第五章微生物生长动力学

第五章微生物生长动力学

第一节微生物生长的基本特征 微生物一般包括细菌、酵母菌、霉菌、放线菌、立克次氏体、支原体和病毒等。微生物特有的现状：（1）生长速度快（2）对物质具有强烈的转化作用（3）容易引起变异，致使种类繁多（4）生长繁殖形式具有一定特征

微生物 种类繁多，其形态构造及功能有很大差异，但也有共同之处： 1、以细胞为构造单位，其数目随时间的增加而增加（生长） 2、构成细胞的物质大体相同 3、细胞内的化学反应（代谢）基本相同 4、适应能力较强，能随环境变化而自行调节

微生物是反应过程的生物催化剂，把原料转为有用的产品 ； • 微生物又如同一个微小的容器，原料中的反应物透过微生物细胞周围的细胞壁和细胞膜进入微生物体内，把反应物转化为产物，接着这些产物又被释放出来。

在微生物细胞的生长过程中，细胞的形态、结构、活性都处在一动态过程中。在微生物细胞的生长过程中，细胞的形态、结构、活性都处在一动态过程中。从细胞组成分析，它含有蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸等，这些细胞的基本组成部分含量的大小也随环境的变化而变化。

第二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。

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表1 微生物的生长现象与繁殖方式放线菌----无性孢子

二、微生物生长的测定 • 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。

在培养成分一定时，微生物的生长一般分五个阶段在培养成分一定时，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。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。

对上式积分得： 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

例5-1 某微生物的μ＝0.125 h-1，求td。 解： td=ln2/μ= 0.693/0.125=5.544 h

在微生物培养过程中，菌体浓度的生长速率是菌体浓度、基质浓度和抑制剂浓度的函数，即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最大比生长速率一半时的限制性基质浓度。

Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下： ① 细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的唯一变量是细胞的浓度； ②培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其它组分为过量不影响细胞的生长； ③ 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。

细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系 S

当限制性基质浓度很低时，S <<Ks，此时若提高限制性基质浓度，可以明显提高细胞的生长速率。此时有：细胞比生长速率与基质浓度为一级动力学关系。

当S >> Ks时，μ=μm，若继续提高基质浓度，细胞生长速率基本不变。此时细胞的比生长速率与基质浓度无关，为零级动力学特点。

将Monod方程式变为 为直线方程。不同的菌种，不同的培养基，Ks和是不同的。

微生物 限制生长基质 Ks μm（hr）大肠杆菌葡萄糖 0.22 / 大肠杆菌乳糖 0.58 / 啤酒酵母乳糖 2.6~3.0 0.18 啤酒酵母葡萄糖 0.56 / 纤维素分解菌葡萄糖 0.86 0.125 固氮菌葡萄糖 0.16~0.33 0.13 青霉菌氧气 0.007 0.35 Ks和μm值随菌种、限制性基质种类的变化

μm值基本接近，是同一个数量级。Ks和μm值不仅随菌种而异，对不同的限制性基质也不同。μm值基本接近，是同一个数量级。Ks和μm值不仅随菌种而异，对不同的限制性基质也不同。 Ks的意义： Ks越小，则S增加少许， μ增加很大，所以Ks越小，μ就越敏感。Ks可以表示菌体细胞与基质亲和力的关系。

Monod方程虽然表述简单，但它不足以完整地说明复杂的生化反应过程，并且已发现它在某些情况下与实验结果不符，因此人们又提出了另外一些方程。Monod方程虽然表述简单，但它不足以完整地说明复杂的生化反应过程，并且已发现它在某些情况下与实验结果不符，因此人们又提出了另外一些方程。

（3）其他几种生长速率方程式 • Tessier方程式（1942年）

当S很低时， 代入原式与Monod方程一样。

Contois方程式（1959年） ：单位菌体消耗的基质量。此公式对污水处理很重要。

Moser方程式（1958年） λ：经验常数当λ＝1时，上式就是Monod方程

单基质限制的细胞生长动力学模型

3、营养物质对生长的影响 所有营养物质均存在一上限浓度，超过此限，反而会引起生长速率的下降。这种效应称为基质抑制作用（高渗透压作用）。另外，某些代谢产物也能抑制生长。其反应方程式为： Kp为经验常数

两种或两种以上的底物同时用于生长时，则可考虑用Monod式的形式表示各种底物与比生长速率的关系：两种或两种以上的底物同时用于生长时，则可考虑用Monod式的形式表示各种底物与比生长速率的关系：

X 带有两个生长期两种碳源（S1和S2）的二次生长 S1 S2

4、环境对生长的影响 微生物的发育、生长及代谢等物理学性质受到各种环境条件的促进或阻碍的影响很大。可以说，培养工程的主要问题是控制环境因素，使所培养的微生物反应成为最合适。

（1）温度 • 为了定量表示微生物生长与温度的关系，常用比生长速率μ与绝对温度T倒数的关系来表示。在某个T范围内，按照阿累尼乌斯（Arrhenius）方程式可得： Ea:生长活化能R:气体常数T：绝对温度 A：Arrhenius常数图中的直线部分是上式适用的范围。从直线的斜率可求出－Ea。

生长温度范围有上限与下限，若偏离这个温度范围，生长速率就急剧降低。由于菌的种类不同，分别有发育的最低温度、最适温度、最高温度。这三个温度叫做生育的基本温度。在高温下生长急剧降低，这是由于蛋白质及细胞构造的热变性所引起的。所谓最高生育温度是指合成反应战胜由热变性而破坏反应的温度。通常这个温度只比最适温度高几度（3－5℃）。生长温度范围有上限与下限，若偏离这个温度范围，生长速率就急剧降低。由于菌的种类不同，分别有发育的最低温度、最适温度、最高温度。这三个温度叫做生育的基本温度。在高温下生长急剧降低，这是由于蛋白质及细胞构造的热变性所引起的。所谓最高生育温度是指合成反应战胜由热变性而破坏反应的温度。通常这个温度只比最适温度高几度（3－5℃）。

最低温度 最适温度最高温度低温菌 0－10℃ 10－20℃ 25－30℃ 发光细菌中温菌 0－7℃ 20－40℃ 40－45℃ 霉菌、酵母、放线菌、一般细菌高温菌 25－45℃ 50－60℃ 70－80℃ 枯草菌、温泉细菌等按照发育最适温度，微生物大致可分为三群：

（2）pH • 氢离子浓度（pH）对微生物生长产生非常强烈的影响。由于菌的种类不同，因而各有自己的生长最适pH值。 • 细菌的最适pH一般在中性或微碱性范围（6.5~8.0），霉菌、酵母的最适pH为微碱性（4.0~6.0）。但是，乳酸菌、醋酸菌等产酸菌例外，他们对低pH有抗性。

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