第一章 第三节 生物反应器的生物学基础-理化条件对微生物生长的影响

在发酵工业中表面活性剂作为消泡剂应用（现采用 聚醚类代替植物油），防止发酵罐因泡沫多而跑液。 表面活性剂可以改变细胞膜的通透性，使细胞内合 成的代谢产物能够顺利排出胞外。

降低了发酵产物在胞内的浓度，减小产物抑制； 有利于提高发酵产物的产量和简化产物的分离提取。

表面活性剂常用于与微生物细胞膜结合的酶的提取
微生物生长温度类型
根据微生物的最适生长温度的不同，可将微生物划为三个类型：
低温型微生物（嗜冷微生物）：＜20 ℃ （一般为15 ℃ ）。
中温型微生物（嗜温微生物）：20～45 ℃ ，
室温菌约25 ℃ ， 体温菌约37 ℃ 。 高温型微生物（嗜热微生物）：＞45 ℃ ， 一般50～60 ℃ 。
高温与低温对微生物的影响 1、高温对微生物的影响
第一章 生物反应器设计基础
3. 物理化学因素对微生物生长的影响
1. 温度 2. pH 3. 溶氧浓度
4. 渗透压
5. 表面张力 6. 剪切力
物理化学因素对微生物生长的影响
温度
温度是影响微生物生长的最重要环境因素之一。 温度对微生物生长影响两种可能机制： 影响酶活性
温度变化影响酶促反应速率，最终影响细胞合成代谢。

生物反应器器的培养液渗透压控制
表面张力
液体表面尽可能缩小表面积的力称为表面张力。
要求出表面张力的大小可在液体表面上画出一个任意的面积
元。设此面积元每个边长都是l，表面其他部分垂直作用在每 一边上的张力为F，于是表面张力σ为：
σ =F/l0
表面张力
一些无机盐可增强溶液的表面张力 有机酸、蛋白质、肥皂、多肽和醇等能降低溶液的表面
微生物的生命活动对环境pH值的影响
微生物在生长过程中也会使外界环境的pH值发生改变，原因： 由于有机物分解：
分解糖类、脂肪等，产生酸性物质，使培养液pH值下降； 分解蛋白质、尿素等，产生碱性物质，使培养液pH值上升
由于无机盐选择性吸收：
铵盐吸收 硝酸盐吸收 pH下降 pH上加
生物反应器的pH控制 培养过程中调节pH值的措施
渗透压对微生物的影响
细胞内溶质浓度与胞外溶液的溶质浓度相等时，为等渗 溶液,溶液的溶质浓度高于胞内溶质浓度为高渗溶液,溶 液的溶质浓度低于胞内溶质浓度为低渗溶液。
在等渗溶液中,微生物的活动保持正常,细胞外形不变。 在高渗溶液中,细胞易失水,脱水后发生质壁分离,生长受抑制 或死亡。 在低渗溶液中,细胞吸水膨胀,甚至导致细胞破裂死亡。
微生物 生长最适、pH合成抗生素最适pH 灰色链霉菌 6.3~6.9 6.7~7.3 红霉素链霉菌 6.6~7.0 6.8~7.3 产黄青霉 6.5~7.2 6.2~6.8 金霉素链霉菌 6.1~6.6 5.9~6.3 龟裂链霉菌 6.0~6.6 5.8~6.1 灰黄青霉 6.4~7.0 6.2~6.5

不同微生物对pH要求不同
微生物的生长pH值范围极广，从pH2-8之间都有
微生物能生长。但是绝大多数种类都生活在 pH5.0-9.0之间。
微生物生长的pH值三基点： 各种微生物都有其生长的最低、最适和最高pH值。低于 最低、或超过最高生长pH值时，微生物生长受抑制或导 致死亡。
一些微生物生长的pH值范围
微生物种类 黑根霉 枯草芽孢杆菌 金黄色葡萄球菌 黑曲霉 一般放线菌 一般酵母菌 最低pH 4.3 4.5 4.2 1.5 5.0 3.0 最适pH 6.0—8.0 6.0—7.5 7.0—7.5 5.0—6.0 7.0—8.0 5.0—6.0 最高pH 9.5 8.5 9.3 9.0 10 8.0
µ是流体的动力粘度系数，ρ是流体密度，g是重
力加速度，������������ 为反应器界面气体速率。
生物反应过程剪切力的控制

选择反应器类型
机械搅拌反应器>气升反应器
选择搅拌器类型
涡轮状叶轮>平叶轮>螺旋状叶轮
控制搅拌强度和通气强度
生长的最适pH值与发酵的最适pH值
同一种微生物在其不同的生长阶段和不同的生理生化 过程中，对pH值的要求也不同。 在发酵工业中，控制pH值尤其重要。
举例： Aspergillus niger在pH2~2.5范围时有利于合成柠檬酸，当 在pH2.5~6.5范围内时以菌体生长为主，而在pH7.0时，则以合成 草酸为主。 丙酮丁醇梭菌在pH5.5~7.0范围时，以菌体生长为主，而在 pH4.3~5.3范围内才进行丙酮丁醇发酵。
µ=
τ γ
������������ ������������
前切速率
动力粘度系数
剪切作用的影响
负面影响 损伤细胞
正面影响 质量传递 热量转递 积极影响 促进细胞生长 促进产物生成
剪切作用的影响
1．剪切力对微生物的影响
球状<杆菌<丝状 2．剪切力对动物细胞的影响
较大、无细胞壁—敏感
3．剪切作用对植物细胞的影响 较大、有细胞壁—较敏感
4．剪切对酶反应的影响
一般认为酶活力随剪切强度和时间的增加而减小
剪切力的估算方程
罐状机械搅拌生物反应器 γ = ������������ 层流-牛顿流体
γ = ������������ 紊流-牛顿流体
N为搅拌桨转速 q m 搅拌器常数
物理化学因素对微生物生长的影响
温度影响微生物生长速率的阿伦尼乌斯方程 ������������ = ������ µ − ������������ ������������ ������������ = ������ ������������ −������������ /(������������) − ������′ ������ −������������ /(������������) ������������

渗透压与溶质的种类及浓度有关:
1886年荷兰化学家范托夫（van't Hoff）从理论上推导出难挥发非电解质稀溶液的渗透 压力与溶液浓度和热力学温度的关系为： π = ������������������������ 上式称为范托夫公式，也叫渗透压公式。 i为范托夫常数，是1mol/L溶质溶解产生的离子或分子摩尔浓度值。 c为摩尔浓度，单位：mol/L，也可以算作C=n/V（物质的量(mol)/体积(L)）。 R为理想气体常数，当π的单位为Pa，V的单位为升（L）时，R值为8.314J· K-1· mol-1 。 T为热量，单位：K（开尔文），与摄氏度的换算关系是 T(K) = 273+T(C)，例：25摄 氏度=298开尔文。 范托夫公式表示，在一定温度下，溶液的渗透压与单位体积溶液中所含不能通过半透 膜的溶质的粒子数（分子数或离子数）成正比，而与溶质的本性无关。
张力。 能显著改变液体表面张力的物质为表面活性剂，分为阳 离子型、阴离子型和非离子型三类。表面活性剂加入培 养基中，可影响微生物细胞的生长和分裂。 液体培养基的表面张力与微生物的形态、生长、繁殖密 切相关。 表面活性剂加入培养基中，可影响微生物细胞的生长和 分裂。
表面活性剂的在生物工程中应用:
。
前切力（shear stress）
前切力（shear stress）
培养液液体相对流速不同而产生的液体间相互前切的力, 用希腊字母τ代表。
F=
γ=
������������ µ������ ������������
������ ������������ τ= =µ = µγ ������ ������������
高温下蛋白质不可逆变性，膜受热出现小孔，破坏细胞结 构（溶菌）。
Hale Waihona Puke Baidu
2、低温对微生物的影响
当环境温度低于微生物的最低生长温度时，微生物的生长 繁殖停止，当微生物的原生质结构并未破坏时，不会很快 造成死亡并能在较长时间内保持活力，当温度提高时，可 以恢复正常的生命活动。
物理化学因素对微生物生长的影响
温度影响化学反应速率的阿伦尼乌斯方程 化学反应速率k k = A������ −������������ /(������������) 比生长速率µ
过酸时：加入碱或适量氮源，提高通气量。 过碱时：加入酸或适量碳源，降低通气量。
配制培养基时调整pH值的措施
采用缓冲溶液
氧气浓度和氧化还原电位
微生物对氧的需要和耐受力在不同的类群中变化很大 ，根据微生物与氧的关系,可把它们分为几种类群:
专性好氧菌: 好氧菌 微好氧菌： 兼性厌氧菌
耐氧厌氧菌：
厌氧菌 (专性)厌氧菌
µ = ������������ −������������ /(������������)
微生物衰减系数������������ ������������ = ������′ ������ −������������ /(������������)
其中������和 ������′ 是经验常数， ������������ 是细胞合成代谢活化能，������������ 是死亡的 活化能，������是理想气体常数，������是凯氏温度。
氧浓度对不同微生物生长的影响
生物反应器的溶氧浓度控制
渗透压
水或其他溶剂经过半透性膜而进行的扩散称为渗 透，在渗透时溶剂通过半透性膜时的压力称为渗透压 ，其大小与溶液的浓度成正比。
渗透压与溶质的种类及浓度有关:
溶质浓度高,渗透压大； 不同种类的溶质形成的渗透压大小不同,小分子溶 液比大分子溶液渗透压大； 离子溶液比分子溶液渗透压大； 相同含量的盐、糖、蛋白质所形成的溶液渗透压 为 盐>糖>蛋白质。
3 2
鼓泡柱式反应器
剪切力的估算方程
罐状机械搅拌生物反应器
γ = ������������ 层流-牛顿流体
γ = ������������ 紊流-牛顿流体
N为搅拌桨转速 q m 搅拌器常数
3 2
剪切力的估算方程
鼓泡柱式生物反应器
ρg������������ ε
1 2
γ=
µ
牛顿流体
影响细胞膜的流动性 温度变化影响细胞膜的流动性，影响物质的跨膜运输，
物理化学因素对微生物生长的影响
温度
每种微生物都有自己的生长温度三基点，即最低、 最适、最高生长温度。
处于最适生长温度时，生长速度最快，代 时最短。 超过最低生长温度时，微生物不生长，温 度过低，甚至会死亡。 超过最高生长温度时，微生物不生长，温 度过高，甚至会死亡。
阿伦尼乌斯方程 ������������ = ������ ������������ −������������ /(������������) − ������′ ������ −������������/(������������) ������������
其中������和 ������′ 是经验常数， ������������ 是细胞合成代 谢活化能，������������ 是死亡的活化能，������ 是理想气 体常数，������是凯氏温度。
其中������和 ������′ 是经验正常数， ������������ 是细胞合成代谢活化能，������������ 是死亡 的活化能，������是理想气体常数，������是凯氏温度。
物理化学因素对微生物生长的影响
生物反应器温度的温度控制
物理化学因素对微生物生长的影响
温度影响微生物生长速率
������������ 40-80kJ/mol ������������ 250-350kJ/mol
环境pH值对微生物生长的影响
改变酶活、酶促反应的速率及代谢途径：如： 酵母菌在pH4.5-5产乙醇，在 pH6.5以上产甘油 、酸。 影响膜表面电荷的性质及膜的通透性，进而影 响对物质的吸收能力。 环境pH值还影响培养基中营养物质的离子化程 度，从而影响营养物质吸收，或有毒物质的毒性 。