五微生物生长动力学省名师优质课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。谢谢,第五章 微生物生长动力学,第1页,第一节 微生物生长基本特征,微生物普通包含细菌、酵母菌、霉菌、放线菌、立克次氏体、支原体和病毒等。,微生物特有现实状况：,（1）生长速度快,（2）对物质含有强烈转化作用,（3）轻易引发变异，致使种类繁多,（4）生长繁殖形式含有一定特征,第2页,微生物 种类繁多，其形态结构及功效有很大差异，但也有共同之处：,1、以细胞为结构单位，其数目随时间增,加而增加（生长）,2、组成细胞物质大致相同,3、细胞内化学反应（代谢）基本相同,4、适应能力较强，能随环境改变而自行调整,第3页,微生物是反应过程生物催化剂，把原料转为有用产品；,微生物又如同一个微小容器，原料中反应物透过微生物细胞周围细胞壁和细胞膜进入微生物体内，把反应物转化为产物，接着这些产物又被释放出来。,第4页,在微生物细胞生长过程中，细胞形态、结构、活性都处于动态过程中。,从细胞组成份析，它含有蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸等，这些细胞基本组成部分含量大小也随环境改变而改变。,第5页,第二节,微生物生长动力学,微生物生长动力学是研究微生物生长过程速率及其影响速率原因，从而取得相关信息。,第6页,依据微生物个体形态、群体形态、生理特征、生化反应等生物学特征，微生物可分为三大类：,、非细胞型微生物（病毒）；,、原核细胞型微生物，仅有原始细胞核，如细,菌、放线菌等；,、真核细胞型微生物，霉菌、酵母菌和单细胞,藻类，原生动物。,一、生长现象与繁殖方式,第7页,表1 微生物生长现象与繁殖方式,类 别,生长特征,繁殖方式,细菌,个体增重和增大,分裂繁殖,放线菌、霉菌,菌丝伸长和分支,霉菌-无性孢子、有性孢,子,酵母菌,个体增重和增大,出芽生殖,放线菌-无性孢子,第8页,微生物生长和产物生成有着亲密关系，所以生长测定对发酵控制很主要。,微生物生长测定，通常是测群体重量或细胞数，而不是测细胞个体重量或大小。,生长测定惯用理化方法，分为测定细胞数目和细胞重量两类。,二、微生物生长测定,第9页,测定稀细胞悬液吸光值，间接测出细胞,数量生长。,计数器计数法,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,细菌数生长。,1、计数法,第10页,细胞干重称量法,直接测定单位体积培养物细胞干重，由此代表菌体细胞物质总量。,细胞堆积容积测量法,（离心压缩细胞体积法）,用刻度锥形管测量经离心细胞沉淀物容积，由此间接表示细胞重量。,细胞组成份析法,测定一个大分子细胞组成(如蛋白质、RNA、DNA等)，间接算出细胞重量。,2、,测定细胞重量,第11页,营养物消耗分析法,测定培养基中不用于合成代谢产物营,养物（磷酸盐、硫酸盐等）消耗，由此间接表示生长细胞重量。,产物重量分析法,测定培养中间形成二氧化碳，氢，ATP,等产物，由此间接换算出生长细胞重量。,第12页,三、微生物生长动力学,微生物不能调整本身温度，每种微生物都有它生长最适温度，以及最适pH、无机盐浓度和糖浓度等。,第13页,细胞生长过程能够用细胞浓度改变来描述和表示。若取细胞浓度对数值与细胞生长时间对应作图，可得到分批培养时细胞浓度改变曲线。,1、微生物生长曲线,第14页,在培养成份一定时，微生物生长普通分五个阶段,迟缓期（适应期）,对数生长久,减速期,静止期（平衡期）,衰退期（死亡期）,第15页,（1）迟缓期,延迟期系指培养基接种后，细胞浓度在一段时间内无显著增加这一阶段。它是细胞在环境改变后表现出来一个适应阶段。假如新培养基中含有较丰富某种营养物质，而在老环境中则缺乏这种物质，细胞在新环境中就必须合成相关酶来利用该物质，从而表现出延迟期。,第16页,（2）对数生长久,在此阶段中，培养基中营养物质较充分，细胞生长不受限制，细胞浓度随时间呈指数生长。因为在此阶段，细胞分裂繁殖最为旺盛，生理活性最高。所以在工业微生物反应中，常转接处于指数生长久中期细胞，以确保转接后细胞能快速生,长，微生物反应能快速进行。,第17页,（3）减速期,减速期存在是因为当细胞大量生长后，培养基中营养物质大量消耗，加上有害代谢物质积累，细胞生长速率开始减缓，从而进入减速期。,第18页,（4）平衡期,平衡,期是因为营养物质已耗尽或有害物质大量积累，使细胞浓度不再增加。,平衡,期内细胞浓度为最大浓度。,第19页,（5）衰退期,衰亡期是因为环境恶化，细胞开始死亡，活细胞浓度下降，细胞生长速率为负值。,第20页,微生物生长动力学可反应出细胞适应环境改变能力。这也是我们学习硕士长动力学原因。,2、微生物生长动力学,第21页,微生物生长特点表现为细胞数目或细胞物质（量）增加一倍所需要时间。,假如细胞物质或细胞数增加一倍时间间隔是常数，则微生物是以指数速度增加，可用数学模型来描述。,：比生长速率,：比生长速率,X：细胞浓度(g/L)N,：每升细胞数,(1)比生长速率,第22页,上式表明细胞物质随时间而增加或细胞数目随时间增加而增加。,大多数情况下生长是以物质增加来衡量，因而符号,得到应用。,X,为单位体积生长速率,。,第23页,若为常数，则：,此,式可在,t=t,d,时求得，t,d,即在X,2,=2X,1,时所需时间，,于是 t,d,=ln2/=0.693/,对上式积分得,：,第24页,例5-1 某微生物0.125 h,-1,，求t,d,。,解：t,d,=ln2/=0.693/0.125=5.544 h,第25页,在微生物培养过程中，菌体浓度生长速率是菌体浓度、基质浓度和抑制剂浓度函数，即,dx/dt=f(X.S.I),以上两式,表明菌体浓度增加速率与培养液中菌体浓度成正比。,第26页,比生长速率意义：,比生长速率就是菌体生长速率与培养基中菌体浓度之比，它与微生物生命活动有联络。,在对数生长久，,是一个常数，这时,第27页,当代细胞生长动力学奠基人Monod在1942年便指出，在培养基中无抑制剂存在情况下，细胞比生长速率与限制性基质浓度关系可用下式表示：,(2)无抑制细胞生长动力学 Monod方程,第28页,该方程中 为比生长速率,(s,-1,),；为最大比生长速率,(s,-1,，,min,-1,，h,-1,),，,S为限制性基质浓度,(g/L),；,Ks,为饱和常数,(g/L),，其值等于比生长速率为最大比生长速率二分之一时限制性基质浓度。,第29页,Monod方程是经典均衡生长模型，其基本假设以下：,细胞生长为均衡式生长，所以描述细胞生长唯一变量是细胞浓度；,培养基中只有一个基质是生长限制性基质，而其它组分为过量不影响细胞生长；,细胞生长视为简单单一反应，细胞得率为一常数。,第30页,细胞比生长速率与限制性基质浓度关系,S,第31页,当限制性基质浓度很低时，S,Ks时，=m，若继续提升基质浓度，细胞生长速率基本不变。此时细胞比生长速率与基质浓度无关，为零级动力学特点,。,第33页,将Monod方程式变为,为直线方程。,不一样菌种，不一样培养基，Ks和 是,不一样。,第34页,微生物,限制生长基质,Ks,m,（hr）,大肠杆菌,葡萄糖,0.22,/,大肠杆菌,乳糖,0.58,/,啤酒酵母,乳糖,2.63.0,0.18,啤酒酵母,葡萄糖,0.56,/,纤维素分解菌,葡萄糖,0.86,0.125,固氮菌,葡萄糖,0.160.33,0.13,青霉菌,氧气,0.007,0.35,Ks,和,m,值随菌种、限制性基质种类改变,第35页,m,值基本靠近，是同一个数量级。,Ks,和,m,值不但随菌种而异，对不一样限制性基质也不一样。,Ks意义：,Ks越小，则S增加少许，,增加很大，所以Ks越小，,就越敏感。Ks能够表示菌体细胞与基质亲和力关系。,第36页,Monod方程即使表述简单，但它不足以完整地说明复杂生化反应过程，而且已发觉它在一些情况下与试验结果不符，所以人们又提出了另外一些方程。,第37页,第38页,Contois方程式,此公式对污水处理很主要。,第39页,单基质限制细胞生长动力学模型,第40页,全部营养物质均存在一上限浓度，超出此限，反而会引发生长速率下降。这种效应称为基质抑制作用（高渗透压作用）。,另外，一些代谢产物也能抑制生长。其反应方程式为：,3、营养物质对生长影响,Kp为经验常数,第41页,两种或两种以上底物同时用于生长时，则可考虑用Monod式形式表示各种底物与比生长速率关系：,第42页,带有两个生长久,两种碳源（S,1,和S,2,）二次生长,S,1,S,2,X,第43页,4、环境对生长影响,微生物发育、生长及代谢等物理学性质受到各种环境条件促进或妨碍影响很大。能够说，培养工程主要问题是控制环境原因，使所培养微生物反应成为最适当。,第44页,（1）,温度,为了定量表示微生物生长与温度关系，惯用比生长速率与绝对温度,T,倒数关系来表示。,在某个T范围内，按照阿累尼乌斯（Arrhenius）方程式可得：,Ea:,生长活化能,R:,气体常数,T：绝对温度 A：Arrhenius常数,第45页,生长温度范围有上限与下限，若偏离这个温度范围，生长速率就急剧降低。因为菌种类不一样，分别有发育最低温度、最适温度、最高温度。这三个温度叫做生育基本温度。在高温下生长急剧降低，这是因为蛋白质及细胞结构热变性所引发。所谓最高生育温度是指合成反应战胜由热变性而破坏反应温度。通常这个温度只比最适温度高几度（35）。,第46页,最低温度,最适温度,最高温度,低温菌,010,1020,2530,发光细菌,中温菌,07,2040,4045,霉菌、酵母、放线菌、普通细菌,高温菌,2545,5060,7080,枯草菌、温泉细菌等,按照发育最适温度，微生物大致可分为三群：,第47页,（2）pH,氢离子浓度（,pH,）对微生物生长产生非常强烈影响。因为菌种类不一样，因而各有自己生长最适,pH,值。,细菌最适pH普通在中性或微碱性范围（6.58.0），霉菌、酵母最适pH为微碱性（4.06.0）。不过，乳酸菌、醋酸菌等产酸菌例外，他们对低pH有抗性。,第48页,（3）,氧及氧化还原电位,氧以溶解于水状态（溶解氧dissolved oxygen，简称：DO）被微生物利用。微生物生长随溶解氧浓度改变而改变。DO水平低到用氧电极难以检定程度时，以培养基氧化还原电位Eh来代替DO。因为在一定pH下，溶解氧水溶液Eh与DO对数成百分比。对于厌氧菌，用Eh表示氧动态，更为正确。,第49页,（4）,湿度,液体培养时，因为周围全部是水，湿度不成问题。不过，在所谓固体培养情况下，固体是否含有微生物可能利用水分就成为问题。平衡相对湿度（ERH）可用以表示固体所含有水蒸汽压，并作为衡量水分可能利用程度标准。,第50页,（5）,渗透压,微生物普通在高渗透压下难以生长。不过，嗜高渗菌、嗜盐菌和嗜糖菌例外，在,30,以上浓度食盐中仍有生长霉菌存在，在,70,浓度蔗糖中也有生长酵母生存。,第51页,（6）,压力,普通微生物甚至可在几十个大气压水压下也不受影响，对于通常微生物反应过程，压力影响能够不考虑。,第52页,（7）,光线,红色或绿色细菌及绿藻类生长需要光，而普通微生物在明亮处生长不如暗处好，日光甚至是有害。,第53页,（8）环境因子对微生物反应影响,环境因子对微生物反应系统影响除上述各因子对微生物发育、生长和繁殖影响外，还必须考虑它对产物生成速度影响。对微生物生长最适当环境条件未必是微生物反应最适条件。分批培养时，生长好坏大致以最终菌体浓度来判断。而得到最大菌体浓度培养条件不一定能得到最高产量目标代谢产物；温度对生长与代谢产物生成影响也不一定是并行；生长最适pH与代谢产物生成速度最适pH值普通是不相同等等。,第54页,第三节 微生物生长对营养需求,微生物为了生长，必须从周围环境摄取合成细胞物质与取得能量所需要全部物质。这些物质称为营养源或营养物。微生物发育、生长必须营养物能够分为五类：,（,a,）能源（,b,）碳源,（,c,）氮源,（,d,）无机盐类,（,e,）微量营养物或生长因子（维生素类等）。,第55页,能源，这里主要指能利用光光能菌和依赖化学能化能菌。在碳源方面，我们碰到主要是依赖有机碳源异养菌。,第56页,氮源，是蛋白质合成素材，即各种氨基酸生物合成不可缺乏物质。在实际应用微生物工业中，采取硫酸铵、尿素、干酪素、豆饼、酵母浸出液、玉米浆等为氮源。其次，P、S、Mg、K是微生物发育生长必需无机元素，其需要量较多。对于合成培养基，需要加入KH,2,PO,4,、K,2,HPO,4,、MgSO,4,7H,2,O、CaCl,2,2H,2,O、FeSO,4,等形式无机盐。,第57页,除碳源、氮源、无机盐外，一部分微生物假如没有生长因子微量因子，往往不生长。微量因子主要是维生素类、嘌呤及嘧啶等碱基类物质。在应用微生物反应工业中，惯用酵母浸出液、玉米浆作为生长因子起源。微量生长因子不但有促进生长效果，而且发觉它对微生物生理活性产生大影响。微量生长因子有成为代谢控制因子情况，影响目标产物产量情况也较多。所以必须研究它最适浓度，并控制它浓度。,第58页,本章小节,了解,微生物反应动力学研究基本内容及其基本概念,掌握Monod方程，及其参数求解,第59页,