五章微生物生長動力學(xué)第1頁/共62頁第五章微生物生長動力學(xué)第2頁/共62頁第一節(jié)微生物生長的基本特征微生物一般包括細菌、酵母菌、霉菌、放線菌、立克次氏體、支原體和病毒等。微生物特有的現(xiàn)狀：（1）生長速度快（2）對物質(zhì)具有強烈的轉(zhuǎn)化作用（3）容易引起變異，致使種類繁多（4）生長繁殖形式具有一定特征第3頁/共62頁

微生物種類繁多，其形態(tài)構(gòu)造及功能有很大差異，但也有共同之處：1、以細胞為構(gòu)造單位，其數(shù)目隨時間的增加而增加（生長）2、構(gòu)成細胞的物質(zhì)大體相同3、細胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)（代謝）基本相同4、適應(yīng)能力較強，能隨環(huán)境變化而自行調(diào)節(jié)第4頁/共62頁微生物是反應(yīng)過程的生物催化劑，把原料轉(zhuǎn)為有用的產(chǎn)品；微生物又如同一個微小的容器，原料中的反應(yīng)物透過微生物細胞周圍的細胞壁和細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5頁/共62頁

在微生物細胞的生長過程中，細胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、活性都處在一動態(tài)過程中。從細胞組成分析，它含有蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、核酸等，這些細胞的基本組成部分含量的大小也隨環(huán)境的變化而變化。

第6頁/共62頁第二節(jié)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因素，從而獲得相關(guān)信息。

第7頁/共62頁一、生長現(xiàn)象與繁殖方式

根據(jù)微生物的個體形態(tài)、群體形態(tài)、生理特征、生化反應(yīng)等生物學(xué)特征，微生物可分為三大類：Ⅰ、非細胞型微生物（病毒）；Ⅱ、原核細胞型微生物，僅有原始細胞核，如細菌、放線菌等；Ⅲ、真核細胞型微生物，霉菌、酵母菌和單細胞藻類，原生動物。

第8頁/共62頁表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9頁/共62頁二、微生物生長的測定

微生物的生長和產(chǎn)物的生成有著密切的關(guān)系，因此生長的測定對發(fā)酵的控制很重要。微生物生長的測定，通常是測群體的重量或細胞數(shù)，而不是測細胞個體的重量或大小。生長測定常用理化方法，分為測定細胞數(shù)目和細胞重量兩類。第10頁/共62頁1、計數(shù)法濁度計比濁法測定稀的細胞懸液的透光量，間接測出細胞數(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，以及用細菌計數(shù)片直接測出細菌數(shù)的生長。第11頁/共62頁2、測定細胞重量

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

（離心壓縮細胞體積法）用刻度錐形管測量經(jīng)離心的細胞沉淀物的容積，由此間接表示細胞重量。細胞組成分析法測定一種大分子的細胞組成(如蛋白質(zhì)、RNA、DNA等)，間接算出細胞的重量。

第12頁/共62頁營養(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，由此間接表示生長的細胞重量。產(chǎn)物重量分析法測定培養(yǎng)中間形成的二氧化碳，氫，ATP

等產(chǎn)物，由此間接換算出生長的細胞重量。第13頁/共62頁三、微生物生長動力學(xué)微生物不能調(diào)節(jié)自身的溫度，每種微生物都有它的生長最適溫度，以及最適pH、無機鹽濃度和糖濃度等。第14頁/共62頁1、微生物生長曲線

細胞的生長過程可以用細胞濃度的變化來描述和表達。若取細胞濃度的對數(shù)值與細胞生長時間對應(yīng)作圖，可得到分批培養(yǎng)時的細胞濃度變化曲線。第15頁/共62頁

在培養(yǎng)成分一定時，微生物的生長一般分五個階段

遲緩期（適應(yīng)期）對數(shù)生長期減速期靜止期（平衡期）衰退期（死亡期）第16頁/共62頁（1）遲緩期延遲期系指培養(yǎng)基接種后，細胞濃度在一段時間內(nèi)無明顯增加的這一階段。它是細胞在環(huán)境改變后表現(xiàn)出來的一個適應(yīng)階段。如果新培養(yǎng)基中含有較豐富的某種營養(yǎng)物質(zhì)，而在老環(huán)境中則缺乏這種物質(zhì)，細胞在新環(huán)境中就必須合成有關(guān)的酶來利用該物質(zhì)，從而表現(xiàn)出延遲期。

第17頁/共62頁（2）對數(shù)生長期在此階段中，培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)較充分，細胞的生長不受限制，細胞濃度隨時間呈指數(shù)生長。由于在此階段，細胞分裂繁殖最為旺盛，生理活性最高。因此在工業(yè)微生物反應(yīng)中，常轉(zhuǎn)接處于指數(shù)生長期中期的細胞，以保證轉(zhuǎn)接后細胞能迅速生長，微生物反應(yīng)能快速進行。

第18頁/共62頁（3）減速期減速期的存在是由于當(dāng)細胞大量生長后，培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)大量消耗，加上有害代謝物質(zhì)的積累，細胞的生長速率開始減緩，從而進入減速期。

第19頁/共62頁（4）平衡期平衡期是由于營養(yǎng)物質(zhì)已耗盡或有害物質(zhì)的大量積累，使細胞濃度不再增加。平衡期內(nèi)的細胞濃度為最大濃度。

第20頁/共62頁（5）衰退期衰亡期是由于環(huán)境惡化，細胞開始死亡，活細胞濃度下降，細胞生長速率為負值。

第21頁/共62頁2、微生物生長動力學(xué)

微生物生長動力學(xué)可反映出細胞適應(yīng)環(huán)境變化的能力。這也是我們學(xué)習(xí)研究生長動力學(xué)的原因。

第22頁/共62頁(1)比生長速率微生物生長的特點表現(xiàn)為細胞數(shù)目或細胞物質(zhì)（量）增加一倍所需要的時間。如果細胞物質(zhì)或細胞數(shù)增長一倍的時間間隔是常數(shù)，則微生物是以指數(shù)速度增長，可用數(shù)學(xué)模型來描述。

：比生長速率

：比生長速率

X：細胞濃度(g/L)

N：每升細胞數(shù)第23頁/共62頁上式表明細胞物質(zhì)隨時間而增加或細胞數(shù)目隨時間增加而增加。大多數(shù)情況下生長是以物質(zhì)的增加來衡量的，因而符號μ

得到應(yīng)用。μX

為單位體積生長速率。

第24頁/共62頁

若μ為常數(shù)，則：此式可在△t=td時求得，td即在X2=2X1時所需時間，

于是td=ln2/μ=0.693/μ

對上式積分得：

第25頁/共62頁例5-1某微生物的μ＝0.125h-1

，求td。解：td=ln2/μ=0.693/0.125=5.544h

第26頁/共62頁在微生物培養(yǎng)過程中，菌體濃度的生長速率是菌體濃度、基質(zhì)濃度和抑制劑濃度的函數(shù)，即

dx/dt=f(X.S.I)以上兩式表明菌體濃度的增長速率與培養(yǎng)液中菌體濃度成正比。

第27頁/共62頁比生長速率的意義：

比生長速率就是菌體生長速率與培養(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，μ是一個常數(shù)，這時第28頁/共62頁

（2）無抑制的細胞生長動力學(xué)

——Monod方程

現(xiàn)代細胞生長動力學(xué)的奠基人Monod在1942年便指出，在培養(yǎng)基中無抑制劑存在的情況下，細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29頁/共62頁該方程中為比生長速率(s-1)；為最大比生長速率(s-1，

min-1，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30頁/共62頁Monod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設(shè)如下：①細胞的生長為均衡式生長，因此描述細胞生長的唯一變量是細胞的濃度；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胞的生長；③細胞的生長視為簡單的單一反應(yīng)，細胞得率為一常數(shù)。

第31頁/共62頁細胞的比生長速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系S第32頁/共62頁

當(dāng)限制性基質(zhì)濃度很低時，S<<

Ks，此時若提高限制性基質(zhì)濃度，可以明顯提高細胞的生長速率。此時有：細胞比生長速率與基質(zhì)濃度為一級動力學(xué)關(guān)系。

第33頁/共62頁

當(dāng)S>>Ks時，μ=μm，若繼續(xù)提高基質(zhì)濃度，細胞生長速率基本不變。此時細胞的比生長速率與基質(zhì)濃度無關(guān)，為零級動力學(xué)特點。

第34頁/共62頁將Monod方程式變?yōu)闉橹本€方程。不同的菌種，不同的培養(yǎng)基，Ks和是不同的。第35頁/共62頁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0.0070.35Ks和μm值隨菌種、限制性基質(zhì)種類的變化第36頁/共62頁μm值基本接近，是同一個數(shù)量級。Ks和μm值不僅隨菌種而異，對不同的限制性基質(zhì)也不同。

Ks的意義：

Ks越小，則S增加少許，μ增加很大，所以Ks越小，μ就越敏感。Ks可以表示菌體細胞與基質(zhì)親和力的關(guān)系。第37頁/共62頁

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)它在某些情況下與實驗結(jié)果不符，因此人們又提出了另外一些方程。

第38頁/共62頁（3）其他幾種生長速率方程式Tessier方程式（1942年）第39頁/共62頁當(dāng)S很低時，代入原式與Monod方程一樣。第40頁/共62頁Contois方程式（1959年）：單位菌體消耗的基質(zhì)量。

此公式對污水處理很重要。第41頁/共62頁Moser方程式（1958年）λ：經(jīng)驗常數(shù)當(dāng)λ＝1時，上式就是Monod方程

第42頁/共62頁單基質(zhì)限制的細胞生長動力學(xué)模型第43頁/共62頁3、營養(yǎng)物質(zhì)對生長的影響

所有營養(yǎng)物質(zhì)均存在一上限濃度，超過此限，反而會引起生長速率的下降。這種效應(yīng)稱為基質(zhì)抑制作用（高滲透壓作用）。另外，某些代謝產(chǎn)物也能抑制生長。其反應(yīng)方程式為：

Kp為經(jīng)驗常數(shù)

第44頁/共62頁

兩種或兩種以上的底物同時用于生長時，則可考慮用Monod式的形式表示各種底物與比生長速率的關(guān)系：第45頁/共62頁帶有兩個生長期兩種碳源（S1和S2）的二次生長S1S2X第46頁/共62頁4、環(huán)境對生長的影響

微生物的發(fā)育、生長及代謝等物理學(xué)性質(zhì)受到各種環(huán)境條件的促進或阻礙的影響很大?？梢哉f，培養(yǎng)工程的主要問題是控制環(huán)境因素，使所培養(yǎng)的微生物反應(yīng)成為最合適。第47頁/共62頁（1）溫度

為了定量表示微生物生長與溫度的關(guān)系，常用比生長速率μ與絕對溫度T倒數(shù)的關(guān)系來表示。

在某個T范圍內(nèi)，按照阿累尼烏斯（Arrhenius）方程式可得：Ea:生長活化能

R:氣體常數(shù)

T：絕對溫度A：Arrhenius常數(shù)圖中的直線部分是上式適用的范圍。從直線的斜率可求出－Ea。第48頁/共62頁生長溫度范圍有上限與下限，若偏離這個溫度范圍，生長速率就急劇降低。由于菌的種類不同，分別有發(fā)育的最低溫度、最適溫度、最高溫度。這三個溫度叫做生育的基本溫度。在高溫下生長急劇降低，這是由于蛋白質(zhì)及細胞構(gòu)造的熱變性所引起的。所謂最高生育溫度是指合成反應(yīng)戰(zhàn)勝由熱變性而破壞反應(yīng)的溫度。通常這個溫度只比最適溫度高幾度（3－5℃）。第49頁/共62頁按照發(fā)育最適溫度，微生物

大致可分為三群：

最低溫度最適溫度最高溫度

低溫菌0－10℃10－20℃25－30℃發(fā)光細菌中溫菌0－7℃20－40℃40－45℃霉菌、酵母、放線菌、一般細菌高溫菌25－45℃50－60℃70－80℃枯草菌、溫泉細菌等第50頁/共62頁（2）pH氫離子濃度（pH）對微生物生長產(chǎn)生非常強烈的影響。由于菌的種類不同，因而各有自己的生長最適pH值。

細菌的最適pH一般在中性或微堿性范圍（6.5~8.0），霉菌、酵母的最適pH為微堿性（4.0~6.0）。但是，乳酸菌、醋酸菌等產(chǎn)酸菌例外，他們對低pH有抗性。第51頁/共62頁

（3）氧及氧化還原電位

氧以溶解于水的狀態(tài)（溶解氧dissolvedoxygen，簡稱：DO）被微生物利用。微生物的生長隨溶解氧濃度的變化而變化。DO水平低到用氧電極難以檢定的程度時，以培養(yǎng)基的氧化還原電位Eh來代替DO。因為在一定的pH下，溶解氧水溶液的Eh與DO的對數(shù)成比例。對于厭氧菌，用Eh表示氧的動態(tài)，更為正確。第52頁/共62頁（4）濕度

液體培養(yǎng)時，由于周圍全部是水，濕度不成問題。但是，在所謂固體培養(yǎng)的情況下，固體是否具有微生物可能利用的水分就成為問題。平衡相對濕度（ERH）可用以表示固體所具有的水蒸汽壓，并作為衡量水分可能利用程度的標(biāo)準(zhǔn)。第53頁/共62頁（5）滲透壓

微生物一般在高滲透壓下難以生長。但是，嗜高滲菌、嗜鹽菌和嗜糖菌例外，在30％以上濃度的食鹽中仍有生長的霉菌存在，在70％濃度的蔗糖中也有生長的酵母生存。

第54頁/共62頁（6）壓力

一般微生物甚至可在幾十個大氣壓的水壓下也不受影響，對于通常的微生物反應(yīng)過程，壓力的影響可以不考慮。

第55頁/共62頁（7）光線

紅色或綠色細菌及綠藻類的生長需要光，而一般的微生物在明亮處的生長不如暗處好，日光甚至是有害的。

第56頁/共62頁（8）環(huán)境因子對微生物反應(yīng)的影響

環(huán)境因子對微生物反應(yīng)系統(tǒng)的影響除上述各因子對微生物的發(fā)育、生長和繁殖的影響外，還必須考慮它對產(chǎn)物生成速度的影響。對微生物生長最合適的環(huán)境條件未必是微生物反應(yīng)的最適條件。分批培養(yǎng)時，生長的好壞大致以最終的菌體濃度來判斷。而得到最大菌體濃度的培養(yǎng)條件不一定能得到最高產(chǎn)量的目的代謝產(chǎn)物；溫度對生長與代謝產(chǎn)物生成的影響也不一定是并行的；生長的最適pH與代