连续培养的基本原理

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1、第六章连续培养的基本原理第一节微生物生长动力学微生物生长动力学是研究微生物生长过程的速率及其影响速率的因素，从而获得相关信息。一、生长现象与繁殖方式根据微生物的个体形态、群体形态、生理特征、生化反应等生物学特征，微生物可分为三大类：Ⅰ、非细胞型微生物（病毒）；Ⅱ、原核细胞型微生物，仅有原始细胞核，如细菌、放线菌等；Ⅲ、真核细胞型微生物，霉菌、酵母菌和单细胞藻类，原生动物。表1微生物的生长现象与繁殖方式类别生长特征繁殖方式细菌个体增重和增大分裂繁殖放线菌、霉菌菌丝伸长和分支霉菌----无性孢子、有性孢子酵母菌个体增重和增大出芽生殖放线菌----无性孢子二、微生物生长

2、的测定微生物的生长和产物的生成有着密切的关系，因此生长的测定对发酵的控制很重要。微生物生长的测定，通常是测群体的重量或细胞数，而不是测细胞个体的重量或大小。生长测定常用理化方法，分为测定细胞数目和细胞重量两类。1、计数法浊度计比浊法测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞数量的生长。计数器计数法在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出细菌数的生长。2、测定细胞重量细胞干重称量法直接测定单位体积培养物的细胞干重，由此代表菌体细胞物质总量。细胞堆积容积测量法（离心压缩细胞体积法）用刻度锥形管测量经离心的细胞沉淀物的容积，由此间接表示细

3、胞重量。细胞组成分析法测定一种大分子的细胞组成(如蛋白质、RNA、DNA等)，间接算出细胞的重量。营养物消耗分析法测定培养基中不用于合成代谢产物的营养物（磷酸盐、硫酸盐等）的消耗，由此间接表示生长的细胞重量。产物重量分析法测定培养中间形成的二氧化碳，氢，ATP等产物，由此间接换算出生长的细胞重量。三、微生物生长动力学微生物不能调节自身的温度，每种微生物都有它的生长最适温度，以及最适pH、无机盐浓度和糖浓度等。1、微生物生长曲线细胞的生长过程可以用细胞浓度的变化来描述和表达。若取细胞浓度的对数值与细胞生长时间对应作图，可得到分批培养时的细胞浓度变化曲线。在培养成分一

4、定时，微生物的生长一般分五个阶段迟缓期（适应期）对数生长期减速期静止期（平衡期）衰退期（死亡期）（1）迟缓期延迟期系指培养基接种后，细胞浓度在一段时间内无明显增加的这一阶段。它是细胞在环境改变后表现出来的一个适应阶段。如果新培养基中含有较丰富的某种营养物质，而在老环境中则缺乏这种物质，细胞在新环境中就必须合成有关的酶来利用该物质，从而表现出延迟期。（2）对数生长期在此阶段中，培养基中营养物质较充分，细胞的生长不受限制，细胞浓度随时间呈指数生长。由于在此阶段，细胞分裂繁殖最为旺盛，生理活性最高。因此在工业微生物反应中，常转接处于指数生长期中期的细胞，以保证转接后细胞

5、能迅速生长，微生物反应能快速进行。（3）减速期减速期的存在是由于当细胞大量生长后，培养基中营养物质大量消耗，加上有害代谢物质的积累，细胞的生长速率开始减缓，从而进入减速期。（4）平衡期平衡期是由于营养物质已耗尽或有害物质的大量积累，使细胞浓度不再增加。平衡期内的细胞浓度为最大浓度。（5）衰退期衰亡期是由于环境恶化，细胞开始死亡，活细胞浓度下降，细胞生长速率为负值。2、微生物生长动力学微生物生长动力学可反映出细胞适应环境变化的能力。这也是我们学习研究生长动力学的原因。(1)比生长速率微生物生长的特点表现为细胞数目或细胞物质（量）增加一倍所需要的时间。如果细胞物质或细

6、胞数增长一倍的时间间隔是常数，则微生物是以指数速度增长，可用数学模型来描述。：比生长速率：比生长速率X：细胞浓度(g/L)N：每升细胞数上式表明细胞物质随时间而增加或细胞数目随时间增加而增加。大多数情况下生长是以物质的增加来衡量的，因而符号μ得到应用。μX为单位体积生长速率。若μ为常数，则：此式可在△t=td时求得，td即在X2=2X1时所需时间，于是td=ln2/μ=0.693/μ对上式积分得：例5-1某微生物的μ＝0.125h-1，求td。解：td=ln2/μ=0.693/0.125=5.544h在微生物培养过程中，菌体浓度的生长速率是菌体浓度、基质浓度和抑制

7、剂浓度的函数，即dx/dt=f(X.S.I)以上两式表明菌体浓度的增长速率与培养液中菌体浓度成正比。比生长速率的意义：比生长速率就是菌体生长速率与培养基中菌体浓度之比，它与微生物的生命活动有联系。在对数生长期，μ是一个常数，这时（2）无抑制的细胞生长动力学——Monod方程现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年便指出，在培养基中无抑制剂存在的情况下，细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示：该方程中为比生长速率(s-1)；为最大比生长速率(s-1，min-1，h-1)，S为限制性基质浓度(g/L)；Ks为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率为

8、最大比生长