5酵母工艺学 第五章 酵母菌的培养原理.pdf

《酵母工艺学》 第一章 酵母概况 第二章 酵母菌的微生物学概要 第三章 酵母菌的代谢与生长 第四章 酵母菌的营养 第五章 酵母菌的培养原理 第六章 活性干酵母ADY 的生产 第七章 酵母菌的代谢工程 第五章 酵母菌的培养原理  第一节酵母生长动力学模型  第二节 间歇培养  第三节流加培养  第四节连续培养  第五节生长速率与酵母浓度的限制 第一节 酵母生长动力学模型  Monod方程  酿酒酵母两步生长动力学模型 前言  酵母菌生长在各种各样的物理和化学环境中，它们的生长和 生理活性实际上是对其所在物理和化学环境的一种响应。  酵母生长动力学就是研究酵母菌生长过程的速率及影响其生 长速率的各种因素，并用数学方程来描述这一过程。 Monod方程  微生物细胞生长速率和培养液中限制性营养物浓度间关系的动力学方 程，首先是由Monod根据经验于1942年得出来的，时至今日仍在广泛 采用。该模型假定培养液中无抑制剂存在，生长速率受某一酶催化步 骤的速率限制所控制。在此情况下微生物比生长速率与基质浓度的关 系可表示为： μ —— 比生长速率（1/h） μmax——最大比生长速率（1/h） KS ——半饱和常数（g/L ） Cs—— 限制性底物浓度(g/L)；  比生长速率μ的物理意义是单位菌体的生长速率，也即单位菌体(g)在单位时间 (h) 内所新增的菌体量(g)，其因此为时间的倒数。  半饱和常数Ks是比生长速率等于最大比生长速率的一半时的限制性底物浓度。  当Cs＜＜Ks时，μ=μmax Cs/Ks，酵母菌的比生长速率与限制性底物浓度之间 呈线性关系。  当Cs＞＞Ks时，μ=μmax。但对于某些酵母菌，当限制性底物浓度很高时，对 生长有抑制作用，因而当μ达到某一值时，再提高限制性底物浓度，比生长速 率反而下降。 酿酒酵母两步生长动力学模型  Bijkerk和Hall于1977年提出了S. cerevisiae的动力学模型。  第一步是基质积累，过程的长短决定于限制性底物供用的程度 。第二步是芽的分离形成新的单个细胞，过程的长短与基质无 关。  其模型基本假设是，假定细胞生物物质分为A 、B两部分，A物 质即单个细胞，B物质为出芽细胞。在细胞的生长繁殖过程中 ，A物质（细胞）执行摄取基质和供应生物合成能量的功能， B物质（细胞）执行在固定时间内复制DNA和有丝分裂的功能 。  生长和分裂的第一步是能量代谢产物的积累，由A物质执行，它自身也 就转变为B物质。第二步是繁殖分裂，由B物质执行，然后自身转变为A 物质。  在稳定状态下，这两部分生物物质处于平衡状态。由于限制性基质只与 第一步过程执行的长短有关，当培养液中限制性基质供应丰富时，就可 以用比较低比例的A物质来摄取基质生长能量，供给高比例的B物质不断 繁殖子细胞，得到较高的生长速率。  Bijkerk和Hall模型对酵母细胞生长的描述是以指数生长为前提的，没有 考虑接种后的停滞期和两个生长阶段之间的停滞期。Pamment等提出了 停滞的数学模型，作为Bijkerk和Hall模型的修正。 第二节 间歇培养  酵母菌的间歇培养，又称分批培养，是指一次性投料和一 次性收获产品的批式操作。由于其培养液中的初始糖浓度 较高，即使在溶解氧浓度足够高的情况下，酵母在生长的 同时，也会产生大量的乙醇。而大量乙醇的产生势必影响 酵母对糖的收得率，因此，间歇培养一般仅用于酵母生产 中的纯种培养阶段。在纯种培养阶段采用一次性投料的间 歇培养，其好处是：  ①糖浓度较高，酵母细胞具有较高的繁殖速率，使之通过 几级培养后可迅速获得较多的种子；  ②培养过程不流加培养基，有利于控制杂菌污染；  ③酵母菌在营养丰富的培养基中生长，同时产生一定量的 乙醇，有利于获得健壮的种子酵母。 两阶段生长  如前所述，当培养液中的糖浓度耗尽时，酵母菌可利用乙 醇进行生长。由此可见，在好氧条件下，酵母菌的间歇培 养可分为两个生长阶段。  第一阶段，培养基中的糖含量较高，这时酵母细胞利用培 养液中的糖生长，并分泌大量乙醇。在此阶