生物反應(yīng)器基礎(chǔ)微生物生長動力學(xué)

關(guān)于生物反應(yīng)器基礎(chǔ)微生物生長動力學(xué)第一節(jié)微生物生長的基本特征微生物的種類（可分為三大類）：Ⅰ、非細(xì)胞型微生物（病毒）；Ⅱ、原核細(xì)胞型微生物，僅有原始細(xì)胞核，如細(xì)菌、放線菌等；Ⅲ、真核細(xì)胞型微生物，霉菌、酵母菌和單細(xì)胞藻類，原生動物。

第2頁,共72頁，2024年2月25日，星期天微生物的作用：微生物是生物反應(yīng)過程的催化劑，催化原料轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品；微生物如同一個微小的容器，原料中的反應(yīng)物透過微生物細(xì)胞周圍的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進入微生物體內(nèi)，把反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，接著這些產(chǎn)物又被釋放出來。第3頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

一、生長現(xiàn)象與繁殖方式

微生物可分為成三大類：Ⅰ、非細(xì)胞型微生物學(xué)（病毒）；Ⅱ、是原核細(xì)胞型微生物，僅有原始細(xì)胞核，如細(xì)菌、放線菌等；Ⅲ、是真核細(xì)胞型微生物，霉菌、酵母菌和單細(xì)胞藻類，原生動物。

第4頁,共72頁，2024年2月25日，星期天表5-1微生物的生長現(xiàn)象與繁殖方式類別生長特征繁殖方式細(xì)菌個體增重和增大

分裂繁殖放線菌、霉菌菌絲伸長和分支霉菌----無性孢子、有性孢子酵母菌個體增重和增大

出芽生殖放線菌----無性孢子第5頁,共72頁，2024年2月25日，星期天微生物細(xì)胞在生長過程中的變化：其形態(tài)、組成、活性都處在動態(tài)變化過程中，使其經(jīng)歷生長、繁殖、維持、死亡等階段。并使反應(yīng)系統(tǒng)中的環(huán)境條件也處在動態(tài)變化之中。微生物細(xì)胞的基本組成：蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、核酸等。

第6頁,共72頁，2024年2月25日，星期天二、生長的測定

微生物生長的測定，通常是測群體的重量或細(xì)胞數(shù)，而不是測細(xì)胞個體的重量或大小。生長測定的常用理化方法，分為測定細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞重量兩類。第7頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1、計數(shù)器計數(shù)法

濁度計比濁法測定稀的細(xì)胞懸液的透光量，間接測出細(xì)胞數(shù)量的生長計數(shù)器計數(shù)法在顯微鏡下用血球計數(shù)器直接數(shù)出酵母菌或霉菌孢子數(shù)目，以及用細(xì)菌計數(shù)片直接測出細(xì)菌數(shù)的生長第8頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2、測定細(xì)胞重量

細(xì)胞干重稱量法直接測定單位體積培養(yǎng)物的細(xì)胞干重，由此代表菌體細(xì)胞物質(zhì)總量的生長細(xì)胞堆積容積測量法

用錐形刻度管測量經(jīng)離心的細(xì)胞沉淀物的容積，由此間接表示細(xì)胞重量的生長細(xì)胞組成分析法測定一種大分子的細(xì)胞組成(蛋白質(zhì)、RNA、DNA等)，間接地算出細(xì)胞重量的生長

第9頁,共72頁，2024年2月25日，星期天營養(yǎng)物消耗分析法測定培養(yǎng)基中不用于合成代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)物（磷酸鹽、硫酸鹽等）的消耗，由此間接表示細(xì)胞重量的生長產(chǎn)物重量分析法測定培養(yǎng)中途形成的二氧化碳，氫，ATP等產(chǎn)物，由此間接地?fù)Q算出細(xì)胞重量的生長第10頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)微生物生長動力學(xué)

什么是微生物生長動力學(xué)？微生物生長動力學(xué)是研究微生物生長過程的速率及其影響速率的各種因素，從而獲得相關(guān)信息。微生物生長動力學(xué)可反映細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境變化的能力。

第11頁,共72頁，2024年2月25日，星期天一、微生物生長曲線

細(xì)胞的生長過程可以用細(xì)胞濃度的變化來描述和表達(dá)。若取細(xì)胞濃度的對數(shù)值與細(xì)胞生長時間對應(yīng)作圖，可得到分批培養(yǎng)時的細(xì)胞濃度變化曲線。第12頁,共72頁，2024年2月25日，星期天分批培養(yǎng)細(xì)胞的五個生長階段延遲期：細(xì)胞濃度無明顯變化對數(shù)期：細(xì)胞濃度隨時間呈指數(shù)生長減速期：細(xì)胞的生長速率開始減緩靜止期：細(xì)胞濃度不再增加，為最大值衰亡期：細(xì)胞開始死亡，細(xì)胞生長速率為負(fù)值第13頁,共72頁，2024年2月25日，星期天二、微生物生長動力學(xué)1、比生長速率若細(xì)胞物質(zhì)或細(xì)胞數(shù)目增長一倍的時間間隔是常數(shù)，則微生物是以指數(shù)速率增長，可用數(shù)學(xué)模型來描述。（1）

（2）式（1）表明，細(xì)胞物質(zhì)隨時間的增加而增加式（2）表明，細(xì)胞數(shù)目隨時間的增加而增加第14頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

若μ為常數(shù)，則：

對式（1）積分得：

在大多數(shù)情況下，生長是以物質(zhì)的增加衡量的，因而得到應(yīng)用。

此式可在△t=td（td為倍增時間）時求得，td即在時所需時間，于是td=ln2/μ=0.693/μ。

為比生長速率，單位是h-1。第15頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

例題：某微生物的＝0.125h-1，求td。第16頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

比生長速率的意義

比生長速率是菌體繁殖速率與培養(yǎng)基中菌體濃度之比，它與微生物的生命活動有聯(lián)系

在對數(shù)生長期，是一個常數(shù)，這時

第17頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

2、無抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)

——Monod方程

現(xiàn)代細(xì)胞生長動力學(xué)的奠基人Monod在1942年指出，在培養(yǎng)基中無抑制劑存在的情況下，細(xì)胞的比生長速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系可用下式表示：第18頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

Monod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設(shè)如下：①細(xì)胞的生長為均衡式生長，因此描述細(xì)胞生長的唯一變量是細(xì)胞的濃度；②培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，而其它組分為過量，不影響細(xì)胞的生長；③

細(xì)胞的生長視為簡單的單一反應(yīng)，細(xì)胞生長速率為一常數(shù)。

第19頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

Monod方程中為比生長速率(h-1)；為最大比生長速率(h-1)，S為限制性基質(zhì)濃度(g／L)；Ks為飽和常數(shù)(g/L)，其值等于比生長速率為最大比生長速率一半時的限制性基質(zhì)濃度。

第20頁,共72頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞的比生長速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系第21頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

將Monod方程變?yōu)?/p>

并作圖。通過該圖，即可以獲得兩個重要的動力學(xué)參數(shù)。第22頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共72頁，2024年2月25日，星期天Ks和μm值隨菌種、限制性基質(zhì)種類的變化微生物限制生長基質(zhì)Ksμm（hr）大腸桿菌葡萄糖0.22--大腸桿菌乳糖0.58--啤酒酵母乳糖2.6~3.00.18啤酒酵母葡萄糖0.56--纖維素分解菌葡萄糖0.860.125固氮菌葡萄糖0.16~0.330.13青霉菌氧氣0.0070.35第24頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

Monod方程雖然表述簡單，但它不足以完整地說明復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，并且已發(fā)現(xiàn)它在某些情況與實驗結(jié)果不符，因此人們又提出了另外一些方程,歸納于下表

第25頁,共72頁，2024年2月25日，星期天單基質(zhì)限制的細(xì)胞生長動力學(xué)模型第26頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)發(fā)酵動力學(xué)與發(fā)酵

過程控制發(fā)酵動力學(xué)是研究生物反應(yīng)過程的速率及其影響因素，是生物反應(yīng)工程學(xué)的理論基礎(chǔ)之一。發(fā)酵過程動力學(xué)包括兩個層次的動力學(xué)第27頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1、本征動力學(xué)（又稱微觀動力學(xué)）在沒有傳遞等工程因素影響時，生物反應(yīng)固有的速率。該速率除反應(yīng)本身的特性外，只與各反應(yīng)組分的濃度、溫度、催化劑及溶劑性質(zhì)有關(guān)，而與傳遞因素?zé)o關(guān)。

第28頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2、反應(yīng)器動力學(xué)（又稱宏觀動力學(xué)）在一反應(yīng)器內(nèi)所觀測得到的總反應(yīng)速率及其影響因素，這些影響因素包括反應(yīng)器的形式和結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動與混合、傳質(zhì)與傳熱第29頁,共72頁，2024年2月25日，星期天一、發(fā)酵動力學(xué)發(fā)酵動力學(xué)是研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間的相互作用隨時間變化的規(guī)律的科學(xué)。研究發(fā)酵動力學(xué)的目的在于按人們的需要控制發(fā)酵過程。

第30頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1、產(chǎn)物合成動力學(xué)在連續(xù)培養(yǎng)的條件下，由生長、基質(zhì)利用和產(chǎn)物形成的物料平衡方程，可以看出產(chǎn)物的形成與生長和細(xì)胞濃度的關(guān)系

第31頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.1、細(xì)胞的生長細(xì)胞量的積累速率=細(xì)胞生長速率－細(xì)胞的消失速率第32頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.2、基質(zhì)的利用基質(zhì)的消耗速率=補料中基質(zhì)的添加速率－生長消耗的基質(zhì)速率－產(chǎn)物合成用去的基質(zhì)速率－維持所消耗的基質(zhì)速率－基質(zhì)的移去速率第33頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.3、產(chǎn)物的形成產(chǎn)物形成的速率=產(chǎn)物合成速率－產(chǎn)物移去速率－產(chǎn)物被破壞速率第34頁,共72頁，2024年2月25日，星期天二、代謝產(chǎn)物形成的動力學(xué)模型

Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生長速率之間的關(guān)系，將其分為三種類型：類型Ⅰ稱為相關(guān)模型，或稱伴隨生長的產(chǎn)物形成模型；類型Ⅱ稱為部分相關(guān)模型，或稱不完全伴隨生長的產(chǎn)物形成模型；類型Ⅲ稱為非相關(guān)模型或稱不伴隨生長的產(chǎn)物形成模型。

第35頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第36頁,共72頁，2024年2月25日，星期天類型Ⅰ是指產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長相關(guān)的過程(上圖a)，此時產(chǎn)物通常是基質(zhì)的分解代謝產(chǎn)物，代謝產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長是同步的。動力學(xué)方程為：第37頁,共72頁，2024年2月25日，星期天類型Ⅱ反應(yīng)產(chǎn)物的生成與細(xì)胞生長僅有間接關(guān)系（上圖b）。在細(xì)胞生長期內(nèi)，基本無產(chǎn)物生成。動力學(xué)方程為：或第38頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第39頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

與μ之間的關(guān)系圖第40頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律一、分批發(fā)酵1.概念分批發(fā)酵是指在一封閉培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)具有初始限制量基質(zhì)的一種發(fā)酵方式第41頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.分批發(fā)酵過程的典型類型

簡單反應(yīng)a、生長型：如產(chǎn)氣桿菌（AerobacterCloacae）的生長

b、非生長型：如黑曲霉（Aspegillusniger）轉(zhuǎn)化葡萄糖成為葡萄糖酸

并行反應(yīng)：如粘紅酵母（Rhodotorubaglutirus）

相繼反應(yīng)：如假單孢菌（PseudomonoasOualis）

分段反應(yīng)：。如大腸桿菌（E.Coli）的二階段式生長

第42頁,共72頁，2024年2月25日，星期天3.分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率體積生產(chǎn)率是以每升發(fā)酵液每小時產(chǎn)生的產(chǎn)物克數(shù)（g/Lh）表示的，是對發(fā)酵過程總成果的一種衡量。總生產(chǎn)率:第43頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第44頁,共72頁，2024年2月25日，星期天總生產(chǎn)率第45頁,共72頁，2024年2月25日，星期天其中發(fā)酵過程總的運轉(zhuǎn)周期為：第46頁,共72頁，2024年2月25日，星期天絲狀微生物發(fā)酵的

產(chǎn)物產(chǎn)率和基質(zhì)的利用霉菌和其它絲狀微生物的發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)率和基質(zhì)利用的動力學(xué)是很復(fù)雜的，典型的例子是青霉素發(fā)酵第47頁,共72頁，2024年2月25日，星期天絲狀微生物發(fā)酵過程獲得高產(chǎn)的

一般規(guī)律

(1)在一固定的分批發(fā)酵時間內(nèi)，存在一種得到最佳產(chǎn)率的最適的基質(zhì)起始濃度。如果基質(zhì)濃度太高，菌絲體生長過度，消耗大量基質(zhì)導(dǎo)致“短周期發(fā)酵”現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成產(chǎn)物生成量減少；如果基質(zhì)濃度太低，菌絲體生長差，到產(chǎn)物生產(chǎn)期便沒有足夠的菌絲體制造產(chǎn)物。

第48頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（2）為了提高產(chǎn)物形成速率，對菌絲分枝程度也須加以優(yōu)化。如果菌絲體分枝過少，停滯期和發(fā)酵周期均延長。目前已知菌絲體的分枝程度與種子的生長狀況有關(guān)，因此需尋找最適的種子培養(yǎng)條件。

第49頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（3）為了提高氧的傳遞速率，對深層發(fā)酵過程似乎宜采用劇烈的攪拌，但是對于青霉素等利用絲狀微生物的發(fā)酵過程來說，中等程度的攪拌對高產(chǎn)有利。對此有幾種解釋，普遍的認(rèn)為是劇烈的攪拌所施加的剪切力會影響霉菌的形態(tài)，促進菌絲過多分枝，而使產(chǎn)量下降。第50頁,共72頁，2024年2月25日，星期天二、連續(xù)發(fā)酵把新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)地供給均勻混合的發(fā)酵系統(tǒng)，同時又以相同的速度把含有細(xì)胞和產(chǎn)物的發(fā)酵液從發(fā)酵系統(tǒng)中抽出便可使發(fā)酵過程連續(xù)化

第51頁,共72頁，2024年2月25日，星期天在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中，微生物細(xì)胞的濃度、比生長速率和環(huán)境條件（如營養(yǎng)物質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度），均處于不隨時間而變化的穩(wěn)定狀態(tài)之下

第52頁,共72頁，2024年2月25日，星期天連續(xù)培養(yǎng)的原理1、基于細(xì)胞量的物料平衡細(xì)胞的進入速率－細(xì)胞的流出速率＋細(xì)胞的生長速率－細(xì)胞的死亡速率＝細(xì)胞的積累速率第53頁,共72頁，2024年2月25日，星期天簡化后：在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，上式可變?yōu)椋旱?4頁,共72頁，2024年2月25日，星期天在連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)中被稱為稀釋速率，用符號“D”表示

（等于培養(yǎng)液在罐中平均停留時間的倒數(shù)）在穩(wěn)定狀態(tài)下，細(xì)胞的比生長速率等于稀釋速率。第55頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2、基于限制性營養(yǎng)成分的物料平衡養(yǎng)分進入系統(tǒng)的速率－養(yǎng)分流出系統(tǒng)的速率－用于生長的養(yǎng)分消耗的速率－用于維持的養(yǎng)分消耗的速率－用于產(chǎn)物形成的養(yǎng)分消耗的速率＝養(yǎng)分在系統(tǒng)中積累的速率第56頁,共72頁，2024年2月25日，星期天在穩(wěn)定狀態(tài)下

，則以代入上式，得第57頁,共72頁，2024年2月25日，星期天上式須符合以下假定細(xì)胞的得率系數(shù)假定與生長速率或稀釋速率無關(guān)

假定細(xì)胞濃度的絕對值與除限制性營養(yǎng)成分以外的所有營養(yǎng)成分無關(guān)

限制性營養(yǎng)成分的細(xì)胞得率系數(shù)只受限制性養(yǎng)分的影響，但是其它環(huán)境因素如pH、溫度和溶解氧必須維持恒定產(chǎn)率第58頁,共72頁，2024年2月25日，星期天達(dá)到最大的細(xì)胞產(chǎn)率的稀釋率，并不等于達(dá)到最大的細(xì)胞得率時的稀釋率。因此，過程的最佳化往往必須采取折衷的方法，要同時考慮到產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和流出液的殘留基質(zhì)濃度。第59頁,共72頁，2024年2月25日，星期天分批培養(yǎng)過程與連續(xù)培養(yǎng)過程產(chǎn)率的比較第60頁,共72頁，2024年2月25日，星期天分批和連續(xù)培養(yǎng)產(chǎn)率的比較分批培養(yǎng)中最大比生長速率（h）

分批培養(yǎng)中最大比生長速率（h）0.050.090.804.60.100.211.06.80.200.531.29.50.401.5第61頁,共72頁，2024年2月25日，星期天恒化器的實際運行情況與理論

狀態(tài)的對比

碳源限制性恒化器

受N或硫酸鹽限制的恒化器

受K、Mg或磷酸鹽限制的恒化器非恒化連續(xù)培養(yǎng)

第62頁,共72頁，2024年2月25日，星期天連續(xù)培養(yǎng)過程中的主要問題

雜菌污染問題生產(chǎn)菌株突變問題第63頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1、雜菌污染問題雜菌污染問題是連續(xù)培養(yǎng)中難以解決的問題。要了解污染的雜菌在什么樣的條件下會在系統(tǒng)中發(fā)展成為主要的微生物群體。在連續(xù)發(fā)酵過程中，需要長時間連續(xù)不斷地向發(fā)酵系統(tǒng)供給無菌的新鮮空氣和培養(yǎng)基，這就不可避免地發(fā)生雜菌污染問題。第64頁,共72頁，2024年2月25日，星期天假設(shè)連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)被外來的生物Y、Z和W污染，這些污染菌的積累速率可用以下物料平衡式表示：污染菌積累的速率＝污染菌進入的速率－污染菌流出的速率＋污染菌生長速率第65