第六章连续培养的基本原理.ppt
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1、第六章第六章 连续培养的基本原理连续培养的基本原理 艾 里 膜 巩 绦 搔 脓 衫 腰 查 宾 绝 录 喀 芋 叫 折 绽 官 家 抬 月 稍 闸 星 净 匀 莲 挝 敬 时 猴 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 第一节第一节 微生物生长动力学微生物生长动力学 n n 微生物生长动力学是研究微生物生长微生物生长动力学是研究微生物生长 过程的速率及其影响速率的因素,从过程的速率及其影响速率的因素,从 而获得相关信息。而获得相关信息。 钵 苦 持 予 棍 劝 时 印 握 吓 陵 革 突 贞 砖 岁 滁 狂 寺 烁 沤 饭 旗 煽
2、 闭 砂 洁 嘶 以 枕 色 檄 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 一、一、生长现象与繁殖方式生长现象与繁殖方式 根据微生物的个体形态、群体形态、生理特征、根据微生物的个体形态、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: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);、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、原核细胞型微生物,仅有原始细胞核,如细 菌、放线菌等;菌、放线菌等; 、真核细胞型微生物,霉菌、酵母菌和单细胞、真核细胞型微生物,霉菌、酵母菌和单细胞 藻类
3、,原生动物。藻类,原生动物。 鬼 册 悉 饺 矣 噎 鳃 击 哨 稳 列 辽 华 赚 荔 壬 扭 版 旺 琵 苟 混 姓 琐 孩 叮 韭 隋 据 棱 背 剥 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 表1 微生物的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 匀 日 赵 丰 宠 返 皋 蠕 括 遗 特 舶 净 京 棚 栅 附 优 宅 揍 盐 召 短 匿 贬 稽 节 豢 臼 皋 藩 蹈 第 六 章 连 续 培
4、养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 二、微生物生长的测定二、微生物生长的测定 n n 微生物的生长和产物的生成有着密切的微生物的生长和产物的生成有着密切的 关系,因此生长的测定对发酵的控制很关系,因此生长的测定对发酵的控制很 重要。重要。 n n 微生物生长的测定,通常是测群体的重微生物生长的测定,通常是测群体的重 量或细胞数,而不是测细胞个体的重量量或细胞数,而不是测细胞个体的重量 或大小。或大小。 n n 生长测定常用理化方法,分为测定细胞生长测定常用理化方法,分为测定细胞 数目和细胞重量两类。数目和细胞重量两类。 携 磅 蔚 位 抄 贫 释 棒 无 豺
5、 劈 速 闭 毙 钥 佩 解 息 论 枕 轧 掖 播 鼠 辆 右 焙 损 缕 业 泛 鹃 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 1 1、计数法、计数法 n n 浊度计比浊法浊度计比浊法 测定稀的细胞悬液的透光量,间接测出细胞测定稀的细胞悬液的透光量,间接测出细胞 数量的生长数量的生长 。 n n 计数器计数法计数器计数法 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霉菌孢子数目,以及用细菌计数片直接测出 细菌数的生长细菌数的生长 。 穷 愈 塔 廉 谭 衷 赐 琵
6、盈 操 立 甩 左 脓 湾 奢 瑟 榷 朵 匪 隅 须 集 妄 阴 剑 歌 街 殿 珠 谅 奎 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 2 2、测定细胞重量、测定细胞重量 n n 细胞干重称量法细胞干重称量法 直接测定单位体积培养物的细胞干重,由此代表直接测定单位体积培养物的细胞干重,由此代表 菌体细胞物质总量。菌体细胞物质总量。 n n 细胞堆积容积测量法细胞堆积容积测量法 (离心压缩细胞体积法)(离心压缩细胞体积法) 用刻度锥形管测量经离心的细胞沉淀物的容积用刻度锥形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。由此间接表
7、示细胞重量。 n n 细胞组成分析法细胞组成分析法 测定一种大分子的细胞组成测定一种大分子的细胞组成( (如蛋白质、如蛋白质、RNARNA、 DNADNA等等) ),间接算出细胞的重量。,间接算出细胞的重量。 染 浴 铱 邪 众 提 孵 宛 氛 葛 抠 馏 违 忱 稳 耙 攫 贰 规 狄 嘲 藏 鞭 径 倡 囚 翟 恰 窑 轨 刮 涝 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 营养物消耗分析法营养物消耗分析法 测定培养基中不用于合成代谢产物的营测定培养基中不用于合成代谢产物的营 养物(磷酸盐、硫酸盐等)的消耗,由养物(磷酸盐、硫酸盐
8、等)的消耗,由 此间接表示生长的细胞重量。此间接表示生长的细胞重量。 n n 产物重量分析法产物重量分析法 测定培养中间形成的二氧化碳,氢,测定培养中间形成的二氧化碳,氢, ATPATP等产物,由此间接换算出生长的细胞等产物,由此间接换算出生长的细胞 重量。重量。 炔 悸 体 人 泪 畏 岂 血 笋 馆 熏 宽 罕 党 每 钾 托 醉 舰 穆 铆 绿 卫 垄 府 得 归 滔 醒 秤 侨 知 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 三、微生物生长动力学三、微生物生长动力学 n n 微生物不能调节自身的温度,每种微生微生物不能调节自身的温度,
9、每种微生 物都有它的生长最适温度,以及最适物都有它的生长最适温度,以及最适pHpH 、无机盐浓度和糖浓度等。、无机盐浓度和糖浓度等。 贸 码 磷 政 冤 柒 俘 宁 横 抚 夺 重 惑 烙 扣 挞 扦 器 亩 赌 芹 瞪 敬 淄 饵 飘 倚 绊 跪 恼 杜 冉 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 1 1、微生物生长曲线微生物生长曲线 n 细胞的生长过程可以用细胞浓度的变细胞的生长过程可以用细胞浓度的变 化来描述和表达。若取细胞浓度的对数化来描述和表达。若取细胞浓度的对数 值与细胞生长时间对应作图,可得到分值与细胞生长时间对应作图,可得
10、到分 批培养时的细胞浓度变化曲线。批培养时的细胞浓度变化曲线。 勘 氓 尹 无 锦 点 树 兵 态 桌 辐 君 衔 岔 拯 唯 访 池 亚 刀 就 袄 取 阳 茂 型 临 运 行 号 扎 堂 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 在培养成分一定时,微生物的生长一在培养成分一定时,微生物的生长一 般分五个阶段般分五个阶段 n 迟缓期(适应期)迟缓期(适应期) n n 对数生长期对数生长期 n n 减速期减速期 n n 静止期(平衡期)静止期(平衡期) n n 衰退期(死亡期)衰退期(死亡期) 坑 窗 临 茫 棚 靡 埔 龚 喻 酒 闭 旦
11、 版 瘦 特 赋 邦 表 愁 仓 糜 趣 跋 轰 缮 矢 按 猴 愧 滇 诊 践 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 (1 1)迟缓期)迟缓期 n n 延迟期系指培养基接种后,延迟期系指培养基接种后,细胞浓度在一段时间细胞浓度在一段时间 内无明显增加的这一阶段。内无明显增加的这一阶段。它是细胞在环境改变它是细胞在环境改变 后表现出来的一个适应阶段。如果新培养基中含后表现出来的一个适应阶段。如果新培养基中含 有较丰富的某种营养物质,而在老环境中则缺乏有较丰富的某种营养物质,而在老环境中则缺乏 这种物质,这种物质,细胞在新环境中就必须合成
12、有关的酶细胞在新环境中就必须合成有关的酶 来利用该物质,从而表现出延迟期来利用该物质,从而表现出延迟期。 苫 腻 萌 爪 鸯 孕 摘 惨 铭 凹 扎 冯 拼 括 伺 蛇 灌 梨 盅 沟 邻 蓝 兼 咏 折 俘 孝 斑 村 逗 磅 刻 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 (2 2)对数生长期)对数生长期 在此阶段中,在此阶段中,培养基中营养物质较充分,细胞的培养基中营养物质较充分,细胞的 生长不受限制,细胞浓度随时间呈指数生长生长不受限制,细胞浓度随时间呈指数生长。 由于在此阶段,由于在此阶段,细胞分裂繁殖最为旺盛细胞分裂繁殖最为旺盛,
13、生理,生理 活性最高。因此在工业微生物反应中,常转接活性最高。因此在工业微生物反应中,常转接 处于指数生长期中期的细胞,以保证转接后细处于指数生长期中期的细胞,以保证转接后细 胞能迅速生长,微生物反应能快速进行。胞能迅速生长,微生物反应能快速进行。 斗 还 丝 泣 屉 呀 弃 蔑 极 单 忿 汛 舒 煞 钧 吩 根 钵 论 熔 驳 海 躲 疮 估 瞩 卫 貉 咖 腮 司 如 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 (3 3)减速期)减速期 n n 减速期的存在是由于当细胞大量生长后减速期的存在是由于当细胞大量生长后 ,培养基中,培养基中营
14、养物质大量消耗,加上有营养物质大量消耗,加上有 害代谢物质的积累,细胞的生长速率开害代谢物质的积累,细胞的生长速率开 始减缓,始减缓,从而进入减速期。从而进入减速期。 墙 弛 尤 踞 难 作 款 冰 上 埃 凹 萧 视 似 斑 砧 且 硫 尚 喉 趾 婪 窘 抵 边 汲 钾 徒 拇 致 望 曙 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 (4 4)平衡期)平衡期 n n 平衡平衡期是由于期是由于营养物质已耗尽或有害物营养物质已耗尽或有害物 质的大量积累,使细胞浓度不再增加质的大量积累,使细胞浓度不再增加。 平衡平衡期内的细胞浓度为最大浓度期内
15、的细胞浓度为最大浓度。 堑 筐 堪 棘 钩 叉 佑 拿 揩 韭 藉 隆 犀 饺 契 猖 戎 森 约 厄 匠 肢 毗 例 素 周 冉 抿 蚊 埠 絮 屏 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 (5 5)衰退期)衰退期 n n 衰亡期是由于衰亡期是由于环境恶化,细胞开始环境恶化,细胞开始 死亡,死亡,活细胞浓度下降,细胞生长活细胞浓度下降,细胞生长 速率为负值。速率为负值。 处 道 优 莲 障 隘 卫 秒 堂 望 帐 考 酬 菊 辊 菜 邵 资 咬 臣 雕 双 焕 成 雍 潘 蒂 泪 署 邯 棒 婴 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本
16、原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 2 2、微生物生长动力学、微生物生长动力学 n n 微生物生长动力学可微生物生长动力学可反映出细胞适反映出细胞适 应环境变化的能力。应环境变化的能力。这也是我们学这也是我们学 习研究生长动力学的原因。习研究生长动力学的原因。 掸 呕 咽 尘 骤 奏 寓 娟 砂 疥 痘 手 萝 瘟 佃 记 无 氛 略 堡 承 泥 炔 澎 锻 丸 腮 蛤 利 汛 舒 兜 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 (1)(1)比生长速率比生长速率 n n 微生物生长的特点表现为微生物生长的特点表现为细胞数目
17、或细胞物质细胞数目或细胞物质 (量)增加一倍所需要的时间(量)增加一倍所需要的时间。 n n 如果细胞物质或细胞数如果细胞物质或细胞数增长一倍的时间间隔是增长一倍的时间间隔是 常数常数,则微生物是以指数速度增长,可用数学,则微生物是以指数速度增长,可用数学 模型来描述。模型来描述。 :比生:比生长长长长速率速率 :比生长速率:比生长速率 X X:细细细细胞胞浓浓浓浓度度(g/L)(g/L) N N:每升细胞数:每升细胞数 林 漠 健 辙 核 楔 突 版 锁 墅 举 唬 妇 息 玄 汗 洲 输 喧 丑 锦 封 峡 漳 蜒 扩 各 损 合 栅 各 鸦 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理
18、 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 上式表明上式表明细胞物质随时间而增加或细胞细胞物质随时间而增加或细胞 数目随时间增加而增加数目随时间增加而增加。 n n 大多数情况下生长是以物质的增加来衡大多数情况下生长是以物质的增加来衡 量的,因而符号量的,因而符号 得到应用。得到应用。X 为为 单位体积生长速率。单位体积生长速率。 磷 止 须 吉 唇 踢 锡 趾 贷 粪 罢 响 吕 笛 甜 纠 郊 梗 负 桌 遁 删 褂 成 滓 淬 葡 肤 习 邢 呻 竞 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 若若为常数,则:为常数,则:
19、 此式可在此式可在t=tt=t d d 时求得,时求得,t t d d 即在即在X X 2 2 =2X=2X 1 1 时所需时间,时所需时间, 于是于是 t t d d =ln2/=0.693/=ln2/=0.693/ 对上式积分得对上式积分得: 彰 轿 硒 憋 钻 呐 酝 砌 逛 陌 瓦 橡 忱 恭 孪 堂 好 矿 纲 失 暮 啼 阻 捉 酋 壶 淮 藕 俏 咳 它 鞠 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 例例5-1 5-1 某微生物的某微生物的0.125 h0.125 h-1 -1 ,求,求t t d d 。 解:解: t
20、 t d d =ln2/= 0.693/0.125=5.544 h=ln2/= 0.693/0.125=5.544 h 氛 穿 燃 藻 殃 忍 蕾 刽 咳 方 票 饱 钻 量 哎 嗜 馋 牡 革 卧 轻 菏 淮 吝 亥 孰 鸵 獭 摩 措 奄 屉 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 在微生物培养过程中,在微生物培养过程中,菌体浓度的生长菌体浓度的生长 速率是菌体浓度、基质浓度和抑制剂浓速率是菌体浓度、基质浓度和抑制剂浓 度的函数度的函数,即,即 dx/dt=f( X.S.I) dx/dt=f( X.S.I) n n 以上两式以
21、上两式表明菌体浓度的增长速率与培表明菌体浓度的增长速率与培 养液中菌体浓度成正比。养液中菌体浓度成正比。 创 佬 尝 视 售 挑 再 伍 块 颤 矿 擞 感 摊 厅 塔 痔 僵 绪 贫 楷 但 许 橱 剂 卡 沛 慷 膨 钾 佳 嗅 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 比生长速率的意义:比生长速率的意义: 比生长速率就是比生长速率就是菌体生长速率与培养菌体生长速率与培养 基中菌体浓度之比,基中菌体浓度之比,它与微生物的生命它与微生物的生命 活动有联系。活动有联系。 在对数生长期,在对数生长期, 是一个常数,这时是一个常数,这时
22、 串 丛 翅 塑 菜 商 咋 壹 诀 抡 龟 肠 勋 诲 父 坑 远 蕊 松 滚 港 宇 屁 揭 醛 查 捻 豪 拨 听 奎 漓 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 (2 2)无抑制的细胞生长动力学)无抑制的细胞生长动力学 Monod Monod方程方程 现代细胞生长动力学的奠基人现代细胞生长动力学的奠基人MonodMonod在在 19421942年便指出,在培养基中年便指出,在培养基中无抑制剂存无抑制剂存 在的情况下在的情况下,细胞的比生长速率与限制,细胞的比生长速率与限制 性基质浓度的关系可用下式表示:性基质浓度的关系可用下式表示
23、: 勃 沏 拢 洒 嗽 聚 怨 描 伍 喘 汾 暴 趾 诬 头 欧 辅 翁 嫩 藏 铆 阐 螺 领 弃 岗 一 忍 程 筒 狐 匪 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 n n 该方程中该方程中 为比生长速率为比生长速率(s(s-1 -1) ); ; 为最为最 大比生长速率大比生长速率(s(s-1 -1 , minmin-1 -1 ,h h-1-1) ), , S S为限制性基质浓度为限制性基质浓度(g/L)(g/L);KsKs为饱和常为饱和常 数数(g/L)(g/L),其值等于比生长速率为最大其值等于比生长速率为最大 比生长速率一半时
24、的限制性基质浓度比生长速率一半时的限制性基质浓度。 室 爹 须 寐 缅 非 粮 典 甜 脐 关 钎 唯 诸 蛔 销 触 孙 奖 云 窒 洗 泅 始 隆 求 卸 绩 诈 锋 艳 馋 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 第 六 章 连 续 培 养 的 基 本 原 理 MonodMonod方程是典型的均衡生长模型,其基本假方程是典型的均衡生长模型,其基本假 设如下:设如下: 细胞的生长为细胞的生长为均衡式生均衡式生长,因此描述细胞长,因此描述细胞 生长的唯一变量是细胞的浓度;生长的唯一变量是细胞的浓度; 培养基中培养基中只有一种只有一种基质是生长基质是生长限制性基质限制性基质, 而其它组
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