作者：储炬、李友荣 编著
出版社：化学工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
现代工业发酵调控学(第三版)试读：
书名：现代工业发酵调控学（第三版）
作者：储炬，李友荣编著
CIP号：第164609号
ISBN：978-7-122-27630-8
责任编辑：赵玉清
出版发行：化学工业出版社（北京市东城区青年湖南街13号 100011）
购书咨询：010-64518888
售后服务：010-64518899
网址：http://www.cip.com.cn
版权所有 违者必究第三版前言
自2006年《现代工业发酵调控学》第二版问世以来，又过了近10年，本书已经先后7次印刷。发酵科学理论和行业工程技术又有了新的提升与拓展，引进了许多新的概念和具体科研与生产经验，极大丰富了有关微生物代谢调控、优化发酵产物合成生产的知识。在大数据信息化新时代，海量数据与信息的积累、整合、精炼，开拓了发酵工业新的视野，开创了更为高效、绿色、节能的生物过程产品研究技术路线和调控思路。
第三版延续体现了多学科交叉的优势，在生物过程优化与放大的问题上引入系统生物学的概念和内容，介绍生物技术产业化中需要解决的共性和关键技术问题。以基因工程、代谢工程手段优化代谢调控13网络，利用C同位素示踪技术研究发现细胞微观代谢流的定量研究。通过细胞生理特性与反应器流场特性相结合的手段，最终实现工业规模发酵工艺的优化及理性放大。
编者为了使本书跟上时代，适应广大读者的需要，通阅了新近大量的有关文献、专著、学术会议纪要，收集整理一些精辟的有关发酵工程的新观点与论述，以充实本教材，并附有被引用的文献。
本书相比第二版，做了如下调整：对所有章节都进行了精简；对第1章微生物生长与调节主要增添了有关菌丝结团的动力学，并且更详细阐述了菌体的运输机制及其过程动力学。第2章中的初级代谢，对其相关新近研究成果做了补充介绍。重点对第3、4、5章三章内容进行修订与增补，并列举了大量的2006～2014年的国内外相关文献内容。第3章内容中更详细介绍了细菌转录的分子基础；在代谢工程的应用上补充了提升目标产物产率与得率的具体策略和重构全新产物的方法。第4章在基因工程应用方面增添了强化产物的分泌，并介绍了合成生物学的最新研究进展，特别介绍了如何把合成生物学的理念应用于发酵工程研究中。第5章发酵过程控制与优化方面增添了动物细胞培养方面的进展；混合过程中流变学的定量测定；计算流体动力学分析在生物反应器流场分布研究中的应用，尤其在过程参数对菌丝形态从而对产物合成的影响方面做了系统的介绍。
针对发酵过程采集获得的海量数据，在第6章“发酵过程参数检测与计算机监控”中，重点就发酵过程建模和计算机控制方面提出了具体解决方案和应用实例。
第三版不仅可作为研究生或本科生的学位课程教材，还可以作为发酵行业技术人员与工程硕士学位工业发酵工艺技术培训的教材。
尽管编者与出版社编辑对第三版作了多次的修改和校核，疏漏与不妥总是难免，欢迎有关专家与学者批评指正。编者 于华东理工大学2016年6月第一版序言
微生物种类繁多，包括细菌、真菌、病毒、单细胞藻类和原生动物。在生物圈中，微生物分布范围最为广泛，在生物圈的物质循环具有关键功能，对人类生活和社会发展也起着其他生物不能替代的作用。
因为微生物形体微小，被认为是简单的生命，但微生物细胞内生化反应是错综复杂的，各个反应过程之间是相互制约、彼此协调的，可随环境条件的变化而迅速调整代谢反应的速度，有效地利用养分，维持生存与发展。其调节方式是各式各样的，例如酶活性调节有变构调节、修饰调节；合成途径的反馈抑制更是花样繁多，总的来说是不过量合成不需要的物质。微生物技术的目的却是要想方设法破坏微生物细胞的自主调节，使产物大量积累。这就要在微生物的遗传性能上加以改变、阻断或者延伸。此外，微生物技术还要在环境条件上争取优化，使改变了的遗传性状得到充分的发挥。“现代工业发酵调控学”就是调节微生物细胞活力朝着有用产物积累的方向发展。作者对微生物生长、基础代谢、代谢调节以及次生代谢合成都作了深入的阐述，笔者尚未见到对微生物调节功能如此详尽综合的书。作者还对发酵过程控制与优化、参数检测与在线监控，进行了比较全面的介绍，做到理论与实践的密切结合。
两位作者是对我国抗生素事业做出贡献的集体中的主要成员。远在20世纪50年代抗生素事业在我国开创之际，就在当时的华东化工学院设立抗生素制造工学专业，后来改为生化工程系。50年来生化工程系为国家输送了几千名技术骨干。笔者和生化工程系多年来保持着联系，有幸参加与该系有关的一些活动，如研究生的答辩、承担历届国家生物技术课题的验收、申请反应器国家重点实验室的论证等，参与诸多盛事，感到无比欣慰，今适逢本书的出版更是分外高兴。
本书是两位作者多年来研究生教学的结晶，糅合了当代学科前沿与科研生产经验，是呕心沥血之作。笔者衷心向读者推荐，这是一本值得认真学习的书。2001.10.30第一版前言
本书是在华东理工大学（前华东化工学院）生化工程系的“发酵生理学”课程的基础上，结合作者多年从事本科生的“发酵生理学”以及研究生的“发酵调控学”学位课程的教学心得和发酵调控学方面科研经验而编写的。在内容方面既兼顾系统的基础理论知识，又尽可能介绍研究与工业生产应用方面的最新进展。本书适合作为发酵调控学、生物工艺学、工业微生物、工业生化、发酵工程、微生物制药与抗生素工艺学的专业教材，也可作为医药、轻工、农林与师范的专业参考书以及从事生物技术、生化工程、工业发酵方面的研究与生产人员的进修与参考资料。每章后都列有大量的参考文献，供读者进一步参阅。
微生物是地球上不可缺少的生物成员，它与动、植物及人类有着唇齿相依的关系，并为他们与环境的改造不断做出重大贡献。利用微生物酿造是人类在文字出现以前就已掌握的技术，直到今日，微生物工程已发展到各个领域的广泛应用。由于微生物细胞相对简单，它又是研究生命活动的基本材料。通过细胞与分子水平的研究，现已掌握了大量有关细胞生理生化与代谢调节的知识，且能运用这些知识来改造微生物，使之造福于人类。
微生物的生理代谢活动涉及由多种代谢途径组成的网络，其中有上千种酶，这些酶的活性在野生型菌株中受到严密的控制。为了适应环境，它们能及时调整自身的生理代谢机能，使之合理地利用养分，以求生存与发展。在自然界，微生物从不过量合成一些它所不需要的物质。因此，过量生产某些化合物对生产菌来说，是一种“病态”过程，其固有的调节机制随时可能恢复到有利于其生长繁殖的方向，这也许就是生产菌种经多次传代，其生产性能容易蜕变的原因之一。
如果人们掌握了微生物内在的调节规律，各种生理机能，代谢网络的调控机制，便能操纵微生物，充分满足生产菌种过量合成某些代谢产物的环境需求，让它始终按人们需要的方向发展。
好的发酵工艺不仅要有生产性能优良的菌株，还要有合适的环境条件，才能使其生产潜力充分表达出来。一般而言，能表达生产菌种的最大潜力的90％，便很不错。通常，高产菌种对工艺控制的要求更高，对一些影响因素更敏感，因此，如果没有发酵调控的基本知识，就很难保证生产的稳定与发展。
基因工程技术的引进，使得菌种的改造更容易按人的意志转移。因此，要得到一株高产，甚至能合成新产物的重组菌，已不是高不可攀。但要从实验室研究进入生产开发阶段，到产品问世却非轻而易举的事。重组菌的充分表达，高产菌株潜力的挖掘，需要相应的发酵工艺与设备条件的紧密配合才能做到。
尽管对微生物的一些主要代谢途径与产物合成途径已积累了相当多的知识，但对许多天然产物的合成调节机制仍是一知半解。近年来，生物工厂的上游与下游工段引进了不少新的生产方法与监控策略，特别是设备的改进，发酵调控策略的更新，过程监控方法的日益完善，使得这些公司得益不浅。
工业发酵过程是实现产物合成所必需的重要生产步骤。许多生物活性物质，如抗生素和基因工程菌产物能否顺利表达获得高产，关键在于发酵调控的正确与否。发酵过程的控制除了要详细了解对象的动态生物特性，对与生产有关的代谢网络作定量分析，还要有工程的概念与技巧，才能控制研究或生产的对象。本书从分子、细胞和工艺工程水平去研讨微生物产物合成与调节的内在机制及外在环境条件的优化和控制。
本书的特色是以工业发酵过程的调控为主线，将微生物的生理生化和分子生物学的知识运用于阐述微生物的代谢调节与发酵规律，并结合生化反应过程原理，解释影响发酵过程的各种因素，如何进行数据分析，过程正常与否，怎样实现优化控制。介绍各类典型代谢产物的生产与调节和各种用于判断发酵进程的参数，分析各参数与产物合成之间的关系，介绍计算机在发酵工程中的应用和定量生物工程研究与开发以及代谢调控的新进展，如代谢工程。本书注重理论联系实际，学以致用，经典与现代相结合。
本书的内容共分为6章。第1章微生物生长与调节是研究微生物的个体细胞及整个菌群的生长现象及其调控规律，对内是研究生长、分化、营养、呼吸与运输；对外是研究其受周围环境的影响，作出相应的调节。通过细胞周期与生长效率的阐述，剖析了生长速率对细胞大小与胞内核酸含量的影响，以及各种环境因素对生物量得率的影响。第2章介绍微生物的基础代谢，包括能量代谢的热力学，分解与组成代谢。活细胞是一开放的、永不平衡的系统；生命的进程是不可逆的。应用热力学来了解活细胞，通过引入“不平衡”或“不可逆”热力学可以克服其中若干限制。分析一些远离平衡的生化系统，包括进出物料流系统，由中枢与支路代谢途径和运输步骤组成的代谢网络将有助于了解微生物的生长繁殖和代谢产物合成的规律。第3章是在前一章的基础上论述微生物的代谢协调方式，了解通过哪些方式来控制酶活及酶的合成，并通过实例来阐明如何运用推理筛选与基因工程等手段打破或避开微生物的固有代谢调节机制，过量生产所需代谢产物。对近年来兴起的代谢工程的一些基本概念，代谢流（物流、信息流）分析，代谢控制分析，对基因操纵目标的分析与代谢设计均作了详细介绍。第4章，次级代谢产物的合成与调节着重研讨抗生素的生物合成机制与调节对抗生素工业生产的指导意义；微生物的表达调控技术在提高生产性能上的应用。第5章以较大篇幅阐述发酵过程技术原理、动力学、影响产物合成的各种因素，论述如何实现发酵过程的优化控制，并介绍基因工程产物的研究开发动向。第6章介绍表征发酵进程生理状态的各种参数的监测，各种参数间的相互关系及其与产物合成的关系，介绍用于控制的生物过程建模，发酵过程的估算技术与控制策略，用于发酵诊断和控制的数据分析。
本书综合收集整理了国内外大多数学者与专家在代谢调控与发酵控制方面的观点和经验，材料内容较为新颖，可反映出发酵调控学的最新水平，且理论与工业生产实践密切结合。
本书的基础理论部分引用的一些经典著作，主要有Rehm H J等nd主编的“Biotechnology”2 ed.Vol.1“Biological Fundamentals”和Vol.3“Bioprocessing”；Stouthamer A H编的“Quantitative Aspects of Growth and Metabolisms of Microorganisms”；Betina V编的“Bioactive Secondary Metabolites of Microorganisms”；Fiechter A主编的“Adv.in Biochem.Eng./Biotechnol.Vol.51”；Mandelstam J等编的“Biochemistry of Bacterial Growth”；Vining L C编的“Biochemistry and Genetic Regulation of Commercial Important Antibiotics”；Rose A H编的“Secondary Products of Metabolism”；李友荣，马辉文编的《发酵生理学》；Fiechter A编的“Modern Biochemical Engineering”；Bu Lock J D等编的“Basic Biotechnology”；Stanbury P F等编的“Principles of Fermentation Tech nology”；俞俊棠，唐孝宣主编的《生物工艺学》，上册；Yoshida T，Shioya S编的“Proceeding of the th7 International Conference on Computer Application in Biotechnology”。
本书的编撰获得焦瑞身研究员的鼓励和帮助，并且得到上海市研究生教育课程改革与教材建设委员会及本校的关心与资助，生物工程学院与生化工程系的领导对本书的申请和编写给予支持和协助，化学工业出版社对本书的出版做了不懈的努力，赵玉清编辑对书稿作了精心的审阅修改，特此表示由衷的感谢。尽管我们对本书作了多次校对，但错漏在所难免，欢迎专家与读者批评指正。编者 于华东理工大学2001年8月第二版前言
发酵调控学是生物工程中的重要研究方向，是进行过程优化的基础。只有充分了解与深入研究微生物的内部代谢调节规律，掌握微生物生理和代谢的协调，才能打破其固有的遗传守恒，充分表达其潜在的遗传型。世界上借助细胞培养的产品已占生物技术的40％以上，达数百亿元的产值。要提高生产水平，无不涉及细胞代谢及其调控的研究。由此生产的抗生素、氨基酸、维生素等在整个医药产品中占很大比例。目前大量生物技术已从实验室成果走向产业化，特别是基因工程药物、疫苗、单克隆抗体等现代生物技术产品已进入商品化阶段，成为国民经济重要的支柱产业。
发酵实际上是各种生化反应的综合过程，只要某一条件成为限制因素，就会对最终生产产生影响。如何发现和控制这些限制因素就成为重要的研究课题。发酵过程控制除了要详细了解对象的动态生物特性，对与生产有关的代谢网络作定量分析，还要有工程学的概念与技巧，才能驾驭研究和生产的对象。发酵过程调控应与计算机在线传感监控手段相结合，才能实现过程优化。
本书的特色是以工业发酵过程的调控为主线，运用微生物的生理生化和分子生物学的知识来阐述微生物的代谢调节与发酵规律，并应用工程化的概念去实现生物过程研究成果的产业化。整个教材内容贯穿怎样才能充分表达菌种的生产潜力及如何运用发酵调控的理论和手段来分析和解决发酵研究及生产中遇到的实际问题。
本书旨在让读者系统了解与发酵有关的微生物生理生化、代谢网络、产物合成与调控、代谢工程技术原理及微生物的代谢规律和发酵调控的基本知识；从分子、细胞和工艺工程水平去探讨微生物产物合成与调节的内在机制及外在环境条件的优化、控制；重点介绍典型代谢产物的生产与调节，从物料或能量流的变化去发现其中的代谢本质，判断发酵进程的各种参数变化规律，分析各参数与产物合成之间的关系，并介绍了计算机在发酵工程中的应用及放大策略。
发酵调控学是我校生物化工及发酵工程两个硕士点的学位课程，自开课十几年来，曾采用《发酵生理学》及一些参考文献作教材。通过新老教师的共同努力，已出版了相应的教材《现代工业发酵调控学》，并获2002年第六届石油和化学工业优秀教材二等奖。教学方式也进行了摸索，取得了较好课堂效果，获2002年度研究生课堂教学一等奖。
本书初版自2002年问世以来，一直受到有关读者的欢迎与关注，多次印刷。在这几年里发酵调控学的内涵又有了新的发展，如组合生物化学，代谢系统工程方法在发酵工程上的应用；生物信息，包括基因组学，代谢物组学，蛋白组学，相互作用组学等各种组学技术在工业微生物技术中的应用，运用多尺度（水平）及系统生物学的理论来全局性地优化微生物发酵过程。为了跟上现代发酵技术的发展步伐，第二版经多次修改，删除了一些过时的内容，补充了国内外有关文献的最新内容及科研生产方面的新进展和本校科研的最新成果，并被教育部学位管理与研究生教育司推荐为研究生教学用书。书中的重点概念均用黑体标注，并在每一章的后面列出相应的参考文献和复习思考题。
尽管编者与出版社编辑对再版作了很大的努力，以尽量满足有关读者的需求，但难免有错误与遗漏之处，欢迎有关专家与读者批评指正。编者于华东理工大学2006年5月1 微生物生长与调节1.1 微生物的生长
活细胞的最基本的生命特征是生长和繁殖。对生长的定义不同学科的学者有不同的见解。细胞生物学家关注单细胞的形态变化，特别是细胞的分裂方式；而生化学者对成千个与生长有关的酶反应、动力学及代谢途径感兴趣，认为生长是所有化学成分有秩序地相互作用的结果。生物物理学者则认为，细胞是热力学不平衡的开放系统，与其周围环境进行物质与能量的交流，特别表现在熵的溢流上。生化工程师把生长看作是生物催化剂数量的增长，通常以质量和细胞数目的增长来表达细胞的生长。分化（differentiation）则是生物的细胞形态和功能向不同的方向发展，由一般变为特殊的现象。
为了控制菌体的生长，需要了解生长的方式，细胞分裂和调节的规律，测量微生物生长的各种办法，微生物生长繁殖的形式与工业生产的关系，环境变化对微生物生长的影响。在此基础上设计合理的培养基配方和工艺条件。有许多迹象表明，微生物的分化和产孢子的过程与次级代谢产物的合成有某种联系。因此，研究微生物的生长分化规律无疑是发酵调控原理的一个重要组成部分。1.1.1 生长的形式
为了测量微生物的生长，需研究不同类别微生物的生长性质，确立其生长测定的若干原理。研究的对象将主要放在工业生产菌种上，着重研究其遗传背景、复制的机制和生长的形式。1.1.1.1 细菌的生长
细菌属于原核生物。其代谢方式尽管各式各样，但都有相似的细胞结构和繁殖机制。根据革兰氏染色的不同，可分为革兰氏阳性和阴性细菌，前者的细胞壁的主要组成是含有30分子层的多糖胞壁质；后者的细胞壁主要是由单层的多糖胞壁质，以及脂多糖和脂蛋白组成。原核生物没有核膜和细胞器。
细菌是通过一分为二的裂殖过程繁殖的。新生的两个细胞具有相同的形态和组成，其细胞组分、蛋白质、RNA和基因组是一样的。细胞的分裂，如图1-1所示，是由细胞壁的向内生长启动的，最终形成一横断间隔，继而间隔分裂，形成两个相同的子细胞。每个子细胞均保留亲代细胞壁的一半。这两种菌的细胞壁合成方式不同，阳性菌是沿着中纬带，而阴性菌是沿着整个细胞壁，以居间并生方式合成的。图1-1 粪链球菌细胞壁生长模式
细菌的菌龄一般以培养时间表示，但实际上其真实菌龄应以繁殖的代数表示。细菌的个体很小，一般为1μm左右。它们以单个、成双、呈链或簇状存在，有些带鞭毛，能运动，有些能形成芽孢。典型细菌3-12的湿重为1.05～1.1g/cm，单个细胞的干重约为10g，其密度为31.25g/cm。有些细菌（如大肠杆菌）的倍增时间在最佳生长条件下为15～20min，在一般情况下为45～60min。细菌的大小随生长速率而异（见1.2.4节）。细菌在双碟上的菌落形态具有种的特异性。1.1.1.2 酵母的生长
酵母属于真核生物，它不形成分生孢子或气生菌丝。在其生长周期中部分时间以单细胞形式存在。其常见的生长方式是出芽繁殖，酵母细胞的体积起初逐渐增大，到一定程度便开始出芽。在芽成长期间母细胞加上子芽的体积几乎维持不变，芽长大的同时母细胞缩小，如图1-2所示。图1-2 萌芽酵母形态示意图B—萌发中的芽；BS—芽痕；CW—细胞壁；ER—内质网；L—脂质球；M—线粒体；MT—纺锤器微管；N—核；NE—核外膜；SPB—中心粒；V—泡囊；V—液泡ac
在子细胞与母细胞间形成横隔后，子细胞脱离。新生的子细胞比其母细胞小些，生长速率快些，最终长成跟母细胞一样。子细胞脱离后在母细胞表面留下一个芽痕。按其出现的位置可将酵母芽殖方式分为两类：一类是两极性，母细胞轮番在其两端同一位置上萌芽；另一类是多极性的，母细胞萌芽每次出现在不同的位置上，如酿酒酵母。从芽痕的数目有可能确定酵母的菌龄。如子细胞不与母细胞脱离，便形成链状，称为假菌丝，见图1-3。酵母细胞大小取决于其生长速率，其倍增时间愈短，细胞愈大。图1-3 热带假丝酵母1—营养体；2—假菌丝
Yoda等对酵母的泡囊运输与高尔基体作过一篇较全面的综述［1］
。酵母细胞构建了一种复杂的胞内膜系统，把细胞分隔成几个能就地进行高效生化反应的间室。它们也建立了输送适当材料到各间室中去的系统。泡囊运输是一种连接细胞中大多数主要细胞器的投递系统。高尔基体占据了内质网与核内体（endosome）/液泡、质膜之间的交通中心位置。投递是通过材料的成熟与分拣过程。他们通过研究高尔基体，鉴别了泡囊运输的每一种特性。现已能充分地从分子水平解释如何借材料的分拣，给体萌芽，拴接，入坞与融合到目标处来进行运输。泡囊的生成、消耗的循环过程见图1-4。图1-4 酵母的分泌途径
待分泌的蛋白质从内质网被集中于罩上外衣的COPⅡ泡囊，然后输送到早期高尔基体间室，在那里被修饰，分类和输送到其最终目的地。可溶性蛋白与膜蛋白通过其固有的固位机制维持其适当的定位作用。这类固位机制部分涉及蛋白质-蛋白质的相互作用与逆行输送到罩上外衣的COPⅠ泡囊处。1.1.1.3 菌丝的生长
霉菌和放线菌均为丝状微生物。其生长方式是孢子发芽，长出芽管，形成菌丝（hyphae），末梢伸长、分枝（图1-5）和交错成网（图1-6），称为菌丝体（mycelium）。早期的生长靠孢子固有的养分，长成一定长度其横切面有间隔膜的菌丝后，靠吸收培养基中的养分生长。真菌属真核生物，为多细胞，且每个细胞含有多个细胞核和各种细胞器。细胞一旦形成后便保持其完整性，且其菌龄与相邻细胞的不同，越靠近末梢的菌丝越年轻。放线菌、链霉菌和诺卡氏菌属均属于放线菌，为原核生物，革兰氏染色呈阳性。它们无核膜和细胞器，其菌丝直径（约1μm）比霉菌（2～10μm）细，易折断。许多真菌能形成孢子，称为分生孢子。图1-5 一种无孔间隔真菌的生长方式（a）预端细胞充满细胞质；（b）顶端伸长；（c）核分裂；（d）形成间隙；（e）细胞质流向新形成的分枝图1-6 产黄青霉的菌丝团形成与解体变化过程（a）～（c）：菌丝生长成团；（d）～（f）：菌丝球破裂自溶
图1-6显示产黄青霉菌丝团形成与解体过程的形态变化。菌丝团（球）生长的密实程度受培养条件（如搅拌、供氧和温度）的影响，特别与碳源的性质有关。已知使产黄青霉生长过程中菌丝团变得密实的条件有：过程添加易利用的碳源，如葡萄糖；搅拌加快；供氧改善。反之，用乳糖、搅拌缓慢或供氧跟不上，则菌丝团变得疏松。如溶氧低于某一临界值，菌丝则不成菌丝团，结果发酵液的黏度增加，搅拌效果差，溶氧更低，导致菌的生长和产物的合成受到严重的影响。因此，控制球状产黄青霉的生长状况成为青霉素高产的关键之一。
菌丝长度受遗传控制并与生长环境有关。在沉没培养时以分散的菌丝体或菌丝团（球）形式存在。环境对菌丝生长的形式有很大影响，如在深层培养时易受搅拌器的剪切作用，反过来，菌丝生长的形式亦会影响菌丝团内部的理化环境。菌丝团内细胞所处的环境与菌丝团外部或分散生长的细胞所处的不同，如图1-7所示，菌丝团内部的营养物质与代谢产物的分布是不均匀的。由于分解代谢和扩散阻力，越靠近菌丝团中心，养分浓度越低。菌丝团大而紧会因内部缺氧和养分而自溶。此外，菌丝团内部代谢产物的积累会使菌的生长处于不利的环境中。图1-7 菌丝团中养分与产物浓度的分布a—产物在菌丝球内合成；b—菌丝球中心的细胞缺氧或已失活1.1.1.4 细胞群体的生长
细菌借二等分分裂繁殖，但两个子细胞可能以不同的生长速率生长，其分裂也不一定同步。因此，在一正在生长的群体中存在范围广的不同世代时间（generation time），故群体的“倍增时间”（doubling time）这一术语通常是指测量的时间，而不是平均世代时间。尽管个体世代时间有不同，一般，只要外界环境无太大变化，细胞群体以相对恒定的倍增时间增殖。因此，细胞群体（数目N）经培2养一代时间（t），便产生2N个子细胞，再过一代便得2N个子细d胞。这一进程可用指数系列表示：01234n2N→2N→2N→2N→2N→2N000000
式中，N为初始群体数目；n是经时间（t）的培养物倍增的次数。0
由此可得：n=t/t。d因此，在n次倍增后细胞的数目（N）与初始细胞数目的关系可用式t（1-1）表达： （1-1） 以对数方式表示，得：故以细胞数目的对数与培养时间作曲线可得一直线，其斜率为0.693/t。d
另一种表示生长速率的方法是，假定在任何时间（t）与细胞数目的增长速率（dN/dt）正比于已经存在的总细胞数目，则得： （1-2） -1
式中，μ是一常数，一般称为比生长速率，h。
式（1-2）经积分得：由此，可确立比生长速率与倍增时间之间的关系。对应倍增时间t=t，dN=2N的培养物：t0 （1-3） 由于生物量（biomass）的测定一般比细胞数目的测量要准确，基本的生长方程式通常用质量而不是数量来表达。常规表示菌浓和比生长速率分别用x和μ表示（）。
比生长速率μ受环境条件的影响很大。在自然界生态系统中微生物的比生长速率的变化很大，而在实验室，可以控制培养物的比生长速率长时间不变。1.1.1.5 细菌群体的生长周期
将少量细菌接种到适当的培养基中，一般不会立即开始生长，存在一可变的停滞期（lagphase）。一旦生长开始，便很快（常少于10次倍增时间）进入对数或指数生长期（logarithmic or exponential phase）。然后，生长中止或达到一种动态的平衡，于是培养物便进入所谓静止期（stationary phase），这以后细胞逐渐死亡和自溶。故细菌的生长周期一般可分为停滞期、指数生长期和静止期。（1）停滞期 刚接种后的培养物，如原来已进入静止期，便需要有一段较长的适应时间生长才能恢复，因在静止期细胞的化学成分曾发生显著的变化（后面还会详细介绍）。如接种的种子仍处在指数生长期，停滞期一般会短许多，甚至无。若细胞接种到和原来的成分大不相同的培养基中，即使原来生长旺盛的细胞，其停滞期也会延长。有许多因素是通过阻碍细胞的适应和（或）生长过程来使停滞期延长的。尤其是小接种量的培养物比大接种量的培养物对这些因素更为敏感。例如，某些固氮菌在固定氮时对氧非常敏感。接种量小的培养物在新鲜氧饱和的培养基中无法固定氮而不能生长，而接种量大的培养物很快将培养基中的氧消耗到不至于阻碍氮的固定，故生长可以继续。同样，即使是异养菌，对CO也有一定的需求，一般分解代谢生2成的CO完全能满足其自身的需求。然而，接种量过小而前期又剧烈2通气搅拌和pH小于7的情况下，需CO的反应受阻，从而影响生长。2在这种情况下添加低浓度的TCA循环中间体，如延胡索酸、琥珀酸或苹果酸可能会“点燃”生长。
通常，从不太能满足需求的培养基移种到较能满足需求的培养基，其停滞期缩短；相反，如培养物从丰富培养基移种到贫乏培养基，停滞期一般会延长。这是由于受丰富培养基组分阻遏的生物合成必须重新启动后生长才能恢复。但这种情况对自养菌不适用，因复合有机养分的存在会抑制其生长。（2）指数（对数）生长期 停滞期可看作是代谢调整阶段，不久便会进入细胞高分子组分的平衡合成（即生长）和繁殖阶段。如前所述，比生长速率受环境条件，特别是培养基的丰富程度（主要是碳源）的影响。一般异养菌在含有复合有机成分，如氨基酸、嘌呤、嘧啶和维生素等的培养基中的生长比在简单的矿物盐培养基中要快。通常，在补充有碳源，特别是含葡萄糖的矿物盐培养基中的生长比其他碳源快些。
对兼性厌氧菌来说，有氧下的生长通常比无氧快些。这反映出在有氧条件下微生物合成ATP的效率更高。此外，生长在需要花费更多的能量来同化的基质，如硝酸盐，比花费能量少的，如氨，通常要慢些。温度、pH、渗透压等对生长的影响，请参阅1.1.3节。（3）静止期 一些必需养分随生长不断消失，终产物却以指数方式增长。待主要养分耗竭，生长也就中止。在含有有限的碳源的合成培养基中从指数生长期转到静止期是突然的，但对生长在复合培养基的培养物，其过渡时间较长，一些辅助的碳基质（主要是氨基酸）先后耗竭。“静止”并不是指所有的生化活动都停止。进入静止期确实常出现很大的代谢变化。对产芽孢的细菌，如枯草杆菌，某些养分的耗竭启动相继的形态变化，随后在母细胞内形成高度稳定的休眠芽孢。细胞在形成芽孢的过程中在代谢方面不是静止的，而是顺序合成许多酶和新化合物。
静止期的出现也不总是必需养分缺乏的缘故。生长通常伴随pH的改变，有时这一改变也会抑制细胞的进一步合成。即使生长在中性糖中和产生唯一的分解代谢终产物CO，也可能引起pH的显著移2+2+动。这可能是由于阳离子（、K和Mg）与阴离子（、）的吸收比例失调。例如，枯草杆菌可能含有占干物质12％的氮和5％的钾，而细胞的磷和硫含量分别为3.5％和0.5％ DCW（细胞+干重）。因此，被同化的、K与、的分子比为7，其电荷比为2.5。在革兰氏阴性细菌中也存在类似的不平衡，尽管细胞钾和磷的需求低许多。细胞生长在葡萄糖为唯一的碳源中会使培养液的pH不断下降，除非初始培养基加有强缓冲剂。相反，生长在乙酸盐、乳酸盐或琥珀酸盐中会使pH升高。这是由于阴离子的消耗比阳离子多所致，生长常由于pH的升高而停止。1.1.2 生长的测量
微生物的数量是微生物和其他生物过程的很重要的过程状态变量。要了解生物反应系统中生物催化剂的效率就离不开此状态参数。生物的代谢活动与菌的生长直接相关，为此，需要获得单位细胞量的养分消耗与产物形成的信息。菌量是可利用的生物催化剂的一种简单度量，它在生长速率与产物合成、得率系数以及比速率和物料衡算方面是一关键的参数。菌量的测定对次级代谢物的生产尤为重要，如所需产物为菌的代谢产物，便存在菌的生长、菌体浓度的优化控制问题。如生产菌的浓度（X）低，合成产物的数量P（=QX）不会多；菌生长过于旺盛，如X≫X（临界菌浓），则菌的比生产速率Q（表征菌的C生产能力）降低，产量P也不会高。故优化菌浓是工艺控制的一重要环节。那么，菌浓可用什么方法表示和测量？通常单细胞生物以细胞的个数或重量表示，菌丝体则以重量表示；也有用细胞的某一代表性组分（如核酸含量）或代谢活动（如呼吸的强弱）来表示。在含有非细胞性固体的培养液中难以用直接方法测量细胞的数目和干重。据此，有不少研究者在寻找一种能用于这种情况的准确有效的方法。这方面的进展，将使发酵工艺控制技术跃上一个台阶。无论用什么方法，在解释结果时应谨慎从事。在实际生产过程中可将菌浓的测量分为在线和离线两种。优化取样的时间很重要，可节省精力，以及获得更多的与生长有关的信息。Singh等对生物量测定作了较系统和全面的综述［2］
。1.1.2.1 细胞数目的测量
细胞数目的测量可采用以下几种方法，表1-1列举了它们依据的原理、优缺点和适用范围。表1-1 各种细胞数目的测量方法的比较（1）库尔特计数器 此装置的原理如图1-8所示，经稀释的培养物被置于含有电解质的容器内，里面放有一根管子，在管内与容器内各安上一电极，以形成一电位差。抽真空使预先定量的液体穿过小孔进入管内，每一个细胞通过小孔时电阻增加，电流下降。电流下降的幅度与细胞体积成正比。采用一种脉冲强度分析仪，便可测出细胞的总数和细胞大小分布状况。有各种孔径的库尔特计数器，孔径为30μm的一种适用于测量细菌，但小孔易被灰尘堵塞。该仪器可计数到每秒500个细胞，测量一个样品仅需几秒钟，每小时可自动处理40个样品，效率是人工的50倍。图1-8 库尔特计数器示意图（2）流动式细胞光度计 这是一种把细胞分析与分拣结合在一起的仪器，如图1-9所示。图1-9 流动式细胞光度计示意图
培养物在液流中被稀释，细胞被轴向地分开，当流动的细胞遇到激光光束时反射回的散射光可用于计数。如激光波长选择在会使细胞发出荧光的波段中，这种荧光能反映出细胞的若干特性，从而可以分析细胞中的核酸、染色蛋白质或荧光抗体等物质的含量。此仪器还具有收集特殊细胞群体的功能。细胞分拣是让含有所需细胞的液滴带上电荷进行的。通过细胞的荧光信号可辨别所需的细胞。当液滴经过带有电荷的偏转板装置时，所需的细胞液滴因带电荷而偏转向一收集器。用此装置可计数、分析和收集大量特殊细胞，每秒可达3000个。此技术的关键在于能否使所需细胞带上能检出荧光或光散射标记，在筛选大量基因工程菌和产生单克隆抗体的杂交瘤细胞方面日益显示其重要性。
Katsuragi等对流动式细胞光度计的应用作了一篇较全面的综述［3］
，特别是在细胞分拣方面可用于测量细胞的组分、肽和核苷酸的序列、细胞功能与酶的活性。1.1.2.2 细胞量的测量
以细胞量来表征生长情况虽然有不足之处，但在工艺控制和工程上仍不失为一种切实可行的手段。在工艺控制上菌（体）浓（度）是一个重要的状态参数，菌浓的失控将严重影响产物的合成。然而，工业发酵多数用含大量难溶的固体复合培养基，给菌量的测定带来很大的困难。由于菌浓对工艺控制的重要性，各国研究人员想了许多办法，尤其希望能在线获得有关生长方面的信息，便于加强工艺控制。在工程方面如不能确定研究对象在过程中的数量变化，就难以有针对性地设计更为先进高效的反应器。一些间接参数，如呼吸强度、比生长速率、生产强度（比生产速率）和比基质消耗速率均需知道菌浓才能求得。
菌浓的测量先要将菌体从发酵液中分离出来。一般采用离心或过滤方法。前者的缺点是洗涤不方便，操作时间较长，离心过程中菌仍在活动，使菌量变化，细胞干燥后误差较大；后者所需的样品量少，易洗涤，时间短，但需防止细胞的流失，不适用于黏稠的样品。其他一些方法的优缺点以及适用范围见表1-2。表1-2 测量菌浓的几种可行方法①如离心后细胞与非细胞固形物有明显界限，可测量细胞所占体积，取一定量的湿细胞，烘干，称重，计算其含水量，便可求得较准确菌浓。例如，将5.0mL湿细胞烘干后，细胞干物质占湿菌的20％，密度约为1.0g/mL，则菌浓=压缩细胞体积/5（g/L）。
成像分析（image analysis）法对于微生物的分类和菌量的估算是一种有用的手段。发酵液的样品用显微镜放大约10倍，图像通过一成像分析软件，用计算机处理，以求得菌的分类与计量。但这种方法仍需若干试探性调整，以调节其临界值和排除干扰。
Krairak等采用成像分析来精确测量生产黄色色素的单孢菌属菌团［4］的重量。其分析方法扼要介绍如下：稀释培养液样品，借沉降作用分成菌丝体与菌团两个部分。将含菌团的双碟置于日光反射镜下。经校准后用CCD照相机（Teleris2-KAF1400-3）摄下整个样品的反射镜映象，照相机配有Nikon镜头（AF Micro Nikkor 60mm，1:2.8）。影像用一计算机的共享图像加工与分析程序NIH成像进行分析。用一图形分辨率为1024×1024像素和12位的灰度值来记录图像。经遮蔽和校准目标与背景分离后，通过应用一阈值可以获得一种二进制映象。经二进制映象分析后记录目标区域及最大灰度值与平均灰度值。按下式［5］计算生物量与菌团部分的生物量。据报道，目标的灰度值代表其密度，可以回溯到一三维的形态结构。用Lambert与Beer定律模拟，计算生物量（M），如下： （1-5） 2
式中，A、c、d、G、G与k分别为目标面积（cm）、浓度0（mg/L）、三维扩展（cm）、最大灰度值、平均灰度值及比例因子［（L/mg）/cm］。
菌浓也可以间接测量，其准确度受多方面的影响，已少用。有兴趣的读者可参阅本书第二版的第9～12页。1.1.2.3 生物量的在线测量
近年来，在实验室与工业规模的生物过程中优化控制方法有了长［6］足的进步，见表1-3。在使用现代技术来优化生物过程方面虽然遇到一些困难，但这些方法在实时分析、提高现有的工艺水平上具有明显的优势。表1-3 生物量的在线测量方法
在许多测量菌量的方法中理想的办法是直接监测生物反应器内的生物催化剂，这是控制工业发酵的现有重要参数之一。电子传感器能传送代谢速率或生物量的低阻抗模拟或数字信号，但在使用这些现代技术时会遇到一些困难。（1）微量热法 发酵产生的热量同生长与产物形成有化学计量关系，可利用来间接估算生物量。在发酵过程中热的输入与输出具有式（1-6）的关系：Q=Q+Q-Q-Q-Q-Q （1-6）accfagescondcool
式中，Q为热的积累；热的输入项Q、Q分别为发酵热和搅accfag拌热；输出项Q、Q分别为蒸发损失和空气中显热损失；Q为导escond热损失［=（T-T）uA］；Q为冷却系统的热损失（=WCΔT）。0fcoolp
有两种方法可以从式（1-6）求得发酵热：
第一种是稳态热平衡法，在热的累积Q=0时：accQ=Q+Q+Q+Q-Q （1-7）fcondcoolesag代入各项的热等式得：nQ=WCΔT+（T-T）uA+FCΔT+FHλ-KN （1-8）fp0fp，airair
式中，W是冷却水流速；C是冷却水比热容；ΔT是冷却水的温p差；u是总的传热系数；A是发酵罐的导热面积；T和T为罐内与罐外0f温度；F是气体流速；C是空气热容量；ΔT是气体流经发酵罐p，airair的温差；H是在温度T下空气中饱和水蒸气的含量；λ是蒸发汽化热；fK是把搅拌热与N（搅拌转速）的n次关联起来的比例常数。
显热损失通常比Q小得多，可忽略。如用水将输入空气在T下饱ff和，则蒸发热也可忽略。也可用干湿球温度计测量进出口空气，求得nQ。搅拌热可用KN估算，其中K与n宜从经验中求得，n值一般为2e～3。
第二种测量发酵热的方法是动态法。在式（1-6）的Q=0时：coolQ=Q+Q+Q+Q-Q （1-9）facccondesagnQ=MCΔT/Δt+（T-T）uA+FCΔT+FHλ-KN （1-10）fp0fp，airair将冷却水关闭后，测量随时间而变化的温度（ΔT/Δt），按式（1-10）便可求得Q。以酿酒酵母为例，产热的速度与比生长速率成正比。每f[注]克细胞所产生的热量K=4.4kcal。其热得率（每克细胞产生的热）取决于基质利用效率（g细胞/g基质），细胞得率随时间变化，热得率K也在变。从图1-10可见，当细胞得率处于同一值时（如0.5），基质的氧化状态越低，热得率就越高，即甲烷>十六烷>乙醇>甲醇>葡萄糖。图1-10 酵母细胞热得率与细胞得率的关系1—葡萄糖；2—甲醇；3—乙醇；4—十六烷；5—甲烷
新生霉素发酵前期（0～38h）热量的产生与菌的生长关系对应得很好。但在生产期热量继续以0.095（kcal/g）/h的速率产生，而此
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]