發(fā)酵工程與設(shè)備 第五章

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,,*,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,第五章 微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué),,第一節(jié) 微生物生長(zhǎng)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(dòng)物。,,,,微生物的作用：,,,微生物是生物反應(yīng)過(guò)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(gè)微小的容器，原料中的反應(yīng)物透過(guò)微生物細(xì)胞周圍的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)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(lái)。,,,一、生長(zhǎng)現(xiàn)象

2、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(dòng)物。,,,表5-1 微生物的生長(zhǎng)現(xiàn)象與繁殖方式,,類 別,,生長(zhǎng)特征,,繁殖方式,,細(xì)菌,,個(gè)體增重和增大,,,,分裂繁殖,,,放線菌、霉菌,,菌絲伸長(zhǎng)和分支,,霉菌----無(wú)性孢子、有性孢子,,酵母菌,,個(gè)體增重和增大,,出芽生殖,,放線菌----無(wú)性孢子,,,微生物細(xì)胞在生長(zhǎng)過(guò)程中的變化：,,,其形態(tài)、組成、活性都處在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，使其經(jīng)歷生長(zhǎng)、繁殖、維持、死亡等階段。,,并使反應(yīng)系統(tǒng)中的環(huán)境條

3、件也處在動(dòng)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。,,,,,,二、生長(zhǎng)的測(cè)定,,微生物生長(zhǎng)的測(cè)定，通常是測(cè)群體的重量或細(xì)胞數(shù)，而不是測(cè)細(xì)胞個(gè)體的重量或大小。,,生長(zhǎng)測(cè)定的常用理化方法，分為測(cè)定細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞重量?jī)深悺?,1、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)法,,濁度計(jì)比濁法,,測(cè)定稀的細(xì)胞懸液的透光量，間接測(cè)出細(xì)胞,,數(shù)量的生長(zhǎng),,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)法,,在顯微鏡下用血球計(jì)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(jì)數(shù)片直接測(cè)出,,細(xì)菌數(shù)的生長(zhǎng),,,2、,測(cè)定細(xì)胞重量,,細(xì)胞干重稱量法,,直接測(cè)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(zhǎng),,細(xì)胞堆積容積測(cè)量法,,,用錐

4、形刻度管測(cè)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(zhǎng),,細(xì)胞組成分析法,,測(cè)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(zhǎng),,,,,,,,,,,,,營(yíng)養(yǎng)物消耗分析法,,測(cè)定培養(yǎng)基中不用于合成代謝產(chǎn)物的營(yíng),,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(zhǎng),,產(chǎn)物重量分析法,,測(cè)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(zhǎng),,,,,第二節(jié),微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué),,什么是微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)？,,微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)是研究微生物生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)動(dòng)力學(xué)可反映細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境

5、變化的能力。,,,一、,微生物生長(zhǎng)曲線,,細(xì)胞的生長(zhǎng)過(guò)程可以用細(xì)胞濃度的變化來(lái)描述和表達(dá)。若取細(xì)胞濃度的對(duì)數(shù)值與細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)應(yīng)作圖，可得到分批培養(yǎng)時(shí)的細(xì)胞濃度變化曲線。,,,,,分批培養(yǎng)細(xì)胞的五個(gè)生長(zhǎng)階段,,延遲期：,細(xì)胞濃度無(wú)明顯變化,,對(duì)數(shù)期：,細(xì)胞濃度隨時(shí)間呈指數(shù)生長(zhǎng),,減速期：,細(xì)胞的生長(zhǎng)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(zhǎng)速率,,為負(fù)值,,二、微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué),1、比生長(zhǎng)速率,,若細(xì)胞物質(zhì)或細(xì)胞數(shù)目增長(zhǎng)一倍的時(shí)間間隔是常數(shù)，則微生物是以指數(shù)速率增長(zhǎng)，可用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。,,（1）,,,,（2）,,,,式（1）表明，細(xì)胞物質(zhì)隨時(shí)間的

6、增加而增加,,式（2）表明，細(xì)胞數(shù)目隨時(shí)間的增加而增加,,,,,,,,,,若,μ,為常數(shù)，則：,,對(duì)式（1）積分得：,,在大多數(shù)情況下，生長(zhǎng)是以物質(zhì)的增加衡量的，因而 得到應(yīng)用。,此式可在△,t=t,d,（t,d,為倍增時(shí)間）,時(shí)求得，,t,d,即在,,時(shí)所需時(shí)間，于是,t,d,=ln2/,μ,=0.693/,μ,。,,,為比生長(zhǎng)速率，單位是,h,-1,。,,,,,,例題：某微生物的 ＝0.125,h,-1,，,求,t,d,。,,,,比生長(zhǎng)速率的意義,,,,比生長(zhǎng)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(dòng)有聯(lián)系,,,,,在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期， 是一個(gè)常數(shù)，這時(shí),

7、,,,2、無(wú)抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) ——,Monod,方程,,,,現(xiàn)代細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的奠基人,Monod,在1942年指出，在培養(yǎng)基中無(wú)抑制劑存在的情況下，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系可用下式表示：,,,,,Monod,方程是典型的均衡生長(zhǎng)模型，,,其基本假設(shè)如下：,,①細(xì)胞的生長(zhǎng)為均衡式生長(zhǎng)，因此描述細(xì)胞,,生長(zhǎng)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(zhǎng)限制性基 質(zhì)，而其它組分為過(guò)量，不影響細(xì)胞的生長(zhǎng)；,,③,,細(xì)胞的生長(zhǎng)視為簡(jiǎn)單的單一反應(yīng)，細(xì)胞生長(zhǎng),,速率為一常數(shù)。,,,,Monod,方程中 為比生長(zhǎng)速率,(,h,

8、-1,),；,,,為最大比生長(zhǎng)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(zhǎng)速率為最大比生長(zhǎng)速率一半時(shí)的限制性基質(zhì)濃度。,,,細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系,,將,Monod,方程變?yōu)?,,,,并作圖。通過(guò)該圖，即可以獲得兩個(gè),,重要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。,,,,,,Ks,和,μ,m,值隨菌種、限制性基質(zhì)種類的變化,微生物,,限制生長(zhǎng)基質(zhì),,Ks,,μm（hr）,,大腸桿菌,,葡萄糖,,0.22,,--,,大腸桿菌,,乳糖,,0.58,,--,啤酒酵母,,乳糖,,2.6~3.0,,0.18,,啤酒酵母,,葡萄糖,,0.

9、56,,--,,纖維素分解菌,,葡萄糖,,0.86,,0.125,,固氮菌,,葡萄糖,,0.16~0.33,,0.13,,青霉菌,,氧氣,,0.007,,0.35,,,,,Monod,方程雖然表述簡(jiǎn)單，但它不足以完整地說(shuō)明復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，并且已發(fā)現(xiàn)它在某些情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，因此人們又提出了另外一些方程,,,歸納于下表,,,單,基質(zhì)限制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型,,三、生長(zhǎng)的測(cè)定,,微生物生長(zhǎng)的測(cè)定，通常是測(cè)群體的重量或細(xì)胞數(shù)，而不是測(cè)細(xì)胞個(gè)體的重量或大小。,,生長(zhǎng)的測(cè)定常用理化方法，分為測(cè)定細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞重量?jī)深悺?,1、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)法,,濁度計(jì)比濁法,,,測(cè)定稀的細(xì)胞懸液的透光量，間接測(cè)出細(xì)胞,

10、,數(shù)量的生長(zhǎng),,,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)法,,,在顯微鏡下用血球計(jì)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(jì)數(shù)片直接測(cè)出,,細(xì)菌數(shù)的生長(zhǎng),,,,2、,測(cè)定細(xì)胞重量,,細(xì)胞干重稱量法,,直接測(cè)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(zhǎng),,細(xì)胞堆積容積測(cè)量法,,,用錐形刻度管測(cè)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(zhǎng),,細(xì)胞組成分析法,,測(cè)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(zhǎng),,,,,,,,,,,,,營(yíng)養(yǎng)物消耗分析法,,測(cè)定培養(yǎng)基中不用于合成代謝產(chǎn)物的營(yíng),,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(zhǎng),,產(chǎn)物重量分析法,,測(cè)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(zhǎng),,,,,