第二章 发酵机制与发酵动力学

1、第二章 发酵机制与发酵动力学第一节微生物的生长与分化第二节微生物的初级代谢和次级代谢第三节微生物生物合成的调控机制第四节发酵动力学的基本概述第五节发酵动力学模式第六节 发酵培养方法第一节微生物的生长与分化在任何生物系统中，生长是生物的所有化学成分有秩序地增长，也是全部生理活动有秩序地相互作用的结果。分化则是使生物的细胞形成和功能因向不同的方向发展而由一般变为特殊的现象，是细胞中的遗传物质转录或翻译逐渐受到限制的结果。研究生长可以了解微生物怎样分化、繁殖，在各种环境中怎样适应和保护自己。为了控制菌体生长，首先要寻求测量各种微生物生长的方法，特别是要寻找含有非细胞固体物质的菌体量测定的可行办法。其

2、次，要了解微生物生长繁殖的方式与工业生产的关系；了解各种环境条件变化对生产菌生长的影响；并设计合理的发酵培养基配方和工艺条件。有许多迹象表明，微生物的分化、产孢子的生长分化的调节规律，无疑是发酵调控原理的一个重要组成部分。一、微生物的生长繁殖二、微生物的生长曲线三、微生物细胞的分化一、微生物的生长繁殖1、微生物的生长2、微生物的繁殖 1、微生物的生长 微生物吸收营养物质后，通过代谢作用，合成新的细胞成分，使菌体重量、体积增加的现象，称为生长。2、微生物的繁殖 微生物吸收营养物质后，通过代谢作用，菌体数量增多的现象称为繁殖。一、微生物的生长繁殖1、细菌的生长繁殖2、放线菌的生长繁殖 3、霉菌的生

3、长繁殖 4、酵母的生长繁殖二、微生物的生长曲线1、微生物的生长曲线定义2、微生物生长曲线的划分 1、微生物的生长曲线定义将一定数量的细菌接种于合适的液体培养基中，在适宜温度下培养，定时取样计算菌数，以菌数的对数值为纵坐标，生长时间为横坐标作图，绘制所得的曲线称为生长曲线。2、微生物生长曲线的划分 、滞留适应期； 、对数生长期； 、最高生长量期； 、衰亡期。三、微生物细胞的分化1、定义 微生物细胞的分化指从营养细胞或菌丝体产生不同形态的细胞的过程2、类型、菌体营养细胞的分化、菌体营养细胞向孢子的分化第二节微生物的初级代谢和次级代谢微生物从生活环境中，吸收其所需的碳源和氮源等营养物质，经过菌体的一

4、系列分解作用之后，所产生的中间产物进一步同化为菌体结构的组成部份或以贮存物的形式存放于细胞里；还有一些代谢产物成为分泌物或排泄物，排放到菌体生长的基质中。微生物分解营养物质所产生的代谢产物，其中很多对人类是非常有用的。因此，过去人们通过传统发酵，生产各种产品；而今天，则以发酵工程向微生物索取各种代谢产物。因此，了解微生物对营养物质的分解以及代谢产物是非常重要的。1、同其它生物一样，微生物的物质代谢也包括分解（异化）和合成（同化）两种作用。2、分解作用是将复杂有机物转变为简单化合有机物；3、 合成作用是将简单化合物转变为复杂有机物。分解代谢为合成代谢提供能量与原料，合成代谢是分解代谢的前提。4、

5、两者相互依存、对立、偶联进行。为微生物生长、繁殖提供物质基础。生物体内新陈代谢的生化特征:1、代谢必须通过一系列中间步骤（中间代谢），按严格的顺序进行；2、所有代谢反应都是酶促反应；3、代谢主要通过活细胞进行；4、代谢过程具有灵敏的自我调节系统，从而把代谢水平维持在一定范围内。发酵产物的一般形成过程第一阶段的特点：1、大分子降解阶段，也称为液化阶段。2、原料中固有的酶和微生物产生的酶同时水解有机质。3、参与的微生物有淀粉分解菌、蛋白质分解菌、果胶分解菌、纤维素分解菌和脂肪分解菌等。第二阶段的特点：1、在原料降解的同时，产生各种各样的代谢产物，称为第二阶段。2、代谢产物形成阶段的方向，决定了发酵

6、产物的最终方向。3、持续时间较长。第三阶段的特点：1、使各种各样的代谢产物组成基本平衡。2、形成特定的发酵产品。一、微生物初级代谢初级代谢是一类普遍存在于一切生物中的代谢类型。它是与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢的代谢类型。初级代谢的过程自始自终存在于一切活的机体之中，它同机体的生长过程呈平行关系初级代谢产物是指生物体内重要的单体（如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等）以及由这些单体组成的各种大分子聚合物（如多糖、蛋白质、核酸、脂类等）。 初级代谢产物通常都是生物体生存必不可少的物质，只要在这些物质的合成过程中的某个环节上发生问题，轻则引起生长停止，重则导致机体发生突变或死亡。(一）

7、、营养物质的分解异化作用(一)-1、碳水化合物的分解1、多糖的水解2、单糖的分解葡萄糖和果糖（其它单糖也可转化为葡萄糖与果糖）是有机营养型微生物的主要碳源与能源物质，它们在细胞内的分解分为两步进行。1）、葡萄糖降解为丙酮酸葡萄糖降解为丙酮酸的常见的主要途径EMP途径，又称糖酵解途径HMP途径，又称己糖-磷酸途径葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，不完全HMP途径磷酸戊糖经转酮转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。完全HMP途径由六个葡萄

8、糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2 和水），HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径1. 葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO22. 核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸3.上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸HMP途径的重要意义 为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链 产生大

9、量的能量。 与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。 途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。 途径中存在37碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。 通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。 HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。ED途径，又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。1952年在Pseudomonas saccharophila中

10、发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。 ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。 ED途径的特点葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶.反应步骤简单，产能效率低.此途径可与EMP途径、HMP途径

11、和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.2）、丙酮酸（有氧或无氧下)继续分解（1）、无氧条件下，丙酮酸被不同微生物发酵为各种产物酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3丁二醇发酵丁酸发酵酵母菌的乙醇发酵：该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵（2）、有氧条件下，丙酮酸进入TCA循环TCA循环的重要特点1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将

12、NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原；3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；5、生物体提供能量的主要形式；6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如 柠檬酸发酵；Glu发酵等。A、 柠檬酸的发酵B、柠檬酸代谢调控特点柠檬酸是微生物好气代谢途径的中间产物，正常情况下并不积累。为了积累柠檬酸需要的条件：、柠檬酸合成酶、磷酸烯醇丙酮酸羧化酶和丙酮酸羧化酶要强大；、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、异柠檬酸裂解酶、草酰乙酸水解酶等与柠檬酸和其底物草酰乙酸分解有关的酶要微弱；、在缺锰时，可减少HMP和TCA循环中的有关酶的活性，

13、提高NH+离子的浓度，解除PFK受柠檬酸的抑制。、乌头酸酶失活是阻断TCA循环积累柠檬酸的必要条件之一。该酶需Fe2+ 。C、柠檬酸的调控机制-黑曲霉中柠檬酸积累的代谢调节由于锰的缺乏可以抑制蛋白质合成而导致细胞内NH4+ 浓度升高和一条呼吸活性强的侧系呼吸链不产生ATP，这两方面的因素分别解除了对磷酸果糖激酶的代谢调节，促进了EMP途径畅通。由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草酰乙酸。在控制Fe2+ 含量的情况下，乌头酸水合酶活性低，从而不能及时转化柠檬酸。一旦柠檬酸浓度升高，就会抑制异柠檬酸脱氢酶，从而进一步促进了柠檬酸自身的积累。 (二)-2、蛋白质的分解 (三)-3、其它有机物的分解

14、(二）、细胞物质的合成同化作用1、氨基酸的发酵机制2、核酸的发酵机制3、多糖的发酵机制4、脂类的发酵机制氨基酸和核酸发酵是典型的代谢控制发酵。这种控制发酵就是利用遗传学或其他生物化学的方法，人为地在脱氧核糖核酸(DNA)的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，打破微生物正常的代谢调节，使有用的产物大量生成和积累。补充复习概念-微生物代谢调控的几个概念1、酶合成诱导2、酶合成阻遏3、酶活力的调节1、酶合成诱导、诱导凡能促进酶生物合成的现象称为诱导、组成酶组成酶是细胞固有的酶类，它的合成是在相应的基因控制下进行的，不因分解底物或其结构类似物的存在而受到影响。、诱导酶诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构

15、类似物而临时合成的一类酶。、诱导物能促使诱导酶产生的物质称为诱导物。、正控诱导当细胞中某一成分的存在可使某一细胞功能得以实现，而当某成分的消失应会导致功能不能实行的调节方式、负控诱导与正控诱导的现象相反。、关键酶(调节酶)代谢途径中的第一个酶。2、酶合成阻遏、阻遏能阻碍酶生物合成的现象称为阻遏。、末端代谢产物阻遏由某种代谢途径末端产物的过量累积而引起的阻遏。、分解代谢产物阻遏细胞内同时有两种分解底物存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成现象。3、酶活力的调节、同功酶反馈调节、协同反馈调节、积累反馈调节、顺序反馈调节、同功酶反馈调节同功酶也叫同工酶，是指能催化相同的生化反应，

16、但酶的分子结构存在差异的一类酶。同功酶的主要功能在于它的调节代谢。、协同反馈调节是指必须由多种末端产物都同时过量时，关键酶的抑制才能起作用。、积累反馈调节每一个末端代谢产物只部分抑制共同反应途径中第一个酶的活力，几种末端产物存在，则抑制量相加，但是互不影响。、顺序反馈调节末端产物E的过量使C D的反应停止。使C更多的合成G，而G的过量则导致CF反应停止。结果造成C的积累，引起AB的反应抑制，最终使整个反应终止。(二）、细胞物质的合成同化作用1、氨基酸的发酵机制2、核酸的发酵机制3、多糖的发酵机制4、脂类的发酵机制1、氨基酸的发酵机制 1)、谷氨酸族氨基酸生物合成途径与谷氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸、精

17、氨酸发酵机制； 2)、天冬氨酸族氨基酸生物合成途径与赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸发酵机制； 3)、分支链氨基酸族氨基酸生物合成途径与缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸发酵机制； 4)、芳香族氨基酸生物合成途径与色氨酸、 苯丙氨酸、酪氨酸的发酵机制。谷氨酸发酵机制1、谷氨酸比天冬氨酸优先合成。谷氨酸合成过量时，谷氨酸抑制谷氨酸脱氢酶的合成，使代谢转向合成天冬氨酸；2、天冬氨酸合成过量后，反馈抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活力，停止草酰乙酸的合成。谷氨酸不积累。3、谷氨酸产生菌为生物素缺陷型，亚适量的生物素改变细胞膜的通透性，使谷氨酸分泌菌外积累。4、酮戊二酸脱氢酶缺陷或微弱，使酮戊二酸不能继续氧化；5、谷氨酸脱氢

18、酶活力很强，加快酮戊二酸的加氨作用成谷氨酸。同时丧失谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的反馈抑制和反馈阻遏。6、谷氨酸分泌体外积累，不参与蛋白质的合成，菌体不直接利用体外的谷氨酸，使得谷氨酸积累。苯丙氨酸代谢调节机制1、切断芳香族氨基酸生物合成向酪氨酸和色氨酸的代谢支路，选育色氨酸和酪氨酸双重缺陷性（phe-tyr-）突变株，2、遗传性的解除苯丙氨酸自身对预苯酸脱水酶和分支酸变位酶的反馈抑制和阻遏，3、解除苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸对DAHP合成酶的反馈调节，选育苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸多重结构类似物抗性突变株，4、发酵中限量添加酪氨酸和色氨酸，保证菌体基本生存。5、最终苯丙氨酸大量积累。二、微生物初级代谢产

19、物 一）、微生物的次级代谢二）、微生物的次级代谢的特点三）、次级代谢产物的合成 一）、微生物的次级代谢 次级代谢是指某些生物为了避免在初级代谢过程中某种中间产物的积累所造成的不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。次级代谢产物是指由次级代谢合成的产物。它们通常是糖苷类、多肽类或烯萜类等化合物。在微生物中常见的有 色素、抗生素、维生素毒素以及刺激素等。次级代谢产物是指由次级代谢合成的产物。它们通常是糖苷类、多肽类或烯萜类等化合物。在微生物中常见的有色素、抗生素、毒素以及刺激素等。 次级代谢产物对于生物本身来说，不是机体生存所必需的物质，即使在次级代谢过程的某个环节上发生问题，也不会导致机体生长

20、的停止和死亡，而最多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力。二）、微生物的次级代谢的特点1、不参与微生物的生长和繁殖；2、具有种的特异性；3、分批发酵时，产生菌生长周期分为三个时期； 、菌体生长期；、产物合成期；、菌体自溶期。4、次级代谢产物不少是结构相似的混合物；5、生产能力受微量金属离子（Fe+2、 Fe+3、 Mn+2、 Co +2、Zn +2、Ni+2等）和磷酸盐等无机离子的影响6、在多数情况下，增加前体是有效的；7、次级代谢酶的特异性不一定比初级代谢酶高，次级代谢酶的底物特异性在某种程度上说是比较广。如果供给与底物结构类似的物质，则可以得到与天然不同的次级代谢产物。8、培养温度过高或

21、菌种移植次数过多，会使抗生素的生产能力下降，其原因可能是参与抗生素合成的菌种的质粒脱落的原因。9、次级代谢在其一个系列当中与一个酶相对应的底物也可以成为其他酶的底物。一个产物可由多种中间体和途径来取得。三）、次级代谢产物的合成（一）、次级代谢产物的构建单位（二）、次级代谢产物合成的基本过程（一）、次级代谢产物的构建单位1、聚酮体2、甲羟戊酸3、糖类和氨基糖4、不常见的氨基酸5、环多糖和氨基环多糖6、非核酸的嘌呤和嘧啶的生物合成1、聚酮体许多次级代谢产物是由乙酸、丙酸、丁酸单位和某些短链脂肪酸通过聚酮体途径衍生形成的。 如：大环内酯类抗生素的内酯环 四环类抗生素的苯骈体等等。2、甲羟戊酸甲羟戊酸

22、(MVA，3-甲基-3,5-二羟基戊酸)。也是某些种类次级代谢产物的构建单位。由乙酸综合形成。 如：赤霉素、生物碱、梭链孢酸、甾醇、胡萝卜素等等。3、糖类和氨基糖次级代谢产物中不少是由糖类和氨基糖作为其合成的前体物质。 如：大环内酯类抗生素； 冬虫夏草素3-脱氧-D-红戊糖等等。4、不常见的氨基酸在次级代谢中不少产物含有异常的200余种非蛋白质氨基酸。 如：D-氨基酸、N-甲基氨基酸等等。 青霉素、头孢菌素等等。5、环多糖和氨基环多糖不少次级代谢产物的前体是由环多糖和氨基环多糖构成的。 如：链霉素、庆大霉素、卡那霉素等等。6、非核酸的嘌呤和嘧啶的生物合成 在次级代谢产物中出现的非核酸嘌呤碱基是

23、由合成核酸用嘌呤和嘧啶经过化学修饰而形成的。如：嘌呤霉素(3-脱氧嘌呤核苷酸类抗生素)。（二）、次级代谢产物合成的基本过程1、构建单位的聚合2、次级代谢产物的最终修饰3、次级代谢产物生物合成中的关键酶 第三节微生物生物合成的调控机制一、次级代谢与初级代谢的关系初级代谢与次级代谢在生物体内是密不可分的两种代谢途径，因此在研究次级代谢过程中必须与初级代谢紧密联系，才能深入了解次级代谢产物的合成、调控机制。二、初级代谢产物合成中的主要调控机制一）、酶活性的调节二）、酶合成的调节三）、能荷调节 一）、酶活性的调节酶活性的调节就是指通过调节已有酶的活性来调节代谢速率的调控机制。1、酶活性的激活酶活性激活

24、也叫前体激活。即代谢途径中后面的反应可以被该途径较前面的一种代谢中间产物所促进。如：异柠檬酸脱氢酶的活性受到柠檬酸的激活。（粗糙脉孢霉）2、酶活性的抑制反馈抑制是指反应途径中某些中间产物或末端产物对该途径中前面反应的影响。正反馈负反馈、协同反馈抑制、累积反馈抑制、增效反馈抑制、顺序反馈抑制二）、酶合成的调节1、酶合成诱导、组成酶-某些酶的合成不依赖于环境中物质中存在。称为组成酶。如糖酵解途径中的各种酶。、诱导酶-某些酶只有在它们的催化的底物（或底物的结构类似物质）存在时才能起作用的酶类。如大肠杆菌乳糖酶。2、酶合成的阻遏合成酶主要由反馈调节来控制代谢过程。1）、反馈抑制2）、反馈阻遏1）、反馈

25、抑制反馈抑制是指代谢反应途径中某些中间产物或末端产物对该途径中前面的反应的促进或降低的作用。、正反馈促进反应加速作用的反馈抑制称为正反馈。、负反馈降低反应速度作用的反馈抑制称为负反馈。2）、反馈阻遏、多价阻遏在两种或两种以上末端产物分支途径中，当分支途径中的几种末端产物同时过量时，则反馈阻遏其中共同途径中的第一个酶的合成。仅一种产物过量无阻遏作用。、分解产物的阻遏被菌体能够迅速利用的底物或其分解产物对许多酶（降解酶、合成酶）合成的抑制作用。A、碳分解产物阻遏B、氮分解产物阻遏三）、能荷调节能荷是指细胞中ATP、ADP、AMP系统中可供利用的高能磷酸键的量度。能荷调节就是指细胞通过改变ATP、A

26、DP、AMP三者比例来调节其代谢活动。 三、次级代谢产物合成中的主要调控机制在自然生态条件下，微生物具有合成次级代谢产物的能力，只是含量甚少，不易被发现。由于次级代谢产物在微生物生命活动中有一定的生理功能，所以次级代谢必然处于微生物的总体调节控制之中。但是次级代谢途径比初级代谢复杂，它的生物合成途径的调控机制目前还不是很清楚。一）、酶合成的诱导调节二）、反馈调节三）、磷酸盐调节四）、ATP的调节五）、碳分解产物的调节六）、氮分解产物的调节 七）、产生菌生长速率的调节 一）、酶合成的诱导调节（诱导酶）1、内源诱导酶2、外源诱导酶1、内源诱导酶诱导物是由菌体代谢过程中产生的，此类诱导酶称为内源诱导

27、酶。2、外源诱导酶诱导物为外部加入称为外源诱导酶。二）、反馈调节1、次级代谢产物自身反馈抑制2、前体物质的自身反馈抑制3、支路产物反馈抑制4、次级代谢产物自身反馈阻遏1、次级代谢产物自身反馈抑制、近年来发现青霉素、链霉素等多种次级代谢产物能调节自身的生物合成。、抑制抗生素自身合成所需要的浓度与产生菌的生产能力表现出正相关关系。2、前体物质的自身反馈抑制次级代谢产物均从初级代谢产物衍生来的，合成次级代谢产物的前体的自身反馈抑制，必然影响次级代谢产物的合成。如青霉素合成的前体物质缬氨酸调控机制。3、支路产物反馈抑制初级代谢的末端产物能反馈抑制共用途径中某些酶的活性，影响次级代谢产物生物合成。如赖氨

28、酸反馈抑制产黄青霉菌合成青霉素的调控机制。4、次级代谢产物自身反馈阻遏 此类型不多见，氯霉素的合成调控机制。三）、磷酸盐调节在抗生素等多种次级代谢产物合成中，高浓度磷酸盐表现出较强的抑制作用。这种调节作用称为磷酸盐调节。1、磷酸盐能促进初级代谢，抑制菌体的次级代谢。2、过量磷酸盐抑制次级代谢产物前体的生物合成。3、磷酸盐阻抑次级代谢中的磷酸酯酶第四节发酵动力学的基本概述发酵过程是非常复杂的生化反应过程，它要受到内外环境条件的制约。因而要想取得良好的发酵成果，就必须研究各种发酵过程变量在活细胞作用下的变化规律，以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响。发酵动力学的定义：发酵动力学是研究发酵过程中

29、菌体生长、 基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律的学科。一、发酵动力学研究的内容二、发酵动力学研究的方法三、发酵动力学与过程优化控制一、发酵动力学研究的内容1、细胞生长和死亡动力学2、基质消耗动力学3、氧消耗动力学4、CO2生成动力学5、产物合成和降解动力学6、代谢热生成动力学 二、发酵动力学研究的方法1、获得发酵过程变化的各种理化参数；2、将各种参数和现象与发酵规律相互联系，并找出相互关系和变化规律；3、建立各种数学模型；4、借助计算机在线控制，验证模型可行性和适用范围。三、发酵动力学与过程优化控制1、确定最佳发酵工艺条件2、建立发酵过程中的菌体浓度、基质浓度、温度、PH、溶氧等工艺参数

30、的控制方案；3、反复优选，设计出合理的发酵过程。达到生产控制的最优化。第五节发酵动力学模式一、发酵过程的特点二、反应动力学描述的简化三、发酵动力学常用的几个概念四、发酵动力学模式一、发酵过程的特点1、多相：气相、液相和固相2、多组分：培养基中多种营养成分，多种代谢产物，细胞内也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。3、非线性：细胞代谢过程用非线性方程描述。4、复杂群体的生命活动二、反应动力学描述的简化1、动力学是对细胞群体的动力学行为的描述2、确定论模型：不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值，在此基础上建立的模型称为确定论模型。3、概率论模型：如果考虑到每个细胞之间的差别，则建立的模型

31、为概率论模型。4、结构模型：如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做为过程变量。5、非结构模型：菌体视为单组分的模型称为非结构模型，6、关联模型：通过物料平衡建立超经验或半经验的关联模型7、均衡生长：如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为均衡生长。8、非均衡生长：如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加比例不同，称为非均衡生长。9、非结构模型：生模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构模型。10、分离化模型：将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。11、均一化模型：如果把细胞和培养液视为一相

32、，建立的模型为均一化模型。三、发酵动力学常用的几个概念1得率(或产率，转化率，Y)：包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。、得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。、生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重量(g)，即Yx/s=XS。、产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或mol数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质量(S。一S)。 、转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。 2基质比消耗速率(qs ， g(或mo1)g菌体·h)：指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量

33、。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。 在比较不同微生物的发酵效率上面这个参数是非常有用的。3产物比生产速率(qp，g(或mo1)g菌体·h)：指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速度或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。4发酵周期：发酵周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。 但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间也计算在内。即从第一罐接种经发酵结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵周期，这样才能正确反映发酵设备的利用效率。四、发酵动力学模式一)、根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类二)、根据产物形成与基质消耗的

34、关系分类三)、根据反应形式分类一)、根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类细胞浓度(x)或产物浓度对时间作图时，两者密切平行，其最大的比生长速率和最大的产物合成比速率出现在同一时刻。一般来说在这种类型的发酵生产中，控制好最佳生长条件就可获得产物合成的最适条件。 1生长产物合成偶联型：也称型。这种发酵类型的特点是： 、微生物的生长和糖的利用与产 物合成直接相关连。 、产物的形成与生长是平行的。 、产物合成速度与微生物生长速度呈线性关系，而且生长与营养物的消耗成准定量关系。 这种类型的产物主要是葡萄糖代谢的初级中间产物，如乙醇发酵就属于此类型。 2生产与产物合成 非偶联类型 (型) 产物的合成发生

35、在生长停止之后(即产生于次级生长开始)。把这类与生长无关联的产物称为次级代谢产物。产物合成速度与碳源利用也不存在定量关系。 大多数抗生素、微生物毒素的发酵是非偶联类型。3生长产物合成半偶联类型： 亦称型 它是介于生长产物合成偶联型与生长产物合成非偶联之间的中间类型，产物的合成存在着与生长相联和不相联两个部分。 该类型的动力学产物合成比速率的最高时刻要迟于比生长速率最高时刻的到来。柠檬酸、衣康酸、谷氨酸、赖氨酸、丙酮、丁醇等发酵属于半偶联类型。二)、根据产物形成与基质消耗的关系分类1、类型 2、类型 3、类型 1、类型 产物的形成直接与基质(糖类)的消耗有关，这是一种产物合成与利用糖类有化学计量

36、关系的发酵，糖提供了生长所需的能量。糖耗速度与产物合成速度的变化是平行的，如利用酵母菌的酒精发酵和酵母菌的好气生长。在厌氧条件下，酵母菌生长和产物合成是平行的过程；在通气条件下培养酵母时，底物消耗的速度和菌体细胞合成的速度是平行的。这种形式也叫做有生长联系的培养。 2、类型 产物的形成间接与基质(糖类)的消耗有关，例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。 微生物生长和产物合成是分开的，糖分既供应生长所需能量，又充作产物合成的碳源。 在发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅速，一个是最高生长时期，另一个是最大产物合成时期。 如在用黑曲霉生产柠檬酸的过程中，发酵早期糖被用于满足菌体生长，直到其他营养成分耗尽为止；然后代谢进入使柠檬酸积累的阶段，产物积累的数量与利用糖分数量有关，这一过程仅得到少量的能量。3、类型 产物的形成与基质(糖类)的消耗无关，例如青霉素、链霉素等抗生素发酵。 即产物是微生物的次级代谢产物，其特征是产物合成与利用碳源无准量关系。产物合成在菌体生长停止及底物被消耗完以后才开始。此种培养类型也叫做无生长联系的培养。三)、根据反应形式分类1、简单反应型2、并行反应型3 、串联反应型4、分段反应型5、复合型1、简单反