8 生物反应工程领域的拓展 教学基本内容： 介绍质粒复制与表达的动力学；超临界相态下的生物反应；菌体形态在发酵 液中的变化；界面微生物生长模型。 8.1 质粒复制与表达的动力学 8.2 超临界相态下的生物反应 8.3 菌体形态在发酵液中的变化 8.4 界面微生物生长模型 授课重点： 1. 质粒复制动力学以及基因表达动力学 2. 菌体形态对传质的影响 3. 界面微生物生长动力学模型 难点： 1. 质粒复制动力学模型的建立 2．界面微生物生长动力学模型的建立 本章主要教学要求： 1. 理解质粒复制动力学以及基因表达动力学。 2. 了解超临界相态下的生物反应 3. 理解菌体形态对传质的影响 4. 了解界面的概念 5. 理解界面微生物生长动力学
8 生物反应工程领域的拓展 教学基本内容： 介绍质粒复制与表达的动力学；超临界相态下的生物反应；菌体形态在发酵 液中的变化；界面微生物生长模型。 8.1 质粒复制与表达的动力学 8.2 超临界相态下的生物反应 8.3 菌体形态在发酵液中的变化 8.4 界面微生物生长模型 授课重点： 1. 质粒复制动力学以及基因表达动力学 2. 菌体形态对传质的影响 3. 界面微生物生长动力学模型 难点： 1. 质粒复制动力学模型的建立 2．界面微生物生长动力学模型的建立 本章主要教学要求： 1. 理解质粒复制动力学以及基因表达动力学。 2. 了解超临界相态下的生物反应 3. 理解菌体形态对传质的影响 4. 了解界面的概念 5. 理解界面微生物生长动力学
8 生物反应工程领域的拓展 1980 年前后，生物工业的核心是微生物发酵工业，此时的生物化学工程领 域更多地开展微生物培养工学方面的研究。由于 1972 年重组 DNA 技术的出现， 1985 年 PCR 技术的开发成功，极大地拓宽了生物反应工程所涉及的的领域。与 此同时。人们对极端条件下微生物活性的变化以及微生物形态变化等方面，给予 了更多的关注。拓宽了生物反应工程领域。 8.1 质粒复制与表达的动力学 利用 DNA 重组技术提高微生物生产有用物质能力已取得可喜的成果。为进行 工程菌株发酵过程中的优化控制，有必要研究目的产物的产率与质粒的基因结 构、基因数量，宿主的遗传特性及发酵过程中操作条件等之间定性与定量的关系。 当基因的表达仅取决于微生物细胞所含基因数量时，工程菌细胞中所含质粒的稳 定性及其复制与表达能力成为至关重要的因素。由于质粒的复制数对于提高工程 菌株的生产能力是重要的决定因素，因此，下面简要介绍质粒复制与表达的动力 学模型。 8.1.1 λdv 质粒的概述 λdv 质粒是从λ噬菌体中分离得到的小突变体，分子量为 4.7×166，约为λ噬 菌体的十分之一。λdv 质粒的“核心区域”由自身控制区域和启始复制区域两 部分构成。前者包括启动子基因、操作子基因、自身阻遇物基因和终止物基因； 后者含有复制起源基因和初始物基因两部分。 质粒复制子的基因结构（Matsebara,Mukai 1975） λdv 基因群是在 PROR的支配下进行表达，I 与 Pr 的复合体 IPr 和活性 ori 的相互结合控制着基因组的复制，而 cro 阻遏蛋白积聚起来会抑制自身操纵子的 转录，最终是作为自身阻遏物而起作用。 8.1.2 动力学模型的几点假设 1、λdv 质粒是由 PRORP 基因构成的一单体形式； 2、由于 I 蛋白质不稳定，其作为限制性初始物而起作用；
8 生物反应工程领域的拓展 1980 年前后，生物工业的核心是微生物发酵工业，此时的生物化学工程领 域更多地开展微生物培养工学方面的研究。由于 1972 年重组 DNA 技术的出现， 1985 年 PCR 技术的开发成功，极大地拓宽了生物反应工程所涉及的的领域。与 此同时。人们对极端条件下微生物活性的变化以及微生物形态变化等方面，给予 了更多的关注。拓宽了生物反应工程领域。 8.1 质粒复制与表达的动力学 利用 DNA 重组技术提高微生物生产有用物质能力已取得可喜的成果。为进行 工程菌株发酵过程中的优化控制，有必要研究目的产物的产率与质粒的基因结 构、基因数量，宿主的遗传特性及发酵过程中操作条件等之间定性与定量的关系。 当基因的表达仅取决于微生物细胞所含基因数量时，工程菌细胞中所含质粒的稳 定性及其复制与表达能力成为至关重要的因素。由于质粒的复制数对于提高工程 菌株的生产能力是重要的决定因素，因此，下面简要介绍质粒复制与表达的动力 学模型。 8.1.1 λdv 质粒的概述 λdv 质粒是从λ噬菌体中分离得到的小突变体，分子量为 4.7×166，约为λ噬 菌体的十分之一。λdv 质粒的“核心区域”由自身控制区域和启始复制区域两 部分构成。前者包括启动子基因、操作子基因、自身阻遇物基因和终止物基因； 后者含有复制起源基因和初始物基因两部分。 质粒复制子的基因结构（Matsebara,Mukai 1975） λdv 基因群是在 PROR的支配下进行表达，I 与 Pr 的复合体 IPr 和活性 ori 的相互结合控制着基因组的复制，而 cro 阻遏蛋白积聚起来会抑制自身操纵子的 转录，最终是作为自身阻遏物而起作用。 8.1.2 动力学模型的几点假设 1、λdv 质粒是由 PRORP 基因构成的一单体形式； 2、由于 I 蛋白质不稳定，其作为限制性初始物而起作用；
3、λdv 质粒是以随机模型的方式进行复制，这已由 DNA 密度沉降实验所证实； 4、复制起源点由于转录作用而活化，初始蛋白与活性化 ori 相结合形成一复合 体，为起始复制，复合体的活性要达到某一临界值； 5、细胞分裂时，质粒以均等方式进行分配； 6、宿主细胞的体积以指数形式增长，质粒对宿主细胞的生长无影响。 8.1.3 质粒复制动力学 λdv 质粒复制动力学方程式见表 8-1。动力学模型是以单细胞为基准，并假定 mRNA 与蛋白质的失活服从一级反应规律。 1. R 的合成 （8-1） （8-2） 2. I 的合成 （8-3） （8-4） 3. ori 的活性化 （8-5） 4. 复制体的形成 （8-6）
3、λdv 质粒是以随机模型的方式进行复制，这已由 DNA 密度沉降实验所证实； 4、复制起源点由于转录作用而活化，初始蛋白与活性化 ori 相结合形成一复合 体，为起始复制，复合体的活性要达到某一临界值； 5、细胞分裂时，质粒以均等方式进行分配； 6、宿主细胞的体积以指数形式增长，质粒对宿主细胞的生长无影响。 8.1.3 质粒复制动力学 λdv 质粒复制动力学方程式见表 8-1。动力学模型是以单细胞为基准，并假定 mRNA 与蛋白质的失活服从一级反应规律。 1. R 的合成 （8-1） （8-2） 2. I 的合成 （8-3） （8-4） 3. ori 的活性化 （8-5） 4. 复制体的形成 （8-6）
式中η称为转录效率。PROR处的转录效率是由 RNA 聚合酶与自身阻遏蛋白 R 相互 作用竞争性与 PROR结合所决定。由于启动子基因和操作子基因重合在一起，因此， R 与 OR1 和 0R2 两者或之一相结合都会抑制启动基因。由统计热力学理论，可求 得转录效率η为 （8-7） 式中， ； 为 R 的总浓度；Kl、 K2和 K3分别为 R 与 OR1、0R2 和 0R3 的结合常数，表示 R 与 OR1、0R2 和 0R3 的亲和 力。 （8-1）和（8-2）式为 R 的合成动力学方程，两方程右边第一项分别为 mRNA 与 R 的生物合成量；第二项分别为 mRNA 与 R 的失活量，第三项为由于宿主的生长 而导致 mRNA 与 R 的变化量。mRNA 与蛋白质在细胞内的浓度以单位体积细胞的摩 尔数来表达，并随细胞的增殖而下降，两者的活力随失活作用而下降。 在某一时刻 t，质粒 DNA 浓度［G］为 （8-8） 式中 G 为每一个细胞内的质粒分子数；V 为时间 t 时的细胞体积；NA为阿伏伽德 罗常数（ ）。 呈指数形式增殖的单一细胞每一世代中的体积变化可由下式来表示。 时, （8-9） 式中 V0为新生细胞的体积；τ为宿主的增倍时间。 在 tR1 处的转录终止效率 f 取值范围为 0 至 1。o 基因的转录速率与η、（1-f） 和 呈比例关系，I 蛋白的生物合成方程式如（8-3）和（8-4）式。 根据上述，通过启始复制领域的转录，使 ori 部位活性化，即由于 o 基因的转录 频率决定了复制起始领域的活性化，形成具有活性的
式中η称为转录效率。PROR处的转录效率是由 RNA 聚合酶与自身阻遏蛋白 R 相互 作用竞争性与 PROR结合所决定。由于启动子基因和操作子基因重合在一起，因此， R 与 OR1 和 0R2 两者或之一相结合都会抑制启动基因。由统计热力学理论，可求 得转录效率η为 （8-7） 式中， ； 为 R 的总浓度；Kl、 K2和 K3分别为 R 与 OR1、0R2 和 0R3 的结合常数，表示 R 与 OR1、0R2 和 0R3 的亲和 力。 （8-1）和（8-2）式为 R 的合成动力学方程，两方程右边第一项分别为 mRNA 与 R 的生物合成量；第二项分别为 mRNA 与 R 的失活量，第三项为由于宿主的生长 而导致 mRNA 与 R 的变化量。mRNA 与蛋白质在细胞内的浓度以单位体积细胞的摩 尔数来表达，并随细胞的增殖而下降，两者的活力随失活作用而下降。 在某一时刻 t，质粒 DNA 浓度［G］为 （8-8） 式中 G 为每一个细胞内的质粒分子数；V 为时间 t 时的细胞体积；NA为阿伏伽德 罗常数（ ）。 呈指数形式增殖的单一细胞每一世代中的体积变化可由下式来表示。 时, （8-9） 式中 V0为新生细胞的体积；τ为宿主的增倍时间。 在 tR1 处的转录终止效率 f 取值范围为 0 至 1。o 基因的转录速率与η、（1-f） 和 呈比例关系，I 蛋白的生物合成方程式如（8-3）和（8-4）式。 根据上述，通过启始复制领域的转录，使 ori 部位活性化，即由于 o 基因的转录 频率决定了复制起始领域的活性化，形成具有活性的
（8-10） 具有活性的 与非活性 的关系为 （8-11） 式中 为 ori 的总浓度。将（8-11）式代入（8-10）式，可得（8-5）式，在 （8-5）式中 （8-12） 由于λdv 质粒是以随机选择模型进行复制,一定时间间隔内,仅有一个质粒进行 复制。因此,由（8-8）式， 可表示为 （8-13） 根据前述，活性复制复合体 REP 的量取决于λdv 质粒起始复制的频率。REP 形成 的模式如下所示。 （8-14） （8-15） 式中：KA为 I 与 Pr 结合的平衡常数； KB为 ori*与 I·Pr 结合的平衡常数。 由 I、Pr 和 ori*的物量衡算 （8-16） （8-17）
（8-10） 具有活性的 与非活性 的关系为 （8-11） 式中 为 ori 的总浓度。将（8-11）式代入（8-10）式，可得（8-5）式，在 （8-5）式中 （8-12） 由于λdv 质粒是以随机选择模型进行复制,一定时间间隔内,仅有一个质粒进行 复制。因此,由（8-8）式， 可表示为 （8-13） 根据前述，活性复制复合体 REP 的量取决于λdv 质粒起始复制的频率。REP 形成 的模式如下所示。 （8-14） （8-15） 式中：KA为 I 与 Pr 结合的平衡常数； KB为 ori*与 I·Pr 结合的平衡常数。 由 I、Pr 和 ori*的物量衡算 （8-16） （8-17）
（8-18） 并假定 与 ，由（8-14）～（8-18）式可得 （8-6） 式中 K0为一常数， 当［REP］达到一临界值 时，质粒 DNA 开始复制。如果λdv 质粒 DNA 以大 肠杆菌染色体复制叉内新链的生物合成速率来复制的话，整个λdv 分子约在 0.05min 内完毕复制。因此，假定λdv 质粒的复制与菌体生长周期时间无关，一 旦开始复制，可在瞬间完成是合理的。若某一新生宿主细胞内质粒的分子数为 G(0)，到时间 t 时，宿主细胞内的质粒数为 （8-19） 式中 m 是一整数，表明从时间为 O 至 t 时新增加的质粒分子数。另外，由均等分 配模型，在 n 十 l 世代时每个子细胞的质粒数为 （8-20） 式中 INT( )表示取整数的意思，n 是世代数， 为倍增时间。式（8-20）给出解 上述微分方程组的一边界条件。另一初始条件为 G1(0)=1。 8.1.4 基因表达动力学 克隆基因的表达动力学方程是 （8-21） （8-22）
（8-18） 并假定 与 ，由（8-14）～（8-18）式可得 （8-6） 式中 K0为一常数， 当［REP］达到一临界值 时，质粒 DNA 开始复制。如果λdv 质粒 DNA 以大 肠杆菌染色体复制叉内新链的生物合成速率来复制的话，整个λdv 分子约在 0.05min 内完毕复制。因此，假定λdv 质粒的复制与菌体生长周期时间无关，一 旦开始复制，可在瞬间完成是合理的。若某一新生宿主细胞内质粒的分子数为 G(0)，到时间 t 时，宿主细胞内的质粒数为 （8-19） 式中 m 是一整数，表明从时间为 O 至 t 时新增加的质粒分子数。另外，由均等分 配模型，在 n 十 l 世代时每个子细胞的质粒数为 （8-20） 式中 INT( )表示取整数的意思，n 是世代数， 为倍增时间。式（8-20）给出解 上述微分方程组的一边界条件。另一初始条件为 G1(0)=1。 8.1.4 基因表达动力学 克隆基因的表达动力学方程是 （8-21） （8-22）
式中 P 表示目的产物, 为产物的失活常数。 为评价增殖速率对克隆基因表达的影响，就有必要讨论宿主的增殖速率与上述方 程中某些参数间的定量关系。当然，这种定量关系还受到宿主细胞活力与环境条 件所影响。总转录速率常数 与翻译速率常数 可由以下两式所决定。 （8-23） （8-24） 式中， 与 为换算因子；Kme与 Kpe分别为单位活性 RNA 聚合酶的 mRNA 链与单 位活性核糖体多肽的“延伸”速率；Np与 Nr分别为单位 DHA 模板上活性 RNA 聚合 酶和单位 mRMA 转录子上活性核糖体的分子数。 利用转录子的尺寸去除转录中 RNA 聚合酶分子之间平均距离 dp与翻译中核糖体 之间的平均距离 dr可得到 Np与 Nr。dp和 dr与μ之间的关系式（8-17）和（8-18）。 （8-25） （8-26） 根据上述，当取τ=l 时 （8-27） （8-28） 由于细胞内各种成分的浓度取决于细胞的体积、细胞的增殖速率等，因此，每一 新生菌体细胞的体积 V0为 （8-29） 式中，Vi是宿主细胞的体积，一般取值为 0.35～0.78μm；C 为染色体的复制时 间，D 为染色体复制终止至细胞分裂完成为止这一段间，一般取值为 42～78min
式中 P 表示目的产物, 为产物的失活常数。 为评价增殖速率对克隆基因表达的影响，就有必要讨论宿主的增殖速率与上述方 程中某些参数间的定量关系。当然，这种定量关系还受到宿主细胞活力与环境条 件所影响。总转录速率常数 与翻译速率常数 可由以下两式所决定。 （8-23） （8-24） 式中， 与 为换算因子；Kme与 Kpe分别为单位活性 RNA 聚合酶的 mRNA 链与单 位活性核糖体多肽的“延伸”速率；Np与 Nr分别为单位 DHA 模板上活性 RNA 聚合 酶和单位 mRMA 转录子上活性核糖体的分子数。 利用转录子的尺寸去除转录中 RNA 聚合酶分子之间平均距离 dp与翻译中核糖体 之间的平均距离 dr可得到 Np与 Nr。dp和 dr与μ之间的关系式（8-17）和（8-18）。 （8-25） （8-26） 根据上述，当取τ=l 时 （8-27） （8-28） 由于细胞内各种成分的浓度取决于细胞的体积、细胞的增殖速率等，因此，每一 新生菌体细胞的体积 V0为 （8-29） 式中，Vi是宿主细胞的体积，一般取值为 0.35～0.78μm；C 为染色体的复制时 间，D 为染色体复制终止至细胞分裂完成为止这一段间，一般取值为 42～78min
以上是以细胞内质粒的复制与表达能力为讨论对象，其模拟结果能否与实际 反应器内的表征数据相一致，还有待于研究。这是由于，从反应器内测得的某一 种物质的浓度，除受到细胞内外各种物质的影响外，更主要的还受到细胞膜、细 胞壁与反应液中传质的影响。特别是如何从系统生物学的角度探讨生物反应将是 非常有意义的工作。 8.2 超临界相态下的生物反应 8.2.1 超临界二氧化碳的特点 超临界流体（SCF）是指那些在临界温度和临界压力以上以流体存在的物 质。其超临界点是气液共存曲线的交点。 CO2流体的超临界温度在 31.1℃，超临界压力在 7.38MPa 以下，属于较 低温度和压力的超临界流体。超临界二氧化碳（SC-CO2）以其无毒，不燃，价格 低廉等优点被人们广泛应用于超临界化学反应、超临界萃取、超临界反应等领域。 SC-CO2还具有优良的溶解度特性。常规条件下一些难溶解的物质，在超临界相态 下具有较大的溶解度。 8.2.2 SC-CO2中酶的催化反应 高压下，二氧化碳分子会大量溶解于酶周围的水膜中，使局部 pH 值降 低，因此一些酶的活力会有部分的下降。此外，二氧化碳分子还能与蛋白质表面 的氨基发生反应，改变酶的活性。 8.2.3 微生物在 SC-CO2中的活性变化 SC-CO2对微生物菌体的影响有：1、CO2作为细胞的一种“麻醉剂”进入 细胞膜，导致细胞膜磷脂双分子层中的疏水端区域结构改变、临界宽度变宽。2、 CO2通过膜的渗透作用进入细胞质，导致细胞质的 pH 值变化，同时 CO2与细胞质 内的酶蛋白结合也会使酶的催化活性降低。3、高浓度 CO2改变菌体内酶的催化 反应速率，导致某种代谢终产物或代谢中间产物的大量积累。 8.3 丝状真菌发酵过程中菌体形态变化 对于微生物发酵与菌体形态变化之关系，随着计算机技术的发展，给人 们提供了新的认识空间。特别是菌体形态与相关影响因素、操作方式的相互关系， 形态动力学研究以及与形态相关基因方面的工作，丰富了相关发酵过程理论。 8．3．1 菌体形态的量化描述 采用计算机图象识别方法研究微生物形态，需对菌体形态进行量化描述。 由固定在显微镜上的 CCD 摄象机采集到的一幅微生物形态图象，虽然可以采用手 工测量的方法从照片上获得一定信息，但非常费时，而且不够准确。为从这幅图 像中获得尽可能多的信息，就有必要确定一定形态参数来描述菌体形态特征。进
以上是以细胞内质粒的复制与表达能力为讨论对象，其模拟结果能否与实际 反应器内的表征数据相一致，还有待于研究。这是由于，从反应器内测得的某一 种物质的浓度，除受到细胞内外各种物质的影响外，更主要的还受到细胞膜、细 胞壁与反应液中传质的影响。特别是如何从系统生物学的角度探讨生物反应将是 非常有意义的工作。 8.2 超临界相态下的生物反应 8.2.1 超临界二氧化碳的特点 超临界流体（SCF）是指那些在临界温度和临界压力以上以流体存在的物 质。其超临界点是气液共存曲线的交点。 CO2流体的超临界温度在 31.1℃，超临界压力在 7.38MPa 以下，属于较 低温度和压力的超临界流体。超临界二氧化碳（SC-CO2）以其无毒，不燃，价格 低廉等优点被人们广泛应用于超临界化学反应、超临界萃取、超临界反应等领域。 SC-CO2还具有优良的溶解度特性。常规条件下一些难溶解的物质，在超临界相态 下具有较大的溶解度。 8.2.2 SC-CO2中酶的催化反应 高压下，二氧化碳分子会大量溶解于酶周围的水膜中，使局部 pH 值降 低，因此一些酶的活力会有部分的下降。此外，二氧化碳分子还能与蛋白质表面 的氨基发生反应，改变酶的活性。 8.2.3 微生物在 SC-CO2中的活性变化 SC-CO2对微生物菌体的影响有：1、CO2作为细胞的一种“麻醉剂”进入 细胞膜，导致细胞膜磷脂双分子层中的疏水端区域结构改变、临界宽度变宽。2、 CO2通过膜的渗透作用进入细胞质，导致细胞质的 pH 值变化，同时 CO2与细胞质 内的酶蛋白结合也会使酶的催化活性降低。3、高浓度 CO2改变菌体内酶的催化 反应速率，导致某种代谢终产物或代谢中间产物的大量积累。 8.3 丝状真菌发酵过程中菌体形态变化 对于微生物发酵与菌体形态变化之关系，随着计算机技术的发展，给人 们提供了新的认识空间。特别是菌体形态与相关影响因素、操作方式的相互关系， 形态动力学研究以及与形态相关基因方面的工作，丰富了相关发酵过程理论。 8．3．1 菌体形态的量化描述 采用计算机图象识别方法研究微生物形态，需对菌体形态进行量化描述。 由固定在显微镜上的 CCD 摄象机采集到的一幅微生物形态图象，虽然可以采用手 工测量的方法从照片上获得一定信息，但非常费时，而且不够准确。为从这幅图 像中获得尽可能多的信息，就有必要确定一定形态参数来描述菌体形态特征。进
行菌体形态的定量描述时，首先将经显微镜放大的菌体形态通过 CCD 摄象机和图 像采集卡，将菌体形态图像转化为 512×512×8bit 格式（或其它）的数字化图 像。然后通过二值细化方法等对图像进行测量、分析和比较。 一般，将丝状菌的菌体形态分为分散状、交织状和菌丝团三大类。虽 然已有较多的报道，但是菌体形态的量化描述还存在一些问题。例如已有的报道， 都有具体的事例，但还没有一个令人满意的共性的描述方法；由于菌体形态的多 种性，加上影响因素的多样性，还不能简单地认为一种菌体形态与一种影响因素 线性对应。 8.3.2 操作参数与菌体形态的关系 Cui 等人认为，深层发酵中分子扩散是菌丝团内部氧传输的主要方式， 菌丝团内部的对流和湍流作用均可忽略。单位湿菌丝团体积的菌体量随着 DO 强 度的增加而增加，随着菌丝团尺寸的增加而减小。因此，菌丝团的疏松度是 DO 强度和菌团大小的函数。 丝状真菌是多细胞结构，形态各异，其生长是以其顶端延长的方式进行。 发酵过程中，沿着菌体的长度会发生生理变化和细胞的分化。菌体总量的不均匀 性使得预测模拟、过程控制十分困难。一些已考虑到菌丝的生长、细胞的分化的 丝状真菌发酵的结构模型，在抗生素和酶制剂生产过程中是适用的。 关于菌体形态方面的研究主要集中在菌体形态的分析，很少报道菌丝团内部 结构和预测其生理状态。实际上从图像分析中获取关于菌体生理学方面的信息更 为重要。 Masahiro 等人利用图形分析方法建立了人的角质细胞生长的在线监控系 统，并将该系统应用到生物反应器的实际培养过程中。Miyanaga 等人将图形分 析方法应用于植物细胞培养过程中，有效地提高了产物的生成效率。 利用计算机视觉技术量化微生物菌体的形态特征，是研究微生物发酵过 程的有效途径之一。图像解析的分形、纹理熵算法及生物全息律等理论与方法将 会对发酵过程研究带来新的契机。 8.4 界面微生物生长模型 8.4.1 界面的概念 界面是指两个物体相态接触的分界层。如果两个相态接触紧密，就会有 分子间相互作用，形成在组成、密度、性质上和两相有交错并有梯度变化的过渡 区域。 8.4.2 界面与微生物
行菌体形态的定量描述时，首先将经显微镜放大的菌体形态通过 CCD 摄象机和图 像采集卡，将菌体形态图像转化为 512×512×8bit 格式（或其它）的数字化图 像。然后通过二值细化方法等对图像进行测量、分析和比较。 一般，将丝状菌的菌体形态分为分散状、交织状和菌丝团三大类。虽 然已有较多的报道，但是菌体形态的量化描述还存在一些问题。例如已有的报道， 都有具体的事例，但还没有一个令人满意的共性的描述方法；由于菌体形态的多 种性，加上影响因素的多样性，还不能简单地认为一种菌体形态与一种影响因素 线性对应。 8.3.2 操作参数与菌体形态的关系 Cui 等人认为，深层发酵中分子扩散是菌丝团内部氧传输的主要方式， 菌丝团内部的对流和湍流作用均可忽略。单位湿菌丝团体积的菌体量随着 DO 强 度的增加而增加，随着菌丝团尺寸的增加而减小。因此，菌丝团的疏松度是 DO 强度和菌团大小的函数。 丝状真菌是多细胞结构，形态各异，其生长是以其顶端延长的方式进行。 发酵过程中，沿着菌体的长度会发生生理变化和细胞的分化。菌体总量的不均匀 性使得预测模拟、过程控制十分困难。一些已考虑到菌丝的生长、细胞的分化的 丝状真菌发酵的结构模型，在抗生素和酶制剂生产过程中是适用的。 关于菌体形态方面的研究主要集中在菌体形态的分析，很少报道菌丝团内部 结构和预测其生理状态。实际上从图像分析中获取关于菌体生理学方面的信息更 为重要。 Masahiro 等人利用图形分析方法建立了人的角质细胞生长的在线监控系 统，并将该系统应用到生物反应器的实际培养过程中。Miyanaga 等人将图形分 析方法应用于植物细胞培养过程中，有效地提高了产物的生成效率。 利用计算机视觉技术量化微生物菌体的形态特征，是研究微生物发酵过 程的有效途径之一。图像解析的分形、纹理熵算法及生物全息律等理论与方法将 会对发酵过程研究带来新的契机。 8.4 界面微生物生长模型 8.4.1 界面的概念 界面是指两个物体相态接触的分界层。如果两个相态接触紧密，就会有 分子间相互作用，形成在组成、密度、性质上和两相有交错并有梯度变化的过渡 区域。 8.4.2 界面与微生物
界面上微生物的生长和常态下的微生物生长有相似之处，例如：同样存 在微生物的延滞期、指数期、稳定期和衰亡期；同样出现营养成分限制微生物生 长的现象；温度、氧气、pH、电场、磁场等物理条件也影响到微生物的生长。由 于界面的影响，界面微生物的生长又有自身特性：菌体形态、生物量以及代谢物 质的变化受界面的影响；由于营养物质在界面上的富集作用，微生物可以在相对 营养贫瘠的培养体系中生长；营养物质的在界面上的传递和常规不同；由于受到 界面的影响，微生物的生物合成、活性调节等发生改变。 8.4.3 界面上丝状真菌的生长 丝状真菌的生长属于顶端生长。根据菌丝顶端生长的泡囊学说，细胞质 的泡囊从内质网上水泡状的形式转移至高尔基体，在高尔基体内浓缩加工，并把 泡囊的类内质网膜转化为类原生质膜，然后，泡囊从高尔基体释放并转移至菌体 顶端，与原生质膜融合，释放它们的内含物到细胞壁中，这一融合过程不但使泡 囊内含物进入膜壁之间，使泡囊内含物被用来合成细胞壁，而且泡囊膜也并入原 生质膜，使原生质膜增加了体积，从而导致菌丝顶端的生长。 大多数菌丝的分枝是在菌丝顶端之后的某一距离发生，新的分枝总是向 前或朝向菌落的边缘，于是菌丝的整个系统像是松柏树枝，这一规律显示了真菌 的顶端优势。 菌丝的顶端彼此分离使菌丝间充满间隙，这保证了菌丝对营养的需求， 同时它们会从存活菌丝营养耗尽的区域撤离。 8.4.4 界面微生物生长动力学模型 虽然研究界面微生物发酵系统的生长动力学有重要作用[85，86]，但生物量 测定的困难和系统本身的不均匀性，使人们对其生长动力学研究甚少[87]。另外， 由于生长方式的变化；氧和其它基质浓度梯度的变化；现场温度和界面形状的变 化等都使模型的建立变得非常复杂。 8.4.4.1 模拟系统中丝状菌生长的数字化描述 图 8-2 界面模拟系统示意图
界面上微生物的生长和常态下的微生物生长有相似之处，例如：同样存 在微生物的延滞期、指数期、稳定期和衰亡期；同样出现营养成分限制微生物生 长的现象；温度、氧气、pH、电场、磁场等物理条件也影响到微生物的生长。由 于界面的影响，界面微生物的生长又有自身特性：菌体形态、生物量以及代谢物 质的变化受界面的影响；由于营养物质在界面上的富集作用，微生物可以在相对 营养贫瘠的培养体系中生长；营养物质的在界面上的传递和常规不同；由于受到 界面的影响，微生物的生物合成、活性调节等发生改变。 8.4.3 界面上丝状真菌的生长 丝状真菌的生长属于顶端生长。根据菌丝顶端生长的泡囊学说，细胞质 的泡囊从内质网上水泡状的形式转移至高尔基体，在高尔基体内浓缩加工，并把 泡囊的类内质网膜转化为类原生质膜，然后，泡囊从高尔基体释放并转移至菌体 顶端，与原生质膜融合，释放它们的内含物到细胞壁中，这一融合过程不但使泡 囊内含物进入膜壁之间，使泡囊内含物被用来合成细胞壁，而且泡囊膜也并入原 生质膜，使原生质膜增加了体积，从而导致菌丝顶端的生长。 大多数菌丝的分枝是在菌丝顶端之后的某一距离发生，新的分枝总是向 前或朝向菌落的边缘，于是菌丝的整个系统像是松柏树枝，这一规律显示了真菌 的顶端优势。 菌丝的顶端彼此分离使菌丝间充满间隙，这保证了菌丝对营养的需求， 同时它们会从存活菌丝营养耗尽的区域撤离。 8.4.4 界面微生物生长动力学模型 虽然研究界面微生物发酵系统的生长动力学有重要作用[85，86]，但生物量 测定的困难和系统本身的不均匀性，使人们对其生长动力学研究甚少[87]。另外， 由于生长方式的变化；氧和其它基质浓度梯度的变化；现场温度和界面形状的变 化等都使模型的建立变得非常复杂。 8.4.4.1 模拟系统中丝状菌生长的数字化描述 图 8-2 界面模拟系统示意图