微生物反应动力学课件

1、微生物反应动力学主讲：罗剑飞 学时：8微生物反应动力学概论细胞反应过程计量学分批培养动力学 1. 细胞生长动力学 2. 基质消耗动力学 3. 产物生成动力学连续培养动力学1、概论1.1 微生物的分类 微生物（Microorganism）是对所有形体微小的单细胞，或细胞结构较为简单的多细胞，或没有细胞结构的低等生物的通称。不具细胞结构：病毒、类病毒、朊病毒原核微生物：细菌、放线菌、立克次氏体、支原体、衣原体、蓝细菌等；真核微生物：酵母菌、霉菌、担子菌、藻类等.Eubacteria （真细菌界）Archaebacteria （古细菌界） Eukarya （真核生物界）Carl Woese利用 rR

2、NA建立分子进化树分类单元及其等级界 （Kingdom）门 （Phylum）纲（Class）目（Order）科（Family）属（Genus）种（Species）根据Carl Woese的理论，现在还在界之上使用域(domain) 域 （Domain）把全部生物先分为古生菌域、细菌域和真核生物域；只有真核生物域下再分为原生生物界、真菌界、动物界和植物界。1.2 微生物的化学组成 微生物菌体的80%左右是水分。 湿菌体（wet cell mass）所含水分是指菌体在100前后干燥直到恒重时减少的量。除去水分的菌体称为干菌体（dry cell mass）。 微生物菌体中除水分外，其余为蛋白质、碳水

3、化合物、脂肪、核酸、维生素和无机物等化学物质。 细胞中某些元素（除碳、氧、氮和氢外）的含量，一般以磷、钾为多，其次是钙、镁、硫、钠、氯、铁、锌、硅等。另外，还含有微量的铝、铜、锰、钴等。 1.3 微生物的生长特性 由于微生物种类各异，不同微生物的生长特性亦有很大差别。 细菌以分裂方式进行的繁殖。在适宜的生长条件下，某些细菌的世代时间可达1020min。然而，比较典型的世代时间为4060 min。当细菌分裂为二分裂时，世代时间等于倍增时间（菌体量增加一倍所需时间）。 酵母菌的生长方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂（如同菌丝生长）三种。在最适条件下，酵母在45 min内就可以分裂，比较典型的分裂时间为90

4、120 min。 霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从菌丝体（顶端生长）的顶端细胞间形成隔膜进行生长，一旦形成一个细胞，它就保持其完整性。霉菌的倍增时间可短至6090 min，但典型的霉菌倍增时间为48 h。微生物的特点： 个体小，比表面积大 吸收多，转化快 生长旺，繁殖快 适应强，变异快 分布广，种类多1.4 微生物与发酵工业发酵过程 利用微生物作为动力，生产某种特定产物的生物化学过程。发酵产品 酿造食品，酒精饮料，有机酸，核苷酸，氨基酸类物质，酶制剂，抗生素，有机溶剂其它化工产品，营养和生长必需物质，生物制药。 1.5 微生物反应的主要特征反应主体是活的细胞，能调节自己以适应环境变化（有氧和

5、无氧）细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系细胞反应与酶催化反应有明显的不同，细胞反应可再生，细胞不同生长阶段有不同的催化活性，等 对细胞反应过程的量化分析，必须解决反应过程中涉及的各种物料和能量的数量比例关系及反应过程速率问题，前一个涉及的是反应计量学，后一个则是反应过程动力学。1.6 微生物反应动力学研究目的 微生物工程的基本任务是高效地利用微生物所具有的内在生产力，以较低的能耗和物耗最大限度地生产生物产品，因此必须对微生物反应的整个过程实现有效的控制。微生物动力学为这一目的提供了部分理论依据。1.7 微生物反应动力学研究内容 微生物反应动力学是研究生物反应速度的规律，即细胞生长速率、基

6、质利用速率和产物生成速率的变化规律。基质（碳源）细胞产物1.8 微生物反应动力学研究方法 用数学模型定量地描述生物反应过程中细胞生长速率、基质利用速率和产物生成速率等因素变化，达到对反应过程有效控制。微生物反应动力学概论细胞反应过程计量学分批培养动力学 1. 细胞生长动力学 2. 基质消耗动力学 3. 产物生成动力学连续培养动力学2、细胞反应过程计量学 反应计量学是对反应物的组成和反应转化速度的数量化研究，它与反应热力学和动力学一起构成反应工程学的理论基础。 根据反应计量学，可知反应过程中各反应组分组成的变化规律以及各反应之间的数量关系。2.1 研究计量学的目的及计量学特点 碳源 能源、细胞材

7、料 中间产物 丙酮酸 构成细胞材料 氨基酸、核苷酸等 细胞ADP ATPATP ADPATP ADP 代谢产物 乙醇、CO2最低培养基时微生物对碳源的利用异化（H）H2O 厌氧好氧 细胞材料 氨基酸等 中间产物 丙酮酸 细胞 ATP ADP 代谢产物 乙醇、CO2完全培养基时微生物对碳源的利用 碳源 能源ATP ADP异化异化C2O计量的不确定性反应物 生成物(碳、氮、磷、 (生物量、产物、硫等营养源及前体) 副产物、能量)反应主体是活的生命，能调节自己以适应环境变化（有氧和无氧）代谢网络中包含上千个反应，机理复杂，常采用经验模型速率间不象酶反应存在简单关系，因此须研究反应计量学。（常用速率：

8、细胞生长、底物（氧消耗、产物（CO2）生成反应物的不确定性、细胞的不确定性、生成物的不确定性.2.2 细胞生长的测定和计量微生物生长的测定，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。 细胞生长的方法，可测定细胞数、细胞重量、细胞内含物等。 2.2.1 直接计数法培养计数法：在合适的培养基上用Petri dishes培养，数菌落数。时间要20 30 小时，计数为活细胞。CFU (Colony forming unit)膜过滤培养法 当样品中菌数很低时，可以将一定体积的湖水、海水或饮用水等样品通过膜过滤器，然后将将膜转到相应的培养基上进行培养，对形成的菌落进行统计。2.2.1 直接

9、计数法显微计数法：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。 2.2.1 直接计数法细胞干重：(g/L)，DCW(Dry cell weight)，离心 烘干 恒重；80，24小时；110，8小时。2.2.1 直接计数法浊度法：常用波长 500 700nm，线性区为0.31 吸光率单位。 例如：某细菌悬浮液在520nm测得光密度和干菌重的关系为：1.75OD相当于1mg/mL菌量。2.2.2 间接方法细胞堆积容积测量法：用锥形刻度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的生长 细胞组成分析法：测定一种大分子的细胞组成(蛋白质、RNA

10、、DNA等)，间接地算出细胞重量的生长qPCR荧光原位杂交法FISH： 2.3 细胞反应的计量式和元素平衡System:Fixed Amount of Cell MaterialSubstratesProductsCells维持生成产物x1-xx变化则计量系数改变，在发酵过程更常用得率概念。微生物反应过程中的质量衡算:碳源氮源氧菌体有机产物CO2H2O 为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间的数量关系，最常用 的方法是对各元素进行原子衡算。如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为CHxOyNz，忽略其他微量元素P, S和灰分等，此时用碳的定量关系式表示微生物反应的计量关

11、系是可行的。 基于元素平衡分析速率间关系C: 1=c+d+fH: m+3b=c+xd+2eO: n+2a=c+yd+e+2fN: b=c+zd6个待定计量系数，4个方程，自由度为2，已知2计量系数即可求出其它系数。若无产物，则由两个速率即可确定其它速率，但不是任意的两个速率（可观测性）。由c可确定a和f的值从而可得出呼吸熵与细胞得率的关系，对发酵过程状态检测很有意义。碳源氮源氧菌体有机产物CO2H2O菌体的元素分析 - 酵母干物质中的元素百分组成C3.92H6O2.03N0.61 近似为 C4H6O2N0.6微生物细胞的元素组成可通过元素分析方法测定例：葡萄糖为基质进行面包酵母(S.cerev

12、isiae)培养，培养的反应式可用下式表达，求计量关系中的系数a,b,c,d.2.4 细胞反应过程中的得率系数 细胞反应过程中两种速率之比，得率系数可用于对细胞反应过程中碳源等物质生成细胞或其它产物的潜力进行定量评价，最常用的得率系数有对底物的细胞得率Yx/s，对碳的细胞得率Yc，对氧的细胞得率系数Yx/O等。对底物的细胞得率Yx/s 消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长得率 (cell yield或 growth yield)。 同一菌种，同一培养基，好氧培养的Yx/s比厌氧培养的大得多。另外同一菌株在基本、合成和复合培养基中培养所得Yx/s大小顺序为复合培养基合成培养基基本培养基。 对碳的细胞得率YC 当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一部分被同化 为细胞的组成成分，其余部分被异化分解为CO2和代谢产物。 理论得率：仅考虑细胞生长所消耗的基质例：葡萄糖为碳源，NH3为氮源