计算机在微生物学中的应用.ppt

第四章计算机在微生物学中的应用,4.1微生物基础知识简介,1微生物技术的发展由于微生物的个体十分小,所以对微生物的观察必需借助于显微设备.在远古时期,人们观察到微生物的活动常常是造酒之类的工作;到了近代自从列文.胡克发明了显微镜以后,微生物的研究才开始蓬勃发展起来.,列文胡克发明的显微镜,巴斯德,巴斯德在研究中发现:酿酒、食物腐败等都是由于一定数量的微生物作用的结果，进而提出了巴氏消毒法，这种方法在现代的酿酒和奶制品生产企业中依然用到；此后，巴斯德还进行了传染病的研究，提出：病原微生物是传染病因的正确理论和应用菌苗接种预防传染病的方法。,科赫,德国微生物学家科赫对新兴的医学微生物学做出了巨大贡献：（1）论证炭疽杆菌是炭疽病的病原苗（2）发现结核病和霍乱的病原细菌，并提倡采用消毒和杀菌方法防止这些疾病的传播；（3）首创细菌的染色方法，采用了以琼脂作凝固培养基培养细菌和分离单苗落而获得纯培养的操作过程；（4）规定了鉴定病原细菌的方法和步骤，提出著名的科赫法则。,之后，陆陆续续有科学家在微生物研究中有新的发现：无菌外科手术的发明，白细胞的免疫作用土壤中的硫化细菌和硝化细菌的作用烟草花叶病毒，噬菌体等分子生物学方法与转基因技术的应用都为微生物的不断发展提供了巨大的支持,在微生物学的发展过程中，按照研究内容和目的的不同，相继建立了许多分支学科：研究微生物基本性状的有关基础理论的有微生物形态学、微生物分类学、微生物生理学、微生物遗传学和微生物生态学；研究微生物各个类群的有细菌学、真菌学、藻类学、原生动物学、病毒学等；研究在实践中应用微生物的有医学微生物学、工业微生物学、农业微生物学、食品微生物学、乳品微生物学、石油微生物学、土壤微生物学、水的微生物学饲料微生物学、环境微生物学、免疫学等。,2微生物学的发展趋势（1）微生物基因组的研究将对微生物学的发展形成巨大的推动力因为微生物相对基因结构较为简单，对其进行研究的时间和经济成本也相对较低，而研究所得的结果有的也可对其它生物的研究也有借鉴意义（2）新微生物群落的发现将拓宽其应用领域主要体现在极端高温、高压、低温、酸碱、高盐、强辐射等环境条件下的生命现象。,温泉与火山口的微生物,3微生物的特点微生物个体很小，一般采用（埃）作单位。与食品有关的微生物，主要包括：细菌、放线菌、酵母菌、霉菌、食用菌、及病毒等六大类。微生物的繁殖方式分为：有性繁殖和无性繁殖。人类和微生物的关系是很密切的。微生物具有如下的特点：（1）分布广、种类多（2）生长旺、繁殖快（3）适应强、易变异（4）代谢强、转化快,42计算机在微生物分类学中的应用,微生物分类学与植物和动物的分类学比较起来有着明显的难点，即：绝大部分微生物个体小、形态简单、易受环境影响而变异、缺少有性繁殖、缺乏化石资料。界、门、纲、目、科、属、种。在分类中，若这些分类单元的等级不足以反映某些分类单元之间的差异时也可以增加亚等级,微生物常见的术语：培养物（culture),是指一定时间一定空间内微生物的细胞群或生长物，若单一为纯培养菌株（strain)，表示任何由一个独立分离的单细胞繁殖而成的纯种群体及其一切后代居群（population)，population一词也有人译为群体、种群或群丛等，是指一定空间中同种个体的组合型（form或type),常指亚种以下的细分，当同种或同亚种不同菌株之间的性状差异，不足以分为心的亚种时，可以细分为不同的型种：是一个基本分类单位；是一大群表型特征高度相似、亲缘关系极其接近，与同属内其他种有明显差别的菌株的总称。,与所有的动植物一样，每一种微生物都有一个自己的名字，名字可以分成俗名（commonname）和学名（scientificname）两种:俗名指普通的、通俗的、地区性的名字，具有简明和大众化的优点，但往往涵义不够确切，易于重复，使用范围局限，例如“结核杆菌”(tuberclebacillus)用于表示Mycobacteriumtuberculosis（结核分支杆菌）学名则往往指的是一个菌种的科学名称，它是按照国际细菌命名法规命名的、国际学术界公认并通用的正式名字。一个种的学名是用拉丁词或拉丁化的词组成的。,根据双名法的规则，学名通常由一个属名加一个种的加词构成。出现在分类学文献中的学名，在此两者之后往往还加上首次定名人（用括号括住）、现名定名人和现名定名年份，但在一般使用时，这几个部分总是省略的。即：学名=属名种的加词（首次定名人）现名定名人定名年份,其中，种的加词是的必要，一般用斜体排字；现名定名人则可以省略，均用正体排字如例：大肠埃希氏菌（简称大肠杆菌）Escherichiacoli(Migula)CastellanietChalmers1919,利用计算机在微生物分类中进行辅助工作甚至是利用计算机按照微生物数量性状进行分类，是很有意义的。,中国微生物菌种保藏管理委员会（CCCCM）将中国的微生物根据保存机构的不同，分成如下的几个机构来保存相对应的菌种中国普通微生物菌种保藏中心（CGMCC）负责保存我国的普通微生物菌种中国农业微生物菌种保藏中心（ACCC）负责保存与农业有关的微生物菌种中国工业微生物菌种保藏中心CICC(归口轻工业总会)负责保管工业上所用的微生菌株中国医学微生物菌种保藏中心CMCC(归口卫生部)负责管理医学上的相关微生物中国抗生素微生物菌种保藏中心CACC(国家医药管理局)负责抗生素生产菌种的管理工作中国兽医微生物菌种保藏中心CVCC(归口农业部)负责农业上的兽药用微生物的管理工作中国林业微生物菌种保藏中心CFCC(归口中国林业科学院)负责与林业相关的微生物管理,由于管理微生物的机构较多，所以产生的有关微生物菌种的数据也较为繁琐，有效的进行数据的共享与集成是很有必要的。利用分布式数据库技术则能够很好的解决将不同物理分布上的数据进行集成进而共享的问题。,分布式数据库介绍,分布式数据库是数据库技术与网络技术相结合的产物，在数据库领域已形成一个分支,分布式数据库和传统数据库相比具有如下的特点：1）分布式数据库的基本特点：物理分布性：数据不是存储在一个场地上，而是存储在计算机网络的多个场地上。逻辑整体性：数据物理分布在各个场地，但逻辑上是一个整体，它们被所有用户（全局用户）共享，并由一个DDBMS统一管理。场地自治性：各场地上的数据由本地的DBMS管理，具有自治处理能力，完成本场地的应用（局部应用）。场地之间协作性：各场地虽然具有高度的自治性，但是又相互协作构成一个整体。,2）分布式数据库的其他特点数据独立性集中与自治相结合的控制机制适当增加数据冗余度事务管理的分布性,3）分布式数据库的优点具有灵活的体系结构适应分布式的管理和控制机构经济性能优越系统的可靠性高、可用性好局部应用的响应速度快可扩展性好，易于集成现有的系统,4）分布式数据库的缺点系统开销较大，主要花在通信部分。复杂的存取结构（如辅助索引、文件的链接技术），在集中式DBS中是有效存取数据的重要技术，但在分布式系统中不一定有效。数据的安全性和保密性较难处理。,分布式数据库系统结构图,中国微生物菌种保藏管理委员会给出的菌种目录数据库的查询界面,(2)计算机在微生物数值分类中的应用分类学家经常尝试找到一种不由意志控制的自动而又客观的方法即使对有轻验的分类学家在选择最佳分类方案时也是有用的。这种方法的基本要点是将类似程度定量比，使定性的或主观的分类学转变成客观的，正是因为这种需要，就有了数值分类学。微生物数值分类的主要目的是提供准确的、可重复的、大信息量的分类。,数值分类在细菌分类中运用的步骤有：收集实验（t）中可获得的被分类微生物(n)的大量数据，具体的实验可以是生化实验、微生物生理实验或微生物形态观察实验等，在得到实验结果后，形成一个nt的数据矩阵；使用实验所得的数据矩阵，根据实验微生物的相似性进行分类；相互关系密切的微生物再用聚类分析的方法划归类群；检验数值上定义的类群，由矩阵求出可以区别它们的任何特性，进而进行加权鉴定。,数据收集：数据收集主要是对微生物进行数值分类，一般要求至少研究50甚至更多的特征,一般在50-100个。如果特征过少会影响到分类结果的可信程度，而分类特征太多的话，从计算机算法的角度来说，如果特征数N过大的话，在理论上是不可计算的。对于一个合适的N，还是可以将其计算的，但是N过大，目前仍然是没有办法计算的一般在收集实验数据时，阳性特征记录为“1”或“+”，阴性特征记录为“0”或“-”。,计算相似性：对每一种微生物要与其它的微生物相比较，其相似程度可以用相似系数Ssm来表示，如下式所示：,式中a为相同阳性特征数，d为相同阴性特征数，n等于特征总数。,根据数值分类分析，可以进一步得到一个非聚类相似性矩阵图,非聚类相似性矩阵图,非聚类相似阴影图非聚类阴影图是从非聚类矩阵图转化而来的，阴影中的疏密用来表示相似程度。,（4）聚类分析：对于相似性较近的微生物再进一步的使用聚类分析的方法进行分类。聚类分析的方法是很多的，一般说来，较为常用的是单链锁聚类分析方法，这一方法是根据矩阵得出的相似系数由最高值开始逐一进行链锁。利用这种方法我们可以将前面的相似性矩阵转化为一个树状图。同样的，前面所示的阴影图也可以进行转换成对应的聚类阴影图。目前，这一部份工作利用手工来完成的较少，基本上是依靠计算机来完成。可以将相关的数据输入到软件（如NoSA或MINTS）中，就可以方便的转换成为相应的树状图。,相似性矩阵通过聚类分析得到的树状图,利用聚类分析得到的图,(IV)检验数值上定义的类群：在通过聚类分析得到微生物的数值分类指标后，就可以利用这个指标将一些样本放入进行检验，并将检验的结果与传统分类的结果进行比较，进而考查分类的数值指标是否符合分类的规范。,数值分类的方法尽管已经比较成熟了，但是，由于N维矩阵中的元素比较在算法上是一个N-P问题，所以，当N很大的时候，实际上利用现有的软件也是不可计算的，只能等到更好的算法来解决这个问题，目前，N的值一般不大，属于可计算的范围。,(3)计算机在微生物快速鉴定中的应用传传统的微生物鉴定一般是根据微生物生理、生化等特点，和微生物鉴定的经典工作手册相比较，尽而确定某一未知微生物的归属.利用电子计算机鉴定微生物的方法，为数颇众，由最简单的检索法直到复杂的多变量分析技术，如判别分析法、相关系数法、概率最大近似模型法等.,目前计算机用于微生物鉴定严格说来只能是一种辅助鉴定，因为它不能代替人进行微生物特征的试验，而取得原始数据资料，然而，它存贮、分析、处理极为错综复杂的庞大数据的能力和自动输出鉴定结果的功能，大大提高了微生物鉴定工作的效率，奠定了微生物鉴定的快速、准确、自动化的基础。,42计算机在微生物实验中的应用,(1)计算机在微生物生化实验中的应用(i)微生物鉴定编码软件的设计用计算机对选定的一定种类的细菌在小型干燥微孔板上的多种生化反应的结果进行数值分类，制成编码表，供用户在被鉴定细菌各种微量生化结果出来后作快速鉴定时查索.,所谓编码指的是把一个生化反应结果变成换一个特定进制数。具体方法是把所涉及的生化反应如阴性则定义为0如阳性购定义为1，这样一种试验结果即变成一个二进位数。同样的，如果某一微生物生化实验的结果如果与这个对应的特定进制数相符，则说该微生物符合此编码，进而可以认为该种微生物是某种属的微生物。,(ii)计算机在微生物培养中的应用微生物实验中经常要遇到微生物培养的情况，培养多采用平板培养的方式。培养微生物时往往需要在一定的条件下进行。而传统的培养设备一般只能控制温度，对光强度、相对湿度等因素却没有办法控制。新的培养箱利用由计算机实时控制技术，可以实时控制培养箱内的温度、光强度以及其它的环境因素等.,在对微生物培养时，对平板上的菌落的检测一般是通过肉眼观察菌落的大小来估计微生物培养的情况.利用计算机则可以进行微生物的菌落数观察，可以将菌落平板扫描进计算机内部形成一系列图像，然后根据程序事先设定来选择图片中的感兴趣的区域（由于菌落生长后和培养基的透光率不一样，所以在图上会显示出不同的亮度）。,一个菌落平板的自动计数步骤如下：定义兴趣区域：原始图像上菌落的色彩同平皿部分边缘的色彩相近，在图像分类处理过程中会产生混淆，使精度受到影响为了消除该影响将菌落实际分布的区域提取出来，使分类处理仅针对该部分进行；定义菌种样本区域：选择典型的菌落区域；定义背景样本区域：选择典型的背景区域；分类处理：根据图像上样本区域的光谱特征对菌种样本区域和背景样本区域进行分类；菌落区域计数：从上面生成的分类图像选取菌落区域进行处理，软件会方便地统计其数目，至此就获得了菌落计数的结果。,利用机器进行菌落鉴定，必需要对机器进行校正。将机器鉴定的结果和人工鉴定的结果进行比较，如果相差在误差许可的范围内，则证明机器的鉴定是可靠的，无需校正，反之，则需要校正。,(III)计算机在临床微生物生化实验中的应用a)计算机在临床微生物检验中的应用随着检验医学和电脑网络技术的快速发展，检验医学系统化网络管理日趋普及，检验信息管理系统（LIMS）在检验科工作中的作用尤为重要。但由于临床微生物检验数据类型与临床生化、免疫、血液等差异较大，在实现检验网络一体化方面有一定难度，因此，临床微生物学检验数据管理仅仅停留在单机数据传输、中文报告单打印等简易功能上。,b)专家系统在微生物临床药敏性检验中的应用在医学实验中，往往需要对微生物的耐药性或药敏性进行实验，进而断定药物是否能够对微生物起作用。近10多年来随着计算机的发展及广泛应用，先后出现了许多自动与半自动细菌鉴定与药敏系统。,例如VITEK系统是其中的一种，它共有144条规则，包括3个等级。一级专家系统：是对报告中极不可能或从未出现过的表型的警告。例如：药敏结果中出现金黄色葡萄球菌耐万古霉素，则是不可能的表现型。到目前为止未见有报道金黄色葡萄球菌耐万古霉素，要求重复鉴定或药敏试验给予证实，否则系统不予通过。二级专家系统：是对报告中罕见表型的提示。例如：如果是洋葱伯克霍德菌对氨基糖苷类抗生素和亚胺培南敏感，则是罕见表型，因为洋葱伯克霍德菌对上述两种抗生素天然耐药，也要求重复鉴定或药敏试验给予证实。三级专家系统：是利用一种耐药表型推断另外一些药物的耐药性或提示药敏结果中的耐药机理。例如：如是肠杆菌对环丙沙星耐药，则对其他喹诺酮抗生素耐药。,仪器鉴定与药敏受多种因素影响，如菌落不纯，菌悬液浓度不标准，操作时药敏卡暴露于室温过长使部分抗生素受热后效价下降等因素都可使仪器药敏结果不准确。,c)临床医学微生物资源即使对于一个很有经验的医学检验人员，也不可能对所有的导致疾病的微生物的性状都可以做到了如指掌，所以，在许多时候，检验人员也需要查找相关的资源。这时，计算机网络又提供了很大的帮助。检验人员可以通过Internet来访问微生物资源数据库，从而获取有用的信息。如要寻找有关疯牛病病毒（bovine）的信息，则可以在登陆到国际微生物菌种数据（MicrobialStrainDataNetwork），在里面选择“AnimalVirusinformationSystem”，然后在search框里输入“bovie”，然后点击”search”就可以返回检索的结果，这里一共返回了221条结果，分成11页显示。,动物病毒信息系统,(2)微生物实验的智能实验设备、智能实验室、智能实验室微生物实验中也会得到许多的实验数据需要科研人员进行处理与分析。而且在许多的应用场合，要求快速对微生物实验的数据做出分析，进而进行反馈控制，以确定下一步反应的去向问题。传统实验大多是以手工操作为主的，实验人员记录所得到的实验数据后，将数据代入到相关的公式或模型中进行计算，这样做的缺点是效率较低，且环节较多，容易产生较多的误差。,利用计算机、传感器和相关的外设可以很好的将实验的过程实时的进行记录，并将实验的结果记录下来，并按实验的目的利用外设给出相应的报告，比如图表或是文字报表。这样的设备即可以是对实验过程的监控，也可以迅速的得出实验的结果。对于微生物实验的进展，实验人员可以做到实时的掌控。,上图所示的平台的构建是建立在一系列智能实验设备的基础上的。智能实验设备的智能体现在它具有一定的自主学习的能力，并能根据事先的训练来进行实验过程的掌控。现在已经市场上已经有许多的智能设备了，,在实验的智能设备的基础上，微生物实验甚至有望做到自动化，将实验材料的准备、实验方案的设计、实验过程的控制以及实验结果的分析综合在一起，将形成一个智能化的实验平台。在智能化实验平台的基础上，进一步进行集成，就有可能实现智能实验室。智能实验设备、智能实验平台与智能实验室的关系如下图所示。,（3）微生物实验中实验方案的设计微生物实验的实验方案设计关系到如何用较少的时间，做出较好的实验结果，好的实验方案可以大大的提高实验的效率而对实验的正确性影响不大。实验方案设计中有关正交设计,（4）微生物实验中的图形图像应用技术虽然微生物人们肉眼是看不见的，但是其实微生物也是有其自身的形状的，不同的微生物的形状也不尽相同，即有球状的，也有丝状的等等。在微生物实验中，有时需要对微生物细胞的特征进行识别，而有时则需要将微生物的图像进行处理，从而进而进行研究。,(I)微生物图像采集系统简介微生物有其各自的形态特征，利用微机对微生物图像进行采集是微生物信息化工作的基础步骤之一。一般的作法是利用CCD摄像装置对显微镜下的微生物进行摄像，将摄像所得到的图像通过图像采集卡转换成计算机，电视机等视频设备能够接受的信息表现形式，还可以利用网络设备将微生物的图像传送到远方。,(II)微生物实验中的图像处理当图像采集到计算机内部后，要对图形进行处理，例如当某种微生物菌种产生了若干种酶，若将产物跑电泳的话，电泳的结果有时不是太清晰，就需要利用图像处理软件进行图像的处理使得电泳带可以更加的清晰，以使研究人员可以更清晰的观察实验的结果,一般微生物实验中的图像处理包括图像编辑、图像调整、图像处理、图像分析、图像三维化等功能。如：复日公司开发的FR-988生物显微图像分析系统的软件可以实现从图像采集到图像处理的流程化作业,复日公司FR-988生物显微图像分析系统截图,43计算机在微生物工业中的应用,微生物工业又称发酵工业。通过培养微生物生产各种有用物质的工业,微生物工业的经济效益很高,如:从9升细菌培养液所得的激素数量等于大约从50万头羊脑中提取得到的数量从1万头牛的胰脏才能提取1公斤结晶蛋白酶，而通过微生物发酵，只需几百公斤淀粉、麸皮、黄豆粉,由于微生物工业在生产具有其自身的特点，从而对生产的环境要求也较高：必须保证一定的物理条件（如温度，溶液浓度）和一定的化学条件（酸碱PH值等）以及一定的生物条件（不能染菌）传统生产企业对这些指标的控制大多是采用定时取样测量再进行计算，这种测量方法具有一定的滞后性，从而不能及时反映生产状态,1计算机在微生物生长和发酵动力学中的研究微生物生长和发酵的动力学主要研究微生物生长的速度，营养物消耗的速度，产物形成的速度以及影响反应速度的条件，有关研究结果可为发酵过程的控制，小型试验数据的放大以及提高发酵过程的产物收率提供理论依据。,（1）发酵控制系统的组成计算机控制发酵系统由计算机控制系统和被控对象组成，而计算机控制系统则由控制硬件与操作软件所组成。计算机控制发酵系统的数据采集与处理是所有控制工作的前提条件。计算机主要利用传感器及各种仪表对有关参数在规定的时间(数秒到1分钟)内轮流扫描，并对所测的数据进行跟踪、存储和打印，以代替大量显示及记录仪表。,计算机控制发酵系统组成示意图,(2)发酵过程的控制系统发酵过程的操作控制系统根据其原理不同，可以分成计算机离线最优控制系统、计算机在线控制系统以及集散控制系统。,(I)计算机离线最优控制系统计算机离线最优控制系统可以提供现场数据资料，进行异常情况的报警，并且根据所测得的参数与工艺要求进行最佳化计算，计算出最佳操作条件，即各项参数的最佳给定值，并显示或打印出来。计算机仅把计算结果提供给生产管理人员做控制生产的参考，而过程的调节仍然依靠操作者执行。操作人员根据这些数据来改变各个调节器的给定值以获取最佳操作。,(II)计算机在线控制系统计算机在线控制系统是进行在线监测控制的系统。它可以分成直接数字控制系统和设定值控制系统两大类。,直接数字控制系统是由一台微型计算机配以输入、输出设备，并通过输入、输出设备直接作用于被控对象，从而实现参数的巡回检测，控制信号的发出等工作。控制方式有比例积分微分(PID)、前馈、非线性、自适应、多参数协调等多种方式。,计算机设定值控制系统(setpointcomputercontrolsystem)，简称SPC系统。它根据过程参数信息和其他数据，按照描述生产过程的数学模型进行计算，得出最佳控制条件，并能够自动改变系统中模拟调节器或以DDC方式工作的计算机的给定值，从而使生产始终处于最佳工作状况。,(III)计算机集线控制系统（DCS）集散控制系统(distributedcontrolsystem)。简称DCS系统。DCS是复杂控制系统采用的常见形式，集计算机技术、控制技术、通讯技术和阴极射线管(CRT)技术于一身，主要由控制站、操作站和通信网络3部分组成.DCS通信网络功能与全厂管理网络(以太网)技术相融合，逐渐实现通信网络由多重结构向扁平化过渡，它的特点是具有开放性。,(3)人工智能技术在发酵控制中的应用由于发酵的过程中其内部机理是十分复杂的，它是多因素综合作用的结果，但对这些因素的作用，还不能够很好的考量，所以，利用人工智能的方法在一定程度上可以挖掘发酵中潜在的规律,（I）模糊控制技术模糊控制技术是近代控制理论中的一种高级策略和新颖技术。糊控制技术基于模糊数学理论，通过模拟人的近似推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、适应性和合理性提高，成为智能控制技术的一个重要分支。虽然发酵过程中的微生物代谢和生长不能用确切的数学关系来描述，但不同的生化反应时期，它们之间有着确定的模糊关系，可用这种关系来指导反应过程优化操作与控制。,(II)人工神经网络控制建立发酵生化过程神经网络控制系统，并用其预测生化反应过程状态是否正常，预测反应阶段、代谢状态和随机干扰等，且可与模糊控制相结合，以取得最佳控制效果,如：PTeissier等建立了一个跟踪酒基培养基中的酵母生长情况的神经网络控制系统。JBarreraCort6s等建立了一个苏云金杆菌(Bacillusthuringiensis)分批发酵产品鉴定和产量预测的神经网络模型(RNNM)。,(III)专家控制系统专家控制系统指的是用计算机模拟专家或专家群体解决某一领域问题的本领，对各种实际问题给予高水平的解答的一种控制方法。在发酵过程中由一个人控制计算机就可以解决以前好多人才能解决的问题，同时也可以较好的控制生产。,（3）微生物的生长特征与常用的测量方法一般认为：微生物可以分成三大类：非细胞型微生物学（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。,3大类微生物的繁殖方式,微生物形态、组成、活性都处在动态变化过程中，使其经历生长、繁殖、维持、死亡等阶段。微生物生长测定的常用理化方法，分为测定细胞数和细胞重量两类。具体的测量方法可以分成两大类：计数器计数法和测定细胞重量法。,（I）计数器计数法计数器计数法可以分成浊度比浊法和计数器计数法两大类。浊度计比浊法测定稀的细胞悬液的透光量（如OD值），间接测出细胞数量的生长。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的生长。,（II）测定细胞重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，由此代表菌体细胞物质总量的生长；细胞堆积容积测量法用锥形刻度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的生长；,细胞组成分析法测定一种大分子的细胞组成(蛋白质、RNA、DNA等)，间接地算出细胞重量的生长；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养物（磷酸盐、硫酸盐等）的消耗，由此间接表示细胞重量的生长；产物重量分析法测定培养中途形成的二氧化碳，氢，ATP等产物，由此间接地换算出细胞重量的生长。,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值与细胞生长时间对应作图，可得到分批培养时的细胞浓度变化曲线,（4）计算机在发酵动力学中的研究（I）发酵动力学模型简介发酵过程动力学包括两个层次的动力学：一个层次是本征动力学（又称微观动力学），研究的内容是：在没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。该速率除反应本身的特性外，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。,第二个层次是反应器动力学（又称宏观动力学），研究的内容是：在一个反应容器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。,产物合成的动力学研究的主要是：在连续培养的条件下，由生长、基质利用和产物形成的物料平衡方程，可以看出产物的形成与生长和细胞浓度的关系，有细胞的生长（式4-1）、基质的利用（式4-2）、产物的形成（式4-3）三个式子：,式4-1,式4-2,式4-3,式4-1所表示含义是：细胞量的积累速率=细胞生长速率细胞的消失