第五章 微生物反应动力学

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1、第五章 微生物反应动力学 微生物反应动力学是研究各种环境因素与微 生物代谢活动之间相互作用随时间变化（即 生物反应速度）的规律。研究内容：微生物生长过程中的质量和能量 平衡；发酵过程中菌体生长速率、基质消耗 速率和产物生成速率的相互关系；环境因素 对三者的影响以及影响反应速度的条件。研究方法：用数学模型定量地描述发酵过程 中细胞生长规律、基质利用速率和产物生成 速度等因素的变化，达到对发酵过程有效的 控制，从而提高产品的产率及达到降低生产 成本的目的。X S（底物） X（菌体） P（产物）发酵研究的内容：发酵过程反应的描述菌种的来源找到一个好的菌种发酵过程的工艺控制最大限度发挥菌种的潜力 发酵

2、过程的反应描述及速度概念基质的消耗速度：发酵过程反应速度的描述基质的消耗比速：(g.L-1.s-1)(h-1、s-1)单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称 为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念X S（底物） X（菌体） P（产物）基质的消耗比速：(h-1)发酵过程反应速度的描述X S（底物） X（菌体） P（产物）指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。在比较 不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。菌体的生长比速：产物的形成比速：(h-1)(h-1)每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合 成产物的速度或能力，可以作为判断微生物合

3、成代 谢产物的效率。 每克菌体在一小时内的生长量，它表示细胞繁殖的 速度或能力。 得率(或产率，转化率，Y)：指被消耗的物质和所合 成产物之间的量的关系。包括生长得率(Yx/s)和产物 得率(Yp/s)。 生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源) 所产生的菌体重(g)，即Yx/s=X一S。提高微生物生长得率的措施： 1 要筛选优良的菌种，其本身就应具备高的生长得率。 2 要选择合适的培养基配方，提供略微过量的其它营养物质，使碳源成为最终的限制性物质。 3 还须选择和控制合适的培养条件，使得微生物的代谢按所需方向进行。 4 在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染。 第一节 发酵类型

4、发酵类型即动力学模型是为了描述菌体生 长、碳源利用与代谢产物形成速度变化， 以及他们相互之间的动力学关系。 发酵过程的动力学分型方法讨论的是产物 形成与底物利用的关系，即碳源利用与产 物形成速度的关系，它将微生物发酵过程 分成了三个类型。一、 第 I 型 又称生长相关型，这一型的特点是菌体生长、碳 源利用和产物形成几乎都在相同的时间出现高峰 ，表现出产物形成直接与碳源利用有关。分两种 情况，即菌体生长类型和代谢产物类型。 菌体生长类型指的是终产物就是菌体本身，菌体 增加与碳源利用平行，且两者有定量关系。如酵 母、蘑菇菌丝、苏云金杆菌等的培养。 代谢产物类型指的是产物的累积与菌体增长相平 行，并

5、与碳源的消耗有准量关系。如酒精、山犁 糖、葡萄糖酸等的发酵。二、第II型 也称与生长部分相关型，它的特点是在发酵的第 一时期菌体迅速增长，而产物的形成很少或全无 ；在第二时期，产物以高速形成，生长也可能出 现第二个高峰，碳源利用在这两个时期都很高。三、第III型 这一型的特点是产物形成一般在菌体生长接 近或达到最高生长时期，即稳定期，产物形 成与碳源利用无准量关系，产量远低于碳源 的消耗量。所以也称与生长不相关型。如抗 生素和维生素的发酵属于此类。第二节 分批培养动力学 分批培养:指的是一次投料，一次接种，一次收获 的间歇培养方式。这种培养方式发酵液中的细胞 浓度、基质浓度和产物浓度均随时间不

6、断变化。 对于细胞的浓度x的变化而言，在分批培养中要 经历延迟期、对数生长期、减速期、稳定期和衰 亡期各阶段。 在发酵工业生产中，使用的种子应处于对数生长 期，把它们接种到发酵罐新鲜培养基时，几乎不 出现调整期，这样可在短时间内获得大量生长旺 盛的菌体，有利于缩短生产周期。 在研究和生产中，时常需要延长细胞对数生长阶 段。分批培养条件下微生物的生长曲线(一) 延滞期 把微生物从一种培养基中转接到另一培养基的最 初一段时间里，尽管微生物细胞的重量有所增加 ，但细胞的数量没有增加。这段时间称之为延滞 期。 延滞期细胞特点：细胞面临着一系列的变化，如pH值的改变、 营养物质供给增加等。因而，延滞期的

7、微生物 主要是适应新的环境，让细胞内部对新环境作 出充分反应和调节，从而适应新的环境。从生理学的角度来说，延滞期是活跃地进行生 物合成的时期。微生物细胞将释放必需的辅助 因子，合成出适应新环境的酶系，为将来的增 殖作准备。(二)指数生长期 对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时 间内其细胞数目将成倍增加。 而对于丝状微生物而言，单位时间内其生物 量将加倍。 此时，如以细胞数目或生物量的对数对时间 作一半对数图，将得一直线，因而这一时期 称作指数生长期。 指数生长期细胞特点 细胞保持均恒生长。 不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质， 并不断向培养基中分泌代谢产物。 由于此时培养基中的营养成分

8、远远过量，且积累 的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖 ，因而微生物的生长速率不受这些因素的影响， 而仅与微生物本身的比生长速率及发酵液中的 生物量浓度X(g/L)相关。 对于单细胞的微生物来说，还可进一步简化为N培养基中的细胞密度。 对于特定的微生物而言，其比生长速率只与三个因 素有关。限制性营养物质的浓度S、最大比生长速率 m、底物相关常数Ks。 假定营养物质进入细胞后，立即被利用而不积累，则 存在以下关系式： Ks 底物相关常效，即为 1/2m时限制性营养物质的 浓度。 如果各种营养物质均大大过量的话，则=m， 这时便是指数生长期。也就是说，处于指数生 长期的微生物其生长繁殖不受营

9、养物质的限 制，因而具有最大比生长速率。如果发酵的目 的是为了获得微生物菌体的话，则应尽量设法 维持指数生长期。 (三)稳定期 在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断 被消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在 不断积累。受此影响，微生物的生长速率和比 生长速率就会逐渐下降，直至完全停止，这时 就进入稳定期。 处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变 ； 但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞 的组成物质还在不断变化。 此时，有的细胞开始老化、裂解，形成芽孢， 并向培养基中释放出新的碳水化合物和蛋白质 等，这些物质可以用来维持生存下来的细胞的 缓慢生长。 微生物的很多代谢产物，尤其是次级代谢

10、产物 ，是在进入稳定期后才大量合成和分泌的。(四)死亡期 在死亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗 殆尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细 胞开始死亡。 这时，以生存细胞的数目的对数对时间作半对 数图，可得一直线，这说明微生物细胞的死亡 呈指数比率增加。 在发酵工业生产中在进入死亡期之前应及时 将发酵液放罐处理。细胞生长动力学研究对象：细胞群体将细胞视为均衡生长，胞内成 分均以相同比例增加。不考虑细胞之间的差别，而取 其性质的平均。2、对数生长期定义：在营养物质充足、有害代谢产物很少的条件下，细胞 开始生长，且生长不受限制，细胞浓度随培养时间呈指数增 长的时期。比生长速率：细胞以自我复制的方

11、式繁殖，培养液中细胞浓度越大,其 增长速率也就越大，即细胞的生长速率与细胞浓度成正比 ：x细胞浓度，g/L微生物的基本生长动力学方程比生长速率为单位质量的细胞在单位时间 内的增量。注意：生长速率&比生长速率影响比生长速率的因素：1、营养物质：种类和浓度2、温度：温度对胞内各生理生化反应都有影响，比生长速 率与温度T的关系符合阿伦尼乌斯定律。3、pH值：pH可影响细胞的生理生化反应4、细胞种类对数生长动力学：对数生长期内的比生长速率：为常数，而且达到最大值，即=m对数生长期内，对 积分可得：或世代时间td：也称倍增时间（doubling time），是细胞浓度增长一倍 所需要的时间，也即细胞分裂

12、一次，繁殖一代所用的时间 。 t=0开始至t=td，即经过一个世代时间，细胞繁殖一代，细 胞浓度 x 由 x0 变为 2x0：世代数n代入得：3、减速期细胞大量繁殖，培养基中的营养物质迅速消耗，同时有害代 谢产物开始积累，细胞的生长速率逐渐下降，进入减速期。4、静止期比生长速率不再是最大常数，而是逐渐减小。营养物质耗尽或有害代谢产物的大量积累，使细胞比生长速 率下降至0，细胞浓度达到了最大值，并且不再增加。5、衰亡期细胞所生存的环境恶化，细胞开始死亡，活细胞数量不断 下降。二 细胞生长速率与底物浓度的关系1、莫诺方程当培养液中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的生长速 率是限制性底物浓度 s 的

13、函数：莫诺方程（Monod）：描述比生长速率与单一限制性底 物之间的关系。比生长速率，hr-1 Ks细胞对底物的半饱和常数，g/L s单一限制性底物的浓度，g/L莫诺方程的应用前提条件：细胞的生长为均衡生长，描述细胞生长的唯一变量是细 胞的浓度。培养基中只有一种底物是生长限制性因素。细胞的生长视为简单的单一反应。Ks：细胞比生长速率达到最大值一半时所需要的底物浓度sKs时，增加底物浓度可以 明显的提高细胞的比生长速率s Ks时，底物浓度对比生长 速率的影响不再明显。当接近饱和时（m），细 胞比生长速率与底物浓度无关细胞的生长速率rx：s Ks 时：rxmx2、莫诺方程的分析第三节 连续培养动力

14、学 连续培养或连续发酵是指在培养过程中，连续地 向发酵罐中加入培养基，同时以相同流速从发酵 罐中排出含有产品的培养基，这种操作方式称为 连续培养。 连续培养一般分两种方式：一种是罐式或搅拌发 酵罐，另一种是管式反应器。一、连续培养的优点 在分批培养中，微生物要经过延迟期、对数 生长期、减速期、稳定期和衰亡期五个时期 ，但对特定的发酵产物合成仅在一个时期， 其余时期都是多余的。 连续培养与分批培养相比有许多优点： 1 可以使发酵过程保持在一个期的稳定状态， 提高设备的利用率和单位时间产量。 2 发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制。 3 可以在不同发酵罐中控制不同的条件，易于 分期控制。 连续培养

15、从设备上分为罐式和管式；从控制方 法上分为恒成分培养和恒浓度培养；从使用的 菌种分为循环式和非循环式；还可分为单级和 多级连续培养方式。二、单级连续培养 进行连续培养时，要先做分批培养，在微 生物生长繁殖到合适的时期，才开始以恒 定的流量向发酵罐流加培养基，同时以相 同的流速排放培养液，使发酵罐内的培养 液体积保持恒定。 如果在发酵罐中进行搅拌，则培养液中各 处的组成相同，与流出液的组成也相同。 各种物质的物料平衡可按下式计算： 流入速率=流出速率+消耗速率+累积速率对连续培养系统进行物料衡算：对菌体细胞：积累的细胞=（进入流出）细胞+（生长死亡）细胞加入的新鲜培养液中不含细胞，x0=0； 比

16、死亡速率比细胞比生长速率小得多； 培养液体积V不变；稀释率D：培养液流率F与培养液体积V的比值，F/D，hr-1当反应器内混合充分，达到稳定状态时，培养液中的细胞、 底物、产物浓度不再变化：有：dx/dt=0，=D单级连续培养的重要特点： =D，表明在连续培养中，改 变操作特性参数D，就可以改变细胞的比生长速率。 底物消耗和产物合成的得率系数：对限制性底物和产物的物料衡算：复杂的生化反应可用简单的方程概括：碳源+氮源+氧细胞+产物+CO2+H2OC+ N+ O2 x + P + CO2+ H2O营养底物的流向方程：维持细胞生存生成代谢产物 用于细胞的生长繁殖营养底物用于合成细胞的得率系数Yx/s：表示每消耗单位质量的