1、第四章 發(fā)酵機制與發(fā)酵動力學,本章的教學內(nèi)容,第一節(jié) 糖嫌氣性發(fā)酵產(chǎn)物發(fā)酵機制 第二節(jié) 檸檬酸發(fā)酵機制 第三節(jié) 氨基酸發(fā)酵機制 第四節(jié) 抗生素發(fā)酵機制 第五節(jié) 發(fā)酵動力學,第一節(jié) 糖嫌氣性發(fā)酵產(chǎn)物發(fā)酵機制,糖酵解（glycolysis)是指葡萄糖經(jīng)EMP途徑生成丙酮酸后，在無氧條件下繼續(xù)降解并釋放出能量的過程。 NADH2在此過程中將氫交給不同的有機物，形成各種不同的代謝產(chǎn)物。,糖酵解途徑的特點,糖酵解途徑廣泛存在于各種細胞內(nèi)，它的任何一個反應均不需要氧； 糖酵解可以分為兩個階段：準備階段（由葡萄糖生成3-磷酸甘油醛）；第二階段（由3碳糖生成丙酮酸）。 催化糖酵解反應的酶主要有激酶、變位酶、異

2、構(gòu)酶和脫氫酶； 其它糖類作為碳源須先轉(zhuǎn)化成葡萄糖或其中間代謝產(chǎn)物才能利用； 不同機體和不同代謝條件下，丙酮酸代謝去路不同。,1、酒精發(fā)酵機制,由葡萄糖生成乙醇的總反應式:理論轉(zhuǎn)化率:,巴斯德效應A、定義: 在好氣條件下,酵母發(fā)酵能力降低(或乙醇的 積累減少,或細胞內(nèi)糖代謝降低)的現(xiàn)象。B、機制: EMP途徑中磷酸果糖激酶在有氧時受TCA循環(huán) 中間代謝產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)。 (1). 磷酸果糖激酶為變構(gòu)酶, 抑制劑：ATP、檸檬酸和 其它高能化合物;激活劑: AMP和ADP。 (2). 好氣條件下,進入TCA循環(huán),產(chǎn)生的高檸檬酸量反 饋阻礙酶的合成,大量的ATP反饋抑制酶的活性。 (3). 6-磷酸果

3、糖積累對EMP途徑進行抑制,導致葡萄糖 利用降低。,酒精發(fā)酵中副產(chǎn)物的生成(1).雜醇油 A.定義: 碳原子數(shù)大于2的脂肪族醇類的統(tǒng)稱。 B.組成：正丙醇、異丁醇、異戊醇和活性戊醇等。 C.形成途徑: 氨基酸氧化脫氨作用;葡萄糖直接生成。 (2).甲醇 果膠（聚半乳糖醛酸甲酯）中甲氧基被水解生成。(3).酯類 發(fā)酵過程產(chǎn)生的醇類和酸類經(jīng)酯化生成。,2、乳酸發(fā)酵機制 同型乳酸發(fā)酵,總反應式為: 理論轉(zhuǎn)化率:,異型乳酸發(fā)酵A. 6-磷酸葡萄糖酸途徑,總反應式為 : C6H12O6CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH理論轉(zhuǎn)化率: (90/180)100% =50%,B. 雙歧途徑,總反應式為 :

4、 2C6H12O62CH3CHOHCOOH+3CH3COOH理論轉(zhuǎn)化率: (290)/(2180)100% = 50%,3 、甘油發(fā)酵機制,A. 亞硫酸鹽法甘油發(fā)酵（酵母第二型發(fā)酵）,B. 堿法甘油發(fā)酵(酵母第三型發(fā)酵),第二節(jié) 檸檬酸發(fā)酵機制,檸檬酸發(fā)酵屬于好氧發(fā)酵，其發(fā)酵機制是在了解了三羧酸循環(huán)的基礎(chǔ)上才逐漸弄清楚的。,1.檸檬酸生物合成途徑,葡萄糖生成檸檬酸的總反應式為: 2C6H12O6+3O2 2C6H8O7+4H2O 理論轉(zhuǎn)化率為106.7%2. 檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)(1).糖酵解及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié) 磷酸果糖激酶(PFK)是調(diào)節(jié)酶,檸檬酸和ATP對該酶抑制, AMP 、Pi和N

5、H4+對酶激活; NH4+在細胞內(nèi)濃度升高,解除胞內(nèi)積累的大量檸檬酸對酶的抑制;,檸檬酸合成有關(guān)酶的調(diào)節(jié)性質(zhì),結(jié)論: Mn2+缺乏使蛋白質(zhì)和核酸合成受阻,導致細胞內(nèi)NH4+水平升高而減少檸檬酸對PFK的抑制，促進了EMP途徑的暢通。,(2).CO2固定化反應 丙酮酸+CO2 +ATP 丙酮酸羧化酶 草酰乙酸+ADP+Pi 磷酸烯醇丙酮酸+CO2 +ADP+Pi 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 草酰乙酸+ ATP 結(jié)論1: 在組成型的丙酮酸羧化酶作用下,丙酮酸固定化CO2生成草酰乙酸,保證檸檬酸的積累。 結(jié)論2: 丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA ,和CO2 固定兩個反應平衡,保持了檸檬酸合成能力。,(3)

6、.三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié) 結(jié)論: 在三羧酸循環(huán)的發(fā)酵過程中,阻斷順烏頭酸酶水合酶和異檸檬酸脫氫酶的催化反應, 建立一種平衡關(guān)系，大量積累檸檬酸: 檸檬酸：順烏頭酸：異檸檬酸 = 90：3：7 A.絡(luò)合劑(亞鐵氰化鉀)除去Fe2+,順烏頭酸水合酶的活性被抑制。 B.檸檬酸的積累使pH值下降,在低pH值下,順烏頭酸水合酶和異檸檬酸脫氫酶失活,更有利于檸檬酸的積累并排出體外。,第三節(jié)、 氨基酸發(fā)酵機制,(一)、氨基酸發(fā)酵的機制和代謝控制 1、氨基酸發(fā)酵機制主要包括：谷氨酸族(谷、瓜、鳥、精氨酸等)、天冬氨酸族(賴、蘇、蛋等)、芳香族(苯丙、酪、色氨酸等)、分枝鏈(亮、異亮、纈氨酸等)。 2、氨基酸發(fā)酵代謝

7、控制的一般措施： A、控制發(fā)酵的環(huán)境條件； B、控制細胞滲透性； C、控制旁路代謝； D、消除終產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)作用 E、降低反饋作用物的濃度； F、促進ATP的積累(二)、谷氨酸發(fā)酵機制 1.谷氨酸生物合成途徑： EMP途徑、HMP途徑、TCA循環(huán)、DCA循環(huán)、CO2固定作用,2. 谷氨酸生物合成途徑的控制(1).三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié) 通過馴育谷氨酸高產(chǎn)菌控制三羧酸循環(huán)下列酶的活性: A. -酮戊二酸脫氫酶應喪失或僅有微弱的活力。 B.CO2固定反應的酶系強,使四碳二羧酸全部是由CO2固定 反應提供,而不走乙醛酸循環(huán),以提高對糖的利用率。 C.谷氨酸脫氫酶的活力很強,并喪失谷氨酸對谷氨酸脫 氫酶的

8、反饋抑制和反饋阻遏。,(2).氨的導入和控制 氨的導入主要方式: 糖代謝中間體還原氨基化;天冬氨酸或丙氨酸通過氨基轉(zhuǎn)移；谷氨酸合成酶途徑。 谷氨酸發(fā)酵受NH4+的影響。使用生物素缺乏菌,在NH4+存在時,葡萄糖以很快的消耗速度和高的收率生成谷氨酸; 當NH4+不存在時,糖的消耗速度很慢,生成物是 -酮戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸。,NADP為輔酶的異檸檬酸脫氫酶和NADPH+H+為輔酶的 谷氨酸脫氫酶形成共軛反應, NADP濃度是實際上的 限速因子,添加氧化還原電位與NADP相似的氧化還 原染料,并通以電流可促進還原氨基化作用,增加谷 氨酸產(chǎn)量。,(3).控制細胞滲透性 A、控制生物素、油酸濃

9、度或添加表面活性劑如吐溫80、陽離子表面活性劑。引起細胞膜的脂肪酸成分的改變,尤其是改變油酸含量,從而改變細胞膜通透性； B、加入青霉素或控制Mn+、Zn+濃度。抑制細胞壁的合成,由于細胞膜失去細胞壁的保護,細胞膜受到物理損傷,從而使?jié)B透性增強。 C、生產(chǎn)中菌種選育模型與控制方法: 生物素缺陷型; 油酸缺陷型; 甘油缺陷型等。,(4).控制發(fā)酵的工藝條件 谷氨酸發(fā)酵是人工控制發(fā)酵條件成功進行大規(guī)模生產(chǎn)的典型例子。 主要的影響因子有：溶解氧、NH4+、pH、磷酸生物素、醇類和NH4Cl。,第四節(jié) 抗生素發(fā)酵機制1、抗生素的生物合成類型 A. 蛋白質(zhì)衍生物 簡單的氨基酸衍生物：環(huán)絲氨酸、重氮絲氨酸

10、等； 寡肽抗生素：青霉素、頭孢菌素等； 多肽類抗生素：多粘菌素、桿菌肽等； 多肽大環(huán)內(nèi)脂抗生素：放線菌素等； 含嘌呤和嘧啶堿基的抗生素：曲古霉素、嘌呤霉素等,B.糖類衍生物 糖苷類抗生素：鏈霉素、卡那霉素等； 與大環(huán)內(nèi)脂連接的糖甙抗生素：紅霉素、碳霉素等； 其他糖甙抗生素：新生霉素等。 C.以乙酸為單位的衍生物 乙酸衍生物的抗生素：四環(huán)類抗菌素、灰黃霉素等； 丙酸衍生物的抗生素：紅霉素等； 多烯和多炔類抗生素：制霉素、曲古霉素等。,2 、青霉素、頭孢菌素的生物合成機制 青霉素、頭孢菌素的化學結(jié)構(gòu)如下：,3、鏈霉素的生物合成機制 鏈霉素的化學結(jié)構(gòu)如下：,4、抗生素生物合成的代謝調(diào)節(jié)方式(1)、細

11、胞生長期到抗生素產(chǎn)生期的過渡 次級代謝產(chǎn)物是在菌體生長到達相對靜止期才產(chǎn)生。在細胞生長階段,負責次級代謝產(chǎn)物合成的酶受到阻遏。 A.誘導因子在生長期末積累或從外源加入; B.初級代謝的終點產(chǎn)物耗盡; C.易被利用的糖源分解代謝物被利用后,便解除了阻遏作用; D.高能化合物ATP形成減少后，阻遏作用也就解除; E.在生長期，RNA聚合酶只能啟動生長期基因的轉(zhuǎn)錄作用；當生長停 止后,酶的結(jié)構(gòu)改變,允許RNA聚合酶啟動生產(chǎn)期基因的轉(zhuǎn)錄作用, 負責抗生素合成的酶開始生成。,(2) 酶的誘導作用 在抗生素合成期,參與次級代謝的有些酶是誘導酶。需要底物或底物的結(jié)構(gòu)類似物(外源和內(nèi)源誘導劑)。,(3) 分解

12、代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)控制 碳、氮分解代謝產(chǎn)物(如葡萄糖)阻遏和抑制作用,抑制抗生素合成。解除分解產(chǎn)物阻遏的方法: A.選育對葡萄糖代謝產(chǎn)物類似物抗性突變型; B.培養(yǎng)過程中利用緩慢的碳源,連續(xù)流加葡萄糖; C.使用含有慢慢向培養(yǎng)基內(nèi)滲透營養(yǎng)物質(zhì)的顆粒。,（4）磷酸鹽的調(diào)節(jié) 抗生素只有在磷酸鹽含量控制在生長的“亞適量”時才能合成。 磷酸鹽抑制抗生素合成的機制可能有以下二方面： A.抑制或阻遏抗生素生物合成途徑中有關(guān)酶的活力和合成。 B.改變代謝途徑。 C.磷酸鹽可調(diào)節(jié)細胞內(nèi)ATP的形成。,(5) 次級代謝產(chǎn)物的自身反饋調(diào)節(jié) 在多種次級代謝產(chǎn)物的發(fā)酵中都發(fā)現(xiàn)了末端產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)作用。 產(chǎn)生菌抗生素的生產(chǎn)

13、能力與自身抑制所需抗生素濃度呈正相關(guān)性。因此要選育生產(chǎn)能力強的抗反饋調(diào)節(jié)的突變菌株。,(6) 初級代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié) 某些初級代謝產(chǎn)物可以調(diào)節(jié)次級代謝產(chǎn)物的合成的原因: A.有一條共同的合成途徑,當初級代謝產(chǎn)物積累時,反饋抑制了某一步反應的進行,而最終抑制了次級代謝產(chǎn)物的合成。 B.初級代謝產(chǎn)物直接參與次級代謝產(chǎn)物的生物合成,反饋抑制了它自身的合成時,必然也同時影響了次級代謝產(chǎn)物的合成。,(7) 細胞膜透性的調(diào)節(jié) 細胞膜的運輸影響胞內(nèi)合成及代謝物分泌和發(fā)酵產(chǎn)物收獲。 在青霉素發(fā)酵中,生產(chǎn)菌細胞膜輸入硫化物能力的大小影響青霉素發(fā)酵單位的高低。,(8) 次級代謝的能荷調(diào)節(jié) A.能荷調(diào)節(jié)機制對次級代謝途

14、徑的控制是有效的。 B.金霉菌菌株的ATP含量在生長期中迅速增加,而在金霉素形成期ATP含量迅速下降,并保持在較低的水平上。低產(chǎn)菌株的ATP量始終比高產(chǎn)茵株大24倍。 C.高濃度的磷酸鹽可增加細胞內(nèi)ATP的形成。,第五節(jié) 發(fā)酵反應動力學,反應動力學：研究反應速度變化規(guī)律的學科。 發(fā)酵動力學：研究各種發(fā)酵過程變量在活細胞的作用下變化的規(guī)律，以及各種發(fā)酵條件對這些變量變化速度的影響。并以數(shù)學，工程學的原理，定量描述。,目的,通過動力學研究，優(yōu)化發(fā)酵的工藝條件及調(diào)控方式；（研究各種物理，化學因素的影響，為調(diào)控提供依據(jù)） 建立反應過程的動力學模型來模擬最適當?shù)墓に嚵鞒毯凸に噮?shù)，預測反應的趨勢； 控制

15、發(fā)酵過程，甚至用計算機來進行控制。,發(fā)酵動力學研究內(nèi)容,發(fā)酵動力學是以化學熱力學（研究反應方向）和化學動力學（研究反應速度）為基礎(chǔ)，對發(fā)酵過程的物質(zhì)變化進行描述,具體內(nèi)容,1. 微生物生長，死亡動力學； 2. 基質(zhì)消耗動力學； 3. 氧消耗動力學； 4. CO2生成動力學； 5. 產(chǎn)物合成和降解動力學； 6. 代謝熱生成動力學。,研究方法,宏觀處理法 結(jié)構(gòu)動力學模型（通過研究微觀反應機制建立） 非結(jié)構(gòu)動力學模型（不考慮微觀反應機制，只考慮宏觀變量之間的關(guān)系） 質(zhì)量平衡法（根據(jù)質(zhì)量守恒定律） 物質(zhì)在系統(tǒng)中的積累速度=物質(zhì)進入系統(tǒng)速度+物質(zhì)在系統(tǒng)中生成的速度-物質(zhì)在系統(tǒng)中排除的速度-物質(zhì)在系統(tǒng)中消

16、耗的速度,菌體生長速度為,氧和底物利用速度為,P、C和HV生成速度為:,速 度,一、發(fā)酵過程的速度,比速率,細胞生長的比速率為：,底物消耗的比速率為qs,產(chǎn)物形成的比速率為qp：,比速率,氧消耗的比速率為qo：,二氧化碳生成的比速率 為qc：,發(fā)酵熱生成的比速率：,二、化學計量學(stoichiometry),1、化學計量方程,表示通用化了的碳源,根據(jù)元素分析得出的細胞組成,表示產(chǎn)物,2、產(chǎn)率系數(shù)(yield coefficients),(1)宏觀產(chǎn)率系數(shù) 宏觀產(chǎn)率系數(shù)(或稱得率系數(shù))Yi/j是化學計量學中一種非常重要的參數(shù)，常用于對碳源等底物形成菌體或產(chǎn)物的潛力進行評價，其中i表示菌體或產(chǎn)物

17、，j表示底物 例如，菌體對底物的產(chǎn)率系數(shù)可表示為：,生物反應過程中宏觀產(chǎn)率系數(shù)的定義總覽,有時，以摩爾為單位表示產(chǎn)率系數(shù)更有利：,相似的概念可用于表達重要的常數(shù)： 摩爾產(chǎn)率系數(shù)在實踐中對推導元素平衡方程很重要，對與氧化磷酸化有關(guān)的理論問題也有重要意義,(2)理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率,假設(shè)發(fā)酵過程中完全沒有菌體生成，則YP/S可達理論最高值，稱為理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率 （a）根據(jù)化學計量關(guān)系計算 例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化學計量方程為 依此計算 =147/180=0.82 此處沒有考慮反應過程中NADH及ATP等輔助底物的生成和消耗,（b）由生物化學計量關(guān)系計算,根據(jù)由底物生成目標代謝產(chǎn)物的代謝途徑

18、，進行代謝過程中有關(guān)NAD(P)+和ATP等輔底物的物料衡算，結(jié)合化學計量關(guān)系可求出上式： 由該反應式得 =(14713)/(12180)=0.75 此處-酮戊二酸的氨基化還原反應中所需要的NADPH由異檸檬酸脫氫反應供給，用生化計量式時, 必須清楚有關(guān)的代謝途徑,(3) 實際發(fā)酵過程中的產(chǎn)率系數(shù),在實際發(fā)酵中，產(chǎn)率是變化的，產(chǎn)率取決于下列因素： Y= f (菌株、底物、m、；t、tm、OTR、C/N，P/O) 式中m為混合度，S為底物濃度，t為平均滯留時間，tm為混合時間，OTR為氧傳遞速度，C/N為碳氮比，P/O為磷氧比,另外，Papoutsakis和Lim(1981)用碳流分支的概念來解

19、釋菌體產(chǎn)率變化的原因：,其中r1和r分別為碳源分支代謝途徑1和途徑2的反應速度，MX和MS為菌體和底物的分子量，x是SX反應的化學計量系數(shù)，可見產(chǎn)率只隨r或r變化 在甲基營養(yǎng)菌中存在兩種不同的碳代謝流：同化(r2)和氧化(r1) 碳源和其它營養(yǎng)物的濃度或溫度、pH等培養(yǎng)條件的任何變化都可能引起r或r變化 這一概念表明，甲基營養(yǎng)菌菌體產(chǎn)率的變化是一個動力學問題，而不是生物合成問題,3、化學計量的數(shù)學模型(Stoichiometric Mathematical models ),細胞培養(yǎng)系統(tǒng)非常復雜，在過程中有許多的輸入和輸出。而且和化學反應不同的是，在過程中，催化劑本身是在不斷繁殖的； 相比較而

20、言，化學反應過程則要簡單得多。,一級反應(first order chemical reaction)動力學數(shù)學模型,一級反應的方程式,底物消耗動力學,產(chǎn)物生產(chǎn)動力學方程,由（2）推導底物濃度隨時間變化的模型,由（5）推導產(chǎn)物濃度隨底物濃度變化的模型,P2 = n (S1 - S2) + P1,三、分批發(fā)酵動力學(kinetics of batch fermentation),X is the concentration of biomass in the bioreactor. Biomass concentrations are typically expressed in g/l of

21、Dry weight.,細胞生長動力學模型, is the specific growth rate.,By splitting the variables in equation (1), we obtain:,If at time t0, the biomass concentration in the bioreactor is represented by X0 and at time t1 the biomass concentration is represented by X1, equation (2) becomes:,Since is constant during the

22、 exponential phase:,Integrating both sides gives:,Finally:,無抑制作用的細胞生長動力學Monod方程,Monod發(fā)現(xiàn)細菌的比生長速率與單一限制性基質(zhì)(growth limiting nutrient )之間存在著一定模式關(guān)系（飽和雙曲線函數(shù)），創(chuàng)建了生化工程中著名的Monod方程（1942年）。,溫度和pH恒定時，對于某一特定培養(yǎng)基組分的濃度s，Monod方程為 式中: max稱為最大比生長速率(h-1)，Ks稱為半飽和常數(shù)(g/L) 底物消耗速率方程對應為,Monod方程(Monod model ),KS，微生物對底物的半飽和常數(shù),與

23、親和力成反比。 當= 1/2max，S=KS 當S KS，基質(zhì)濃度很低時， dX/dt = X 提高 S，可明顯提高，一級反應。,Monod方程,當S KS，基質(zhì)濃度較高時， 與S無關(guān)，零級反應。 當S 時， = max max是理論上最大的生長潛力。,Monod方程,Monod方程,S crit 臨界底物濃度，比生長速率達到最大比生長速率 max時的最低底物濃度。 對于任一營養(yǎng)物質(zhì) S S crit，為非限制性底物 S S crit，為限制性底物,S crit,Monod方程,Monod方程,Monod方程中單一限制性底物可以是培養(yǎng)基中任何一種與微生物生長有關(guān)的營養(yǎng)物，只要該基質(zhì)相對貧乏，就

24、成為限制性生長因子。實際過程中，可能出現(xiàn)多種限制性基質(zhì)和抑制性物質(zhì)，影響了Monod方程的適用性。,Monod方程,Monod方程應滿足 (1)菌體生長為均衡型非結(jié)構(gòu)生長; (2)培養(yǎng)基中只有一種底物是生長限制性底物； (3)菌體產(chǎn)率系數(shù)恒定。,Monod方程與米氏方程的區(qū)別與聯(lián)系 Monod方程是對實驗現(xiàn)象的總結(jié) 是經(jīng)驗方程（empirical model） 米氏方程是根據(jù)酶反應極力推導得出 是機理方程（mechanistic model ） Monod方程與米氏方程的相似性。,Monod方程,Monod方程,Monod方程參數(shù)(Monod model parameters )的確定： 雙倒

25、數(shù)法，線性回歸，求得max和KS 以1/S對1/ 作圖，為一直線 斜率=KS/ max，縱軸截距為1/ max,Monod方程,Monod方程式 中max與KS的圖解求法,Monod方程,或者 以S對S/ 作圖，為一直線 斜率K=1/ max，縱軸截距為C=KS/ max,計算舉例,在一定培養(yǎng)條件下，培養(yǎng)大腸桿菌，測得實驗數(shù)據(jù)如下表。求：該條件下，大腸桿菌的最大比生長速率m，半飽和常數(shù)Ks。,先計算S/ ,做S/ -S圖,C=90,K=0.95,由K=1/ m， C=KS/ m 得： m =1.05h-1 KS =0.095g/L,用S/ 與S的數(shù)據(jù)做線性回歸，得回歸方程： S/ =95.14

26、+0.926S 線性相關(guān)系數(shù)r=0.9960 由該回歸方程計算得： m =1.08h-1 KS =0.103g/L,（二）產(chǎn)物合成動力學,產(chǎn)物的合成（指除細胞以外的產(chǎn)品），特別是次級代謝產(chǎn)物的生物合成是一個非常復雜的過程，目前大多數(shù)研究只限于以宏觀過程變量描述的模型，應用上有一定的局限性。,Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率和細胞生長速率之間的關(guān)系，將產(chǎn)物形成區(qū)分為三種類型 類型也稱為偶聯(lián)模型（醇類、葡萄糖酸、乳酸） 類型也稱部分偶聯(lián)模型（檸檬酸、氨基酸） 類型也稱為非偶聯(lián)模型（抗生素、酶、維生素、多糖）,產(chǎn)物合成動力學,上述三種類型外還有一種模型是qP與負偶聯(lián)的模型，例如黑曲霉生產(chǎn)黑色素，其qP與的

27、關(guān)系可表示為： 當考慮到產(chǎn)物可能存在分解時： 式中，kd為產(chǎn)物分解常數(shù),產(chǎn)物合成動力學,產(chǎn)物合成動力學,以產(chǎn)物生產(chǎn)率作為菌體生長率和菌體量的函數(shù)（Luedeking和Piret模型） k1 與菌體生長率關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物合成常數(shù) k2 與菌體生長關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物合成常數(shù),產(chǎn)物合成動力學,按k1,k2常數(shù)分， k10, k2=0， 生長偶聯(lián)型 k10, k20， 部分生長偶聯(lián)型，混合型 k1=0, k20， 非生長偶聯(lián)型,產(chǎn)物合成動力學,產(chǎn)物合成動力學,生長關(guān)聯(lián)型： 當k1=YP/X，k2=0， dP/dt= YP/XdX/dt， QP= YP/X 非生長關(guān)聯(lián)型： 當k1 = 0， k2=QP， dP/dt=

28、QPX,k1,k2的確定： 以對QP作圖 QP= k1+k2 QP，產(chǎn)物比生產(chǎn)率,產(chǎn)物合成動力學,（三）基質(zhì)消耗動力學,基質(zhì)包括細胞生長與代謝所需的各種營養(yǎng)成分，其消耗分為三個方面： 細胞生長，合成新細胞； 細胞維持生命所消耗能量的需求； 合成代謝產(chǎn)物。,基質(zhì)消耗動力學,基質(zhì)比消耗率QS=-dS/Xdt 產(chǎn)物比生產(chǎn)率QP=dP/Xdt,基質(zhì)消耗動力學,維持系數(shù)m： 單位質(zhì)量菌體在單位時間內(nèi)因維持代謝消耗的基質(zhì)量。是微生物的一種特性。 得率系數(shù)Y: 兩種物質(zhì)得失之間的計量比。 生長得率： YX/S=-dX/dS 或 X/S 產(chǎn)物得率： YP/S=-dP/dS 或 P/S,基質(zhì)消耗動力學,維持系數(shù)

29、m和得率系數(shù)YX/S，YP/S的確定： QP為常數(shù)的情況 某些非生長偶聯(lián)型產(chǎn)物發(fā)酵中，若控制得當，QP可保持穩(wěn)定（如恒化器中）。 以對QS作圖，為一直線， 斜率為1/ YX/S, 縱軸截距MS=mS+ QP/YP/S 作為廣義的維持常數(shù)。,基質(zhì)消耗動力學,基質(zhì)消耗動力學,b. QP為變數(shù)的情況 多數(shù)情況下， QP隨發(fā)酵條件，特別是比生長速率的變化而變化；利用恒化器在不同稀釋率D下可得到穩(wěn)定狀態(tài)下的多組QS，和Qp的觀測值，利用一個多元線性回歸，由回歸系數(shù)可得到所需的參數(shù)值。,（四）分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率,體積生產(chǎn)率是以每升發(fā)酵液每小時產(chǎn)生的產(chǎn)物克數(shù)表示的，是對發(fā)酵過程總成果的一種衡量。 對于分批

30、發(fā)酵過程，有必要計算總運轉(zhuǎn)時間內(nèi)的生產(chǎn)率。 總運轉(zhuǎn)時間不僅包括發(fā)酵周期，也包括從前一批放罐、洗罐和消毒新培養(yǎng)基所需的時間。這一段時間的間隔可以少到6個小時（酵母生產(chǎn)），多到20小時左右（抗生素生產(chǎn)）。 在分批發(fā)酵過程中，產(chǎn)物的生成速率如圖所示。,分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率,總的生成率可用自發(fā)酵過程的起點到終點的直線斜率表示，最高生產(chǎn)率由通過原點與單產(chǎn)曲線相切的直線的斜率表示，切點位置的細胞產(chǎn)物濃度比終點（最大值）低。,發(fā)酵過程總的運轉(zhuǎn)周期：,式中tT，tD和tL分別為放罐所需時間（包括放罐，洗罐和檢修）、進罐時間（包括打料，滅菌）和生長停滯期；X0和Xt是起始和終了的細胞濃度。,總的生產(chǎn)率,由此式可

31、以求出發(fā)酵操作過程的變化對總生產(chǎn)率的影響。較大的種子量將增加X0，從而縮短發(fā)酵的過程，減少放罐、檢修、打料、滅菌時間，同樣可縮短總周期。使用生長活力強的種子可縮短生長停滯期。例如，在發(fā)酵周期短（18-48小時）的面包酵母或谷氨酸的生產(chǎn)過程中，放罐和檢修時間對總的生產(chǎn)率影響較大；對于長周期（160-200小時）的抗生素發(fā)酵過程來說，幾小時的發(fā)酵罐準備時間的差別對總的生產(chǎn)率的影響不大。,分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率,四、連續(xù)發(fā)酵動力學,按種類（設(shè)備）分： 活塞流反應器 反應物不斷沿軸向流過，若在反應器的橫截面上各點的軸向流速都相等，則稱此類反應器為活塞流反應器。這是一類理想的反應器，實際上反應器都與這類反應器有所偏離。在一般情況下，活塞流反應器的生產(chǎn)能力高于其他流動型式反應器的生產(chǎn)能力。 活塞流軸向不存在任何形式的混合,全混流反應器 物料進入反應器的瞬間即與反應器內(nèi)原有的物料完全混合，反應器內(nèi)物料的組成和溫度處處相等，且等于反應器出口處物料的組成和溫度。全混流反應器中，物料可能在進入反應器的瞬間即離開反應器，也可能長時間停留，因而有很寬的物料停留時間分布。攪拌良好且流體粘度不大時，連續(xù)攪拌釜式反應器的流動狀況十分接近全混流模型。,全混流