第三章 微生物反应动力学

细胞生产量 细胞含碳量 YC YX 基质消耗量 基质含碳量
S
XC SC
• 式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式 （3-1）中的系数c实际就是Yc。
例4-4
• 乙醇为基质，好氧培养酵母，反应方程为
四、pH • 不同微生物有其最适生长的 pH 值范围。大 多数自然环境的 pH值为 5～ 9，许多微生物 的最适生长 pH 也在此范围内，只有少数种 类可生长在pH值低于2或高于10的环境中。 大多数酵母与霉菌在微酸性（ pH5 ～ 6 ）环 境中生长最好，而细菌、放线菌则在中性 或微碱性条件下生长最好。
例如：Staphylococcus aureus，前一个词是 属名，是拉丁语的名 词，是“葡萄球菌” 的意思。第二个词字 是种名，是拉丁语的 形容词，意思是“金 黄色”。所以学名是 “金黄色葡萄球菌”。
霉菌(mould, mold)是丝状真菌(filamentous fungi)的一个通俗名称，在自然界分布很广， 其生长所要求的相对温度比细菌低。真菌有核， 呈丝状，直径一般为3～10μm，多分枝，有或 无隔膜。 霉菌多为腐生菌，也 有少数寄生于动物或 植物体内。它们具有 广泛的降解和合成能 力，是发酵生产某些 重要物质的主力军。
CO 2 生成速率 RQ O 2 消耗速率
例4-2
• 乙醇为基质，好氧培养酵母，反应方程为
C2 H5OH aO2 bNH3 c(CH1.75 N0.15O0.5 ) dCO2 eH 2O
呼吸商RQ=0.6。求各系数a,b,c,d,e
如何求解线性方程组？
例4-3
• 葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行酵母厌氧 培养。培养中分析结果表明，消耗100mol 葡萄糖和12mol NH3生成了57mol细胞、 43mol甘油、130mol乙醇、154mol CO2和 3.6mol H2O，求出酵母的经验分子式。
生长因素（ growth factor ）：微生物维持 正常生活所不可缺少的，但其需要量又不 大。根据化学结构和代谢功能可将其分为 三类：即维生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。 工业生产中，常利用玉米浆等作生长因素 的供应量。
二、温度 • 是影响微生物生长和繁殖的最重要的因素 之一。在一定范围内，微生物的代谢活动 与生长繁殖随着温度的上升而增加，温度 上升到一定程度，开始对机体产生不利影 响，如温度继续提高，细胞功能急骤下降， 以至死亡。 • 各种生物有其最适生长温度、最高生长温 度与最低生长温度，并且，最适、最高和 最低温度回因环境条件变化而变化。
图3-1 微生物细胞生长繁殖的温度范围
三、溶解氧与氧化还原电位Eh • 氧是在溶解状态下被微生物利用的，可以培养基的氧化还原 电位 Eh 作为定量表示厌氧程度的方法。除与氧分压有关外， Eh 还受 pH 的影响。 pH 值低时，氧化还原电位高； pH 值高 时，氧化原电位低。当pH一定时，溶氧水溶液的 Eh与溶解 氧浓度（ D0）的对数成正比。所以，由所测得的 Eh可求得 所需的DO值。 • 好氧性微生物在 Eh 值为 +0.1 伏以上均可生长，以 Eh 等于 +0.3～+0.4伏时为适。厌氧微生物只能在 Eh值小于+0.1伏以 下生长。兼性厌氧微生物在+0.1伏以上或以下均能生长。 • 厌氧型：如产甲烷菌；好氧型：如霉菌；兼性厌氧型：如酵 母。
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90～120 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60～90 min，但典型的霉菌倍增时间为4～8 h。
第三章 微生物反应动力学
主要内容 1、基本概念 2、微生物反应的物量衡算 3、微生物反应的能量衡算 4、微生物反应动力学
3.1 基本概念
3.1.1微生物的分类与命名 微生物（Microorganism， microbe）是对那 些肉眼不能直接观察到、微小的、但能维持 生命并繁殖的生物的通称， 包括细菌、放线菌、变形菌、 真菌、藻类和原生动物等。
酵母菌(yeast) 是一个通 俗名称，是典型的真核 生物，多为单细胞，有 的也呈丝状。有的酵母 通过出芽进行无性繁殖， 也有的酵母进行分裂繁 殖。酵母既可进行好氧 呼吸，又能进行厌氧呼 吸。酵母菌在酒类酿造 中是不可缺少的。
病毒(virus)是存在于动物、植物、昆虫、真菌、藻类和细菌 细胞内的专性寄生物，是最小的微生物。病毒本身不具备或 具备最低的合成和代谢能力，只能在寄主细胞内生长繁殖， 常导致寄主细胞被破坏和死亡。寄生于细菌细胞内的病毒又 称为噬菌体。噬菌体是危害细菌发酵的重要根源。
• 需掌握： • 碳源、菌体、有机产物的近似分子式如何 表示？
对各元素做元素平衡，得到如下方程：
C :1 c d f H : m 3b xc ud 2e O : n 2a yc vd e 2 f N : b zc wd
(3Biblioteka Baidu2)
方程（3-1）中有a、b、c、d、e和f六个未知 数，需六个方程才能解。
• 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（assimilate or anabolism）为 细胞的组成成分，其余部分被异化（dissimilate or catabolism）分解为CO2和代谢产物。如果从碳 源到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率 Yc可由下式表示
不足： 1、副产物的产生不可避免。 2、影响微生物反应的因素多实际控制有难度； 3、原料是农副产品，受价格变动影响大； 4、产前准备工作量大，相对化学反应器而言， 反应器效率低。对于好氧反应，需氧，故增加 了生产成本，且氧的利用率不高； 5、废水有较高BOD值。
3.2 微生物反应过程的质量衡算
• 微生物反应过程用有正确系数的反应方程式 来表达基质到产物的反应过程非常困难。
烟草花叶病毒
噬菌体（DNA病毒）
3.1.2 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 化合物、脂肪、核酸、维生素和无机物等化 学物质。
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO2 H 2 O
• 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系是可行的
生成细胞的质量 X 消耗基质的质量 S
• 某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时 细胞得率）
YX
S
dX rX dX dt dS rS dS dt
• 式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消 耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的 Yx/s比厌氧培养的大的多 。
3.2.2 微生物反应过程的得率系数 • 得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的 潜力进行定量评价的重要参数。消耗1g基质生成 细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/s （Cell yield或Growth yield）。
Yx / s
• 细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是指 干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质量 均指干细胞）。 • S：substrate
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO2 H 2 O
CH mOn aO2 bNH3 cCH x Oy N z dCHu Ov N w eH 2O fCO2
• 式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz是细胞的元素组成， CHuOvNw为产物的元素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、 z分别代表与一碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数。
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。
3.1.3 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 10 ～ 20min 。然而，比较典型的世 代时间为 40 ～ 60 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）。
• 氮源主要是提供合成原生质和细胞其它结 构的原料，一般不提供能量。在微生物工 业中，硫氨、尿素、豆饼和玉米浆等是较 为常用的氮源。 • 无机元素的主要功能是：构成细胞的组成 成分；作为酶的组成成分；维持酶的作用； 调节细胞渗透压、氢离子浓度和氧化还原 电位等。需要量较大的无机元素是磷、硫、 镁、铁、钾、钙等，还需要几种微量的金 属元素，如锰，钴，铜，锌等。
分类：界（ Kingdom ）、门（ Phylum ）、 纲 （ Class ） 、 目 （ Order ） 、 科 （ Family ） 、 属 （ Genus ） 、 种 （Species）。 种 以 下 有 变 种 （ Variety ） 、 型 （Form）、品系（Strain）等。 命名：“双名法”。 属名：大写字母开头，是拉丁词的名词， 用以描述微生物的主要特征； 种名：小写字母打头，是一个拉丁词的 形容词，用以描述微生物的次要特征。
五、湿度 • 细菌要求水活度（湿料饱和蒸汽压/相同 温度下纯水饱和蒸汽压）在 0.90 ～ 0.99 之间；大多数酵母菌的为0.80～0.90； • 真菌及少数酵母菌要求在 0.60 ～ 0.70 。 因此，固态发酵常用真菌的原因就是其 对水活度要求低，可以排除其它杂菌的 污染。
3.1.5 微生物反应的特点 • 优点：微生物常能分泌或诱导分泌有用的 生物化学物质；容易筛选出分泌型突变株； 微生物的生长速率快；微生物的代谢产物 的产率较高等。 • 特点：微生物反应是生物化学反应，通常 是在常温、常压下进行；原料多为农产品， 来源丰富；易于生产复杂的高分子化合物 和光学活性物质；除产生产物外，菌体自 身也可是一种产物。如果其富含维生素或 蛋白质或酶等的有用产物时，可用于提取 这些物质；通过菌种改良，有可能使同一 生产设备的生产能力大大提高；微生物反 应是自催化（autocatalytic）反应。
例4-1
• 以葡萄糖为基质进行面包酵母(S. cerevisiae)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和d。
C6 H12O6 3O2 aNH3 bC6 H10 NO3 (面包酵母) cH2O dCO2
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好 氧培养中微生物生物代谢机能的重要指标之一 的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
病毒能在活细胞内繁殖， 但不能在一般培养基中 繁殖。病毒是通过复制 方式进行繁殖，即感染 细胞后“接管”寄主细 胞的生物合成机构，按 病毒的遗传特性，合成 病毒的核酸和蛋白质， 并且以指数方式进行复 制，幂大于2。
流行性感冒病毒
3.1.4 影响微生物反应的环境因素 一、营养物质 • 分为碳源、氮源、无机元素、微量营养素或 生长因素等。 • 碳源是指可构成微生物细胞和代谢产物中碳 架来源的营养物质。碳源的主要作用是构成 细胞物质和供给微生物生长发育所需的能量。 大多微生物以有机含碳化合物作为碳源和能 源，例如糖类、淀粉、油脂等。光能自养微 生物（ photoautotroph）是利用光为能源， 二氧化碳为主要碳源。