矿物质的最小程度的温度损害实现最大程度的杀死污染微生物。
细菌内生孢子对于稳定培养基构成一个严重的问题，因为它们在超过100℃才能被杀死。
在这些温度下，许多培养基组分是脆弱的（laible）而且会被破坏。
在这种情况下，其他可采用的灭菌方法包括过滤或者射线照射。
对于多数培养基，分批灭菌仍是所选择的方法，尽管连续灭菌已被广泛采纳。
连续灭菌过程在超过120℃的温度下经过短时间处理可有效的杀死孢子，而对培养基养分不产生有害的影响。
实际中，连续灭菌是通过给培养基中穿过一个热交换器来进行的，在那里（where）热交换器在短时间内升至所要求的高温度。
接着培养基穿过一个线圈（holdi
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