白腐菌深层培养的数学模型

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1、白腐菌深层培养的数学模型摘要：变色栓菌是一种口腐菌，能够生产漆酶、半纤维素酶、木质素过氧化物酶等胞外酶。这些酶的生产要求我们了解口腐菌的生长特征和生理机能等相关细节。白腐菌的深层培养在摇瓶中进行，以葡萄糖、果糖、蔗糖为唯一碳源。白腐菌的所有细胞均参与催化蔗糖水解，这个过程被认为是m-m动力学中的一步酶促反应。催化蔗糖水解的转化酶的动力参数估计为(Km=7.99gdnT',Vm=0.304用Monod模型来描述口腐菌以葡萄糖和果糖为唯一碳源的生长动力学。从独立实验获得的实验结果来估计白腐菌生长的关联模型参数(pmaxG=0.14h」,

2、KsJ<06gdm'3,pmaxF=().37h“，Ksh=54.8gdm'3)o实验结果与数学模型基本吻合。关键词：变色栓菌，转化酶动力学，微生物生长，数学模型ListofsvmbolsDiffusioncoefficient(cm2s_,)KmMichaelis-Menlenconstant(gdm-3)KsMonodconstant(gdm"')rRadius(mm)rRateofenzymatichydrolysis(gdm"'h-1)TTemperature(°C)tTime(h)VmMaximalreactionrate

3、(h_1)YYieldcoefficientbiomass-substrate(gg_1)7Concentralion(gdm-')“Biomassgrowthrate(h~1)上也曲Maximalbiomassgrowthrate(h_1)0Thielemodule(-)0InitialconditionsFFructoseGGlucoseSSucroseXBiomass1•引言H腐菌是普遍存在于自然界中的真菌，它们含有的胞外酶系、过氧化物酶以及次级代谢产物共同作用可以引起木头的降解，白腐菌的胞外酶系由漆酶、半纤维素酶、木质素过氧

4、化物酶组成。白腐菌区别于其它微生物的最显著的特征就是它将木质素中的矿物质降解为二氧化碳和水的能力。口腐真菌生物技术应用于增值和高效生产木质素酶，可能不同于以往的工业污染物和其他有害物质的降解。可以用固态发酵法或深层培养法两种方式培养口腐菌来生产木质素酶，其中固态发酵法是让口腐菌在自然的方式下生长。当用深层培养法来代替固态发酵法时，生产的木质素酶更易分离纯化。进行深层培养时，口腐菌的菌丝体可能形成不同的形态：菌丝体发散成丝状或相互编织聚集成小球状。这两种不同的形态取决于菌种遗传物质、培养液的性质、培养的化学条件、物理条件。获得相同形状

5、、大小的菌丝小球并不容易，很多因素都对其有影响。用深层培养与固态发酵两种不同的方法培养白腐菌生成酶，已经进行了大量的研究。尽管越来越多的人对白腐菌的培养产生了兴趣，却没有更多关于白腐菌生产的数据被发表。主要原因是很难对生物量进行衡量。口腐菌生长动力学的研究是基于以葡萄糖、丙三醇为唯一碳源。微生物的生长动力学是生理学、遗传学、生态学、生物工艺学的必不可少的工具。生物转化模型在寻找最佳工艺条件、发展和工艺设计、控制、扩大规模、识别过程中重要物质的合成所需成本及节省成本仍有较大的空间。基于这样的目的，通常使用黑箱非细胞模型，它提供了简便性

6、的同时，也使这个过程更易理解。非细胞结构模型的动力学参数在该模型的发展中非常的灵敏，该参数的估计参考了分批发酵、补料分批发酵、连续发酵等实验的结果。然而，使用非结构化模型时，有两个主耍的缺点。首先，这项工作需耍识别大量的模型参数，但是这些参数的生理学意义并不完全清楚。其次，非结构模型不能真正的表达动态变化，因为很多变化是源于环境因素、实验条件、分批发酵的进行、实验的预估计和性能控制，而基于非结构模型的这些因素被限制了。本文，研究了变色栓菌以葡萄糖、果糖、蔗糖为碳源的摇瓶培养。数学模型建立在胞内酶（可能是转化酶）催化蔗糖水解和微生物利

7、用葡萄糖、果糖的生长上建立完成。通过单因素实验得到的实验结果来估计转化酶催化反应和生物量基于葡萄糖、果糖增长的动力学参数。数学模型得到了验证，同时动力学估计参数的灵敏性分析也得到了实现。据我们所知，这是第一次尝试模拟白腐菌以果糖和蔗糖为基质的生长过程。2•数学模型以葡萄糖（G）、果糖（F）、蔗糖（S）为唯一碳源，以基于深层培养的摇瓶培养对多色栓菌的生长量（X）进行了研究。当蔗糖作为碳源，模型的发展应用了由方程式（1）・（3）给出的反应方案。首先，在生物量的增长之后伴随着蔗糖被酶解为葡萄糖和果糖以及葡萄糖和果糖被菌体利用。Ghx+co

8、.■F邑X+CO2(3)为了简便，传化酶催化蔗糖降解被看做是一级酶促反应。在培养过程中，反应介质浓度保持恒定不变。将这些基本假设列入计算，变色栓菌以葡萄糖和果糖为基质生长、蔗糖被胞内转化酶水解共同构成了数学模型。Monod模型用来描述