第三章 微生物反应动力学

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3.1.1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。3.1基本概念分类：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。例如：Staphylococcusaureus，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(filamentousfungi)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。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。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（wetcellmass）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（drycellmass）。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。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40～60min。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45min内就可以分裂，比较典型的分裂时间为90～120min。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60～90min，但典型的霉菌倍增时间为4～8h。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。•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。生长因素（growthfactor）：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。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。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。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。•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。•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。3.2微生物反应过程的质量衡算OHCO22有机产物菌体氧氮源碳源•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•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。2232fCOOeHNOdCHNOcCHbNHaOOCHwvuzyxnmOHCO22有机产物菌体氧氮源碳源•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：wdzcbNfevdycanOeudxcbmHfdcC:22:23:1:(3-2)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。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。6126236103223()CHOOaNHbCHNOcHOdCO面包酵母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(respiratoryquotient)，其定义式为：消耗速率生成速率22OCORQ例4-2•乙醇为基质，好氧培养酵母，反应方程为25231.750.150.522()CHOHaObNHcCHNOdCOeHO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12molNH3生成了57mol细胞、43mol甘油、130mol乙醇、154molCO2和3.6molH2O，求出酵母的经验分子式。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（Cellyield或Growthyield）。•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：substrateSXYsx消耗基质的质量生成细胞的质量/•某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时细胞得率）•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。dtdSdtdXrrdSdXYSXSX•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（assimilateoranabolism）为细胞的组成成分，其余部分被异化（dissimilateorcatabolism）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•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。CCSXCSXYY基质含碳量基质消耗量细胞含碳量细胞生产量例4-4•乙醇为基质，好氧培养酵母，反应方程为25231.750.150.5222.3940.0850.564()1.4362.634CHOHONHCHNOCOHO求酵母细胞的YX/S和YX/O如何求解线性方程组？1.750.150.5CHNO•微生物反应的特点之一是通过呼吸链（电子传递）氧化磷酸化生成ATP。在氧化过程中，可通过有效电子数来推算碳源的能量。当1mol碳源完全氧化时，所需要氧的mol数的4倍称为该基质的有效电子数。•式中YATP为消耗1molATP所获得干细胞的克数(g细胞/molATP)•式中YATP/S为相对于基质的ATP生成得率（molATP/mol基质），Ms为基质的分子量。/[]XSSATPATPSYMXYgcellmolATPATPY•微生物反应中可以用YkJ表示微生物对能量的利用情况，•式中E表示消耗的总能量，包括同化过程，即菌体所保持的能量Ea和分解代谢的能量Ed。前者可采用干细胞的燃烧热，后者可采用所消耗的碳源和代谢产物各自的燃烧热之差来计算。多数微生物在好氧培养时的YKJ值为0.028g细胞/kJ，在厌氧培养时YKJ的平均值为0.031g细胞/kJ。对于光能自养型微生物，如藻类的YKJ约等于0.002g细胞/kJ。)()()(能分解代谢所释放的自由细