第四章-发酵机制与发酵动力学课件

第四章发酵机制与发酵动力学第四章发酵机制与发酵动力学1本章的教学内容第一节糖嫌气性发酵产物发酵机制第二节柠檬酸发酵机制第三节氨基酸发酵机制第四节抗生素发酵机制第五节发酵动力学

本章的教学内容第一节糖嫌气性发酵产物发酵机制2第一节糖嫌气性发酵产物发酵机制糖酵解（glycolysis)是指葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸后，在无氧条件下继续降解并释放出能量的过程。NADH2在此过程中将氢交给不同的有机物，形成各种不同的代谢产物。第一节糖嫌气性发酵产物发酵机制糖酵解（glycolysis3糖酵解途径的特点

糖酵解途径广泛存在于各种细胞内，它的任何一个反应均不需要氧；糖酵解可以分为两个阶段：准备阶段（由葡萄糖生成3-磷酸甘油醛）；第二阶段（由3碳糖生成丙酮酸）。催化糖酵解反应的酶主要有激酶、变位酶、异构酶和脱氢酶；其它糖类作为碳源须先转化成葡萄糖或其中间代谢产物才能利用；不同机体和不同代谢条件下，丙酮酸代谢去路不同。糖酵解途径的特点

糖酵解途径广泛存在于各种细胞内，它的任何一4第四章-发酵机制与发酵动力学课件5

1、酒精发酵机制

1、酒精发酵机制

6由葡萄糖生成乙醇的总反应式:

理论转化率:

由葡萄糖生成乙醇的总反应式:

理论转化率:

7

巴斯德效应

A、定义:在好气条件下,酵母发酵能力降低(或乙醇的

积累减少,或细胞内糖代谢降低)的现象。

B、机制:EMP途径中磷酸果糖激酶在有氧时受TCA循环

中间代谢产物的反馈调节。

(1).磷酸果糖激酶为变构酶,抑制剂：ATP、柠檬酸和

其它高能化合物;激活剂:AMP和ADP。

(2).好气条件下,进入TCA循环,产生的高柠檬酸量反

馈阻碍酶的合成,大量的ATP反馈抑制酶的活性。

(3).6-磷酸果糖积累对EMP途径进行抑制,导致葡萄糖

利用降低。

巴斯德效应

A、定义:在好气条件下,酵母发酵能力降低(或8酒精发酵中副产物的生成

(1).杂醇油

A.定义:碳原子数大于2的脂肪族醇类的统称。

B.组成：正丙醇、异丁醇、异戊醇和活性戊醇等。

C.形成途径:氨基酸氧化脱氨作用;葡萄糖直接生成。

(2).甲醇

果胶（聚半乳糖醛酸甲酯）中甲氧基被水解生成。

(3).酯类

发酵过程产生的醇类和酸类经酯化生成。酒精发酵中副产物的生成

(1).杂醇油

A.定义:9第四章-发酵机制与发酵动力学课件10

2、乳酸发酵机制

同型乳酸发酵

2、乳酸发酵机制

同型乳酸发酵

11

总反应式为:

理论转化率:

:

总反应式为:

理论转化率:

:12

异型乳酸发酵

A.6-磷酸葡萄糖酸途径

异型乳酸发酵

A.6-磷酸葡萄糖酸途径

13总反应式为:

C6H12O6→CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH

理论转化率:

(90/180)×100%=50%

总反应式为:

C6H12O6→CH3CHOHCOOH+14

B.双歧途径

B.双歧途径

15总反应式为:

2C6H12O6→2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH

理论转化率:

(2×90)/(2×180)×100%=50%

总反应式为:

2C6H12O6→2CH3CHOHC16第四章-发酵机制与发酵动力学课件173、甘油发酵机制A.亚硫酸盐法甘油发酵（酵母第二型发酵）3、甘油发酵机制A.亚硫酸盐法甘油发酵（酵母第二型发酵）18B.碱法甘油发酵(酵母第三型发酵)

B.碱法甘油发酵(酵母第三型发酵)

19第二节柠檬酸发酵机制柠檬酸发酵属于好氧发酵，其发酵机制是在了解了三羧酸循环的基础上才逐渐弄清楚的。第二节柠檬酸发酵机制柠檬酸发酵属于好氧发酵，其发酵机制是201.柠檬酸生物合成途径

1.柠檬酸生物合成途径

21葡萄糖生成柠檬酸的总反应式为:

2C6H12O6+3O22C6H8O7+4H2O

理论转化率为106.7%

2.柠檬酸生物合成的代谢调节

(1).糖酵解及丙酮酸代谢的调节

磷酸果糖激酶(PFK)是调节酶,柠檬酸和ATP对该酶抑制,AMP、Pi和NH4+对酶激活;

NH4+在细胞内浓度升高,解除胞内积累的大量柠檬酸对酶的抑制;

葡萄糖生成柠檬酸的总反应式为:

2C6H1222第四章-发酵机制与发酵动力学课件23

柠檬酸合成有关酶的调节性质

酶激活剂抑制剂磷酸果糖激酶NH4+、AMP、Pi柠檬酸、PEP、ATP(浓度较高时)丙酮酸激酶NH4+、K+丙酮酸羧化酶K+天冬氨酸、Pi柠檬酸合成酶NH4+、K+CoA、ATP-Mg异柠檬酸脱氢酶柠檬酸、NADPH、-酮戊二酸琥珀酸脱氢酶草酰乙酸柠檬酸合成有关酶的调节性质

24第四章-发酵机制与发酵动力学课件25第四章-发酵机制与发酵动力学课件26结论:

Mn2+缺乏使蛋白质和核酸合成受阻,导致细胞内NH4+水平升高而减少柠檬酸对PFK的抑制，促进了EMP途径的畅通。

结论:

Mn2+缺乏使蛋白质和核酸合成受阻,导致细胞27(2).CO2固定化反应

丙酮酸+CO2+ATP丙酮酸羧化酶草酰乙酸+ADP+Pi①

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+

ATP②

结论1:

在组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,保证柠檬酸的积累。

结论2:

丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA,和CO2固定两个反应平衡,保持了柠檬酸合成能力。(2).CO2固定化反应

丙酮酸+CO2+ATP丙酮28

(3).三羧酸循环的调节

结论:

在三羧酸循环的发酵过程中,阻断顺乌头酸酶水合酶和异柠檬酸脱氢酶的催化反应,建立一种平衡关系，大量积累柠檬酸:

柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3：7

A.络合剂(亚铁氰化钾)除去Fe2+,顺乌头酸水合酶的活性被抑制。

B.柠檬酸的积累使pH值下降,在低pH值下,顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活,更有利于柠檬酸的积累并排出体外。

(3).三羧酸循环的调节

结论:

29第三节、氨基酸发酵机制

(一)、氨基酸发酵的机制和代谢控制

1、氨基酸发酵机制主要包括：谷氨酸族(谷、瓜、鸟、精氨酸等)、天冬氨酸族(赖、苏、蛋等)、芳香族(苯丙、酪、色氨酸等)、分枝链(亮、异亮、缬氨酸等)。

2、氨基酸发酵代谢控制的一般措施：

A、控制发酵的环境条件；B、控制细胞渗透性；

C、控制旁路代谢；D、消除终产物的反馈调节作用

E、降低反馈作用物的浓度；F、促进ATP的积累

(二)、谷氨酸发酵机制

1.谷氨酸生物合成途径：

EMP途径、HMP途径、TCA循环、DCA循环、CO2固定作用第三节、氨基酸发酵机制

(一)、氨基酸发酵的机制和代谢控30第四章-发酵机制与发酵动力学课件31第四章-发酵机制与发酵动力学课件322.谷氨酸生物合成途径的控制

(1).三羧酸循环的调节

通过驯育谷氨酸高产菌控制三羧酸循环下列酶的活性:

A.α-酮戊二酸脱氢酶应丧失或仅有微弱的活力。

B.CO2固定反应的酶系强,使四碳二羧酸全部是由CO2固定

反应提供,而不走乙醛酸循环,以提高对糖的利用率。

C.谷氨酸脱氢酶的活力很强,并丧失谷氨酸对谷氨酸脱

氢酶的反馈抑制和反馈阻遏。

2.谷氨酸生物合成途径的控制

(1).三羧酸循环的调节

33(2).氨的导入和控制

氨的导入主要方式:糖代谢中间体还原氨基化;天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移；谷氨酸合成酶途径。

谷氨酸发酵受NH4+的影响。使用生物素缺乏菌,在NH4+存在时,葡萄糖以很快的消耗速度和高的收率生成谷氨酸;

当NH4+不存在时,糖的消耗速度很慢,生成物是α-酮戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸。

(2).氨的导入和控制

氨的导入主要方式:糖代谢中34NADP为辅酶的异柠檬酸脱氢酶和NADPH+H+为辅酶的

谷氨酸脱氢酶形成共轭反应,NADP浓度是实际上的

限速因子,添加氧化还原电位与NADP相似的氧化还

原染料,并通以电流可促进还原氨基化作用,增加谷

氨酸产量。

NADP为辅酶的异柠檬酸脱氢酶和NADPH+H+为35(3).控制细胞渗透性

A、控制生物素、油酸浓度或添加表面活性剂如吐温80、阳离子表面活性剂。引起细胞膜的脂肪酸成分的改变,尤其是改变油酸含量,从而改变细胞膜通透性；

B、加入青霉素或控制Mn+、Zn+浓度。抑制细胞壁的合成,由于细胞膜失去细胞壁的保护,细胞膜受到物理损伤,从而使渗透性增强。

C、生产中菌种选育模型与控制方法:生物素缺陷型;油酸缺陷型;甘油缺陷型等。

(3).控制细胞渗透性

A、控制生物素、油酸浓度或添36

(4).控制发酵的工艺条件

谷氨酸发酵是人工控制发酵条件成功进行大规模生产的典型例子。

主要的影响因子有：溶解氧、NH4+、pH、磷酸生物素、醇类和NH4Cl。

(4).控制发酵的工艺条件

谷氨酸发酵是人工控制37第四节抗生素发酵机制

1、抗生素的生物合成类型

A.蛋白质衍生物

简单的氨基酸衍生物：环丝氨酸、重氮丝氨酸等；

寡肽抗生素：青霉素、头孢菌素等；

多肽类抗生素：多粘菌素、杆菌肽等；

多肽大环内脂抗生素：放线菌素等；

含嘌呤和嘧啶碱基的抗生素：曲古霉素、嘌呤霉素等

第四节抗生素发酵机制

1、抗生素的生38B.糖类衍生物

糖苷类抗生素：链霉素、卡那霉素等；

与大环内脂连接的糖甙抗生素：红霉素、碳霉素等；

其他糖甙抗生素：新生霉素等。

C.以乙酸为单位的衍生物

乙酸衍生物的抗生素：四环类抗菌素、灰黄霉素等；

丙酸衍生物的抗生素：红霉素等；

多烯和多炔类抗生素：制霉素、曲古霉素等。

B.糖类衍生物

糖苷类抗生素：链霉素、卡那霉素等392、青霉素、头孢菌素的生物合成机制

青霉素、头孢菌素的化学结构如下：2、青霉素、头孢菌素的生物合成机制

青霉素、头孢菌40第四章-发酵机制与发酵动力学课件413、链霉素的生物合成机制

链霉素的化学结构如下：3、链霉素的生物合成机制

链霉素的化学结构如下：42第四章-发酵机制与发酵动力学课件43第四章-发酵机制与发酵动力学课件44

4、抗生素生物合成的代谢调节方式

(1)、细胞生长期到抗生素产生期的过渡

次级代谢产物是在菌体生长到达相对静止期才产生。在细胞生长阶段,负责次级代谢产物合成的酶受到阻遏。

A.诱导因子在生长期末积累或从外源加入;

B.初级代谢的终点产物耗尽;

C.易被利用的糖源分解代谢物被利用后,便解除了阻遏作用;

D.高能化合物ATP形成减少后，阻遏作用也就解除;

E.在生长期，RNA聚合酶只能启动生长期基因的转录作用；当生长停

止后,酶的结构改变,允许RNA聚合酶启动生产期基因的转录作用,

负责抗生素合成的酶开始生成。

4、抗生素生物合成的代谢调节方式

(1)、细胞生长期到抗生45(2)酶的诱导作用

在抗生素合成期,参与次级代谢的有些酶是诱导酶。

需要底物或底物的结构类似物(外源和内源诱导剂)。

(2)酶的诱导作用

在抗生素合成期,参与次级代谢的有46

(3)分解代谢产物的调节控制

碳、氮分解代谢产物(如葡萄糖)阻遏和抑制作用,抑制抗生素合成。解除分解产物阻遏的方法:

A.选育对葡萄糖代谢产物类似物抗性突变型;

B.培养过程中利用缓慢的碳源,连续流加葡萄糖;

C.使用含有慢慢向培养基内渗透营养物质的颗粒。

(3)分解代谢产物的调节控制

碳、氮分解代47第四章-发酵机制与发酵动力学课件48（4）磷酸盐的调节

抗生素只有在磷酸盐含量控制在生长的“亚适量”时才能合成。

磷酸盐抑制抗生素合成的机制可能有以下二方面：

A.抑制或阻遏抗生素生物合成途径中有关酶的活力和合成。

B.改变代谢途径。

C.磷酸盐可调节细胞内ATP的形成。

（4）磷酸盐的调节

抗生素只有在磷酸盐含量控制在生长的49(5)次级代谢产物的自身反馈调节

在多种次级代谢产物的发酵中都发现了末端产物的反馈调节作用。

产生菌抗生素的生产能力与自身抑制所需抗生素浓度呈正相关性。因此要选育生产能力强的抗反馈调节的突变菌株。(5)次级代谢产物的自身反馈调节

在多种次级代谢产物50(6)初级代谢产物的调节

某些初级代谢产物可以调节次级代谢产物的合成的原因:

A.有一条共同的合成途径,当初级代谢产物积累时,反馈抑制了某一步反应的进行,而最终抑制了次级代谢产物的合成。

B.初级代谢产物直接参与次级代谢产物的生物合成,反馈抑制了它自身的合成时,必然也同时影响了次级代谢产物的合成。

(6)初级代谢产物的调节

某些初级代谢产物可以调节51第四章-发酵机制与发酵动力学课件52(7)细胞膜透性的调节

细胞膜的运输影响胞内合成及代谢物分泌和发酵产物收获。

在青霉素发酵中,生产菌细胞膜输入硫化物能力的大小影响青霉素发酵单位的高低。

(7)细胞膜透性的调节

细胞膜的运输影响胞内合成及53(8)次级代谢的能荷调节

A.能荷调节机制对次级代谢途径的控制是有效的。

B.金霉菌菌株的ATP含量在生长期中迅速增加,而在金霉素形成期ATP含量迅速下降,并保持在较低的水平上。低产菌株的ATP量始终比高产茵株大2—4倍。

C.高浓度的磷酸盐可增加细胞内ATP的形成。

(8)次级代谢的能荷调节

A.能荷调节机制对次级代54第五节发酵反应动力学反应动力学：研究反应速度变化规律的学科。发酵动力学：研究各种发酵过程变量在活细胞的作用下变化的规律，以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响。并以数学，工程学的原理，定量描述。第五节发酵反应动力学反应动力学：研究反应速度变化规律的55目的通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（研究各种物理，化学因素的影响，为调控提供依据）建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。目的通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（研究各种56■发酵动力学研究内容发酵动力学是以化学热力学（研究反应方向）和化学动力学（研究反应速度）为基础，对发酵过程的物质变化进行描述■发酵动力学研究内容发酵动力学是以化学热力学（研究反应方向）57具体内容1.微生物生长，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。具体内容1.微生物生长，死亡动力学；58■研究方法宏观处理法结构动力学模型（通过研究微观反应机制建立）非结构动力学模型（不考虑微观反应机制，只考虑宏观变量之间的关系）质量平衡法（根据质量守恒定律）

物质在系统中的积累速度=物质进入系统速度+物质在系统中生成的速度-物质在系统中排除的速度-物质在系统中消耗的速度■研究方法宏观处理法59

菌体生长速度为∶

氧和底物利用速度为∶

P、C和HV生成速度为:速度一、发酵过程的速度菌体生长速度为∶氧和底物利用速度为∶P、C和HV生成60■比速率细胞生长的比速率为：

底物消耗的比速率为qs∶

产物形成的比速率为qp：■比速率细胞生长的比速率为：底物消耗的比速率为qs∶产61■比速率

氧消耗的比速率为qo：

二氧化碳生成的比速率为qc：发酵热生成的比速率：■比速率氧消耗的比速率为qo：二氧化碳生成的比速率为q62二、化学计量学(stoichiometry)1、化学计量方程表示通用化了的碳源根据元素分析得出的细胞组成表示产物二、化学计量学(stoichiometry)1、化学计量方程632、产率系数(yieldcoefficients)(1)宏观产率系数宏观产率系数(或称得率系数)Yi/j是化学计量学中一种非常重要的参数，常用于对碳源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价，其中i表示菌体或产物，j表示底物例如，菌体对底物的产率系数可表示为：2、产率系数(yieldcoefficients)(1)宏64生物反应过程中宏观产率系数的定义总览生物反应过程中宏观产率系数的定义总览65■有时，以摩尔为单位表示产率系数更有利：

相似的概念可用于表达重要的常数：摩尔产率系数在实践中对推导元素平衡方程很重要，对与氧化磷酸化有关的理论问题也有重要意义■有时，以摩尔为单位表示产率系数更有利：

相似的概念可用于表66(2)理论代谢产物产率假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可达理论最高值，称为理论代谢产物产率（a）根据化学计量关系计算例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化学计量方程为∶依此计算=147/180=0.82此处没有考虑反应过程中NADH及ATP等辅助底物的生成和消耗(2)理论代谢产物产率假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP67（b）由生物化学计量关系计算根据由底物生成目标代谢产物的代谢途径，进行代谢过程中有关NAD(P)+和ATP等辅底物的物料衡算，结合化学计量关系可求出上式：由该反应式得=(147×13)/(12×180)=0.75此处-酮戊二酸的氨基化还原反应中所需要的NADPH由异柠檬酸脱氢反应供给，用生化计量式时,必须清楚有关的代谢途径（b）由生物化学计量关系计算根据由底物生成目标代谢产物的代谢68(3)实际发酵过程中的产率系数在实际发酵中，产率是变化的，产率取决于下列因素：Y=f(菌株、底物、、m、Ｓ；t、tm、OTR、C/N，P/O)式中m为混合度，S为底物浓度，t为平均滞留时间，tm为混合时间，OTR为氧传递速度，C/N为碳氮比，P/O为磷氧比(3)实际发酵过程中的产率系数在实际发酵中，产率是变化的，69另外，Papoutsakis和Lim(1981)用碳流分支的概念来解释菌体产率变化的原因：其中r1和r２分别为碳源分支代谢途径1和途径2的反应速度，MX和MS为菌体和底物的分子量，x是S→X反应的化学计量系数，可见产率只随r２或r１变化在甲基营养菌中存在两种不同的碳代谢流：同化(r2)和氧化(r1)碳源和其它营养物的浓度或温度、pH等培养条件的任何变化都可能引起r２或r１变化这一概念表明，甲基营养菌菌体产率的变化是一个动力学问题，而不是生物合成问题另外，Papoutsakis和Lim(1981)用碳流分支的703、化学计量的数学模型

(Stoichiometric

Mathematicalmodels

)细胞培养系统非常复杂，在过程中有许多的输入和输出。而且和化学反应不同的是，在过程中，催化剂本身是在不断繁殖的；相比较而言，化学反应过程则要简单得多。3、化学计量的数学模型

(StoichiometricMa71一级反应(firstorderchemicalreaction)动力学数学模型一级反应的方程式底物消耗动力学产物生产动力学方程一级反应(firstorderchemicalreac72由（2）推导底物浓度随时间变化的模型由（2）推导底物浓度随时间变化的模型73由（5）推导产物浓度随底物浓度变化的模型P2=n(S1-S2)+P1

由（5）推导产物浓度随底物浓度变化的模型P2=n(S174三、分批发酵动力学

(kineticsofbatchfermentation)Xistheconcentrationofbiomass

inthebioreactor.Biomassconcentrations

aretypicallyexpresseding/lof

Dryweight.

细胞生长动力学模型µisthespecificgrowthrate.三、分批发酵动力学

(kineticsofbatchf75Bysplittingthevariablesinequation(1),weobtain:

Ifattimet0,thebiomassconcentrationinthebioreactorisrepresentedbyX0andattimet1thebiomassconcentrationisrepresentedbyX1,equation(2)becomes:

Bysplittingthevariablesin76Sinceµisconstantduringtheexponentialphase:

Integratingbothsidesgives:

Finally:

Sinceµisconstantduringthe77无抑制作用的细胞生长动力学Monod方程Monod发现细菌的比生长速率与单一限制性基质(growthlimitingnutrient)之间存在着一定模式关系（饱和双曲线函数），创建了生化工程中著名的Monod方程（1942年）。无抑制作用的细胞生长动力学Monod方程Monod发现细78温度和pH恒定时，对于某一特定培养基组分的浓度s，Monod方程为∶式中:max称为最大比生长速率(h-1)，Ks称为半饱和常数(g/L)底物消耗速率方程对应为∶Monod方程(Monodmodel)温度和pH恒定时，对于某一特定培养基组分的浓度s，Monod79KS，微生物对底物的半饱和常数,与亲和力成反比。当μ=1/2μmax，S=KS当S<<KS，基质浓度很低时，

dX/dt=μX提高S，可明显提高μ，一级反应。Monod方程KS，微生物对底物的半饱和常数,与亲和力成反比。Monod方80当S>>KS，基质浓度较高时，μ与S无关，零级反应。当S时，μ=μmaxμmax是理论上最大的生长潜力。Monod方程当S>>KS，基质浓度较高时，Monod方程81Monod方程Scrit临界底物浓度，比生长速率μ达到最大比生长速率μmax时的最低底物浓度。对于任一营养物质S>Scrit，为非限制性底物S<Scrit，为限制性底物ScritMonod方程Scrit临界底物浓度，比生长速率μ82Monod方程Monod方程83Monod方程Monod方程中单一限制性底物可以是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该基质相对贫乏，就成为限制性生长因子。实际过程中，可能出现多种限制性基质和抑制性物质，影响了Monod方程的适用性。Monod方程Monod方程中单一限制性底物可以是培养基中任84Monod方程Monod方程应满足∶(1)菌体生长为均衡型非结构生长;(2)培养基中只有一种底物是生长限制性底物；(3)菌体产率系数恒定。Monod方程Monod方程应满足∶85Monod方程与米氏方程的区别与联系Monod方程是对实验现象的总结是经验方程（empiricalmodel）米氏方程是根据酶反应极力推导得出是机理方程（mechanisticmodel）Monod方程与米氏方程的相似性。Monod方程Monod方程与米氏方程的区别与联系Monod方程86Monod方程Monod方程参数(Monodmodelparameters)的确定：

双倒数法，线性回归，求得μmax和KS以1/S对1/μ作图，为一直线斜率=KS/μmax，纵轴截距为1/μmaxMonod方程Monod方程参数(Monodmodelp87Monod方程Monod方程式中μmax与KS的图解求法Monod方程Monod方程式中μmax与KS的图解求法88Monod方程或者以S对S/μ作图，为一直线斜率K=1/μmax，纵轴截距为C=KS/μmaxMonod方程或者89计算举例在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测得实验数据如下表。求：该条件下，大肠杆菌的最大比生长速率μm，半饱和常数Ks。S（mg/L）μ（h-1）S（mg/L）μ（h-1）60.061220.60130.121530.66330.241700.69400.312210.70640.432100.731020.53计算举例在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测得实验数据如下表。90先计算S/μS（mg/L）μ（h-1）S/μS（mg/L）μ（h-1）S/μ60.061001220.60203.3130.121081530.66231.8330.24137.51700.69246.4400.311292210.70311.3640.43148.82100.73287.71020.53192.5先计算S/μS（mg/L）μ（h-1）S/μS（mg/91做S/μ-S图C=90K=0.95由K=1/μm，C=KS/μm得：μm=1.05h-1KS=0.095g/L做S/μ-S图C=90K=0.95由K=1/μm，92用S/μ与S的数据做线性回归，得回归方程：S/μ=95.14+0.926S线性相关系数r=0.9960由该回归方程计算得：μm=1.08h-1KS=0.103g/L用S/μ与S的数据做线性回归，得回归方程：93（二）产物合成动力学产物的合成（指除细胞以外的产品），特别是次级代谢产物的生物合成是一个非常复杂的过程，目前大多数研究只限于以宏观过程变量描述的模型，应用上有一定的局限性。（二）产物合成动力学产物的合成（指除细胞以外的产品），特别是94Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的关系，将产物形成区分为三种类型类型Ⅰ∶也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳酸）类型Ⅱ∶也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）

类型Ⅲ∶也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生素、多糖）产物合成动力学Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的关系，将产物形95上述三种类型外还有一种模型是qP与负偶联的模型，例如黑曲霉生产黑色素，其qP与的关系可表示为：当考虑到产物可能存在分解时：式中，k’d为产物分解常数产物合成动力学上述三种类型外还有一种模型是qP与负偶联的模型，例如黑曲霉96产物合成动力学以产物生产率作为菌体生长率和菌体量的函数（Luedeking和Piret模型）k1与菌体生长率关联的产物合成常数k2与菌体生长关联的产物合成常数产物合成动力学以产物生产率作为菌体生长率和菌体量的函数（Lu97产物合成动力学按k1,k2常数分，k1>0,k2=0，生长偶联型k1>0,k2>0，部分生长偶联型，混合型k1=0,k2>0，非生长偶联型产物合成动力学98产物合成动力学产物合成动力学99产物合成动力学生长关联型：当k1=YP/X，k2=0，dP/dt=YP/X·dX/dt，QP=YP/X·μ非生长关联型：当k1=0，k2=QP，dP/dt=QP·X产物合成动力学生长关联型：100k1,k2的确定：以μ对QP作图QP=k1μ+k2QP，产物比生产率产物合成动力学k1,k2的确定：产物合成动力学101（三）基质消耗动力学基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成分，其消耗分为三个方面：细胞生长，合成新细胞；细胞维持生命所消耗能量的需求；合成代谢产物。（三）基质消耗动力学基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成分102基质消耗动力学基质比消耗率QS=-dS/Xdt产物比生产率QP=dP/Xdt基质消耗动力学基质比消耗率QS=-dS/Xdt103基质消耗动力学维持系数m：单位质量菌体在单位时间内因维持代谢消耗的基质量。是微生物的一种特性。得率系数Y:两种物质得失之间的计量比。生长得率：YX/S=-dX/dS或–ΔX/ΔS产物得率：YP/S=-dP/dS或–ΔP/ΔS基质消耗动力学维持系数m：104基质消耗动力学维持系数m和得率系数YX/S，YP/S的确定：QP为常数的情况某些非生长偶联型产物发酵中，若控制得当，QP可保持稳定（如恒化器中）。以μ对QS作图，为一直线，斜率为1/YX/S,纵轴截距MS=mS+QP/YP/S作为广义的维持常数。基质消耗动力学维持系数m和得率系数YX/S，YP/S的确定：105基质消耗动力学基质消耗动力学106基质消耗动力学b.QP为变数的情况多数情况下，QP随发酵条件，特别是比生长速率μ的变化而变化；利用恒化器在不同稀释率D下可得到稳定状态下的多组QS，μ和Qp的观测值，利用一个多元线性回归，由回归系数可得到所需的参数值。基质消耗动力学b.QP为变数的情况107（四）分批发酵过程的生产率体积生产率是以每升发酵液每小时产生的产物克数表示的，是对发酵过程总成果的一种衡量。对于分批发酵过程，有必要计算总运转时间内的生产率。总运转时间不仅包括发酵周期，也包括从前一批放罐、洗罐和消毒新培养基所需的时间。这一段时间的间隔可以少到6个小时（酵母生产），多到20小时左右（抗生素生产）。在分批发酵过程中，产物的生成速率如图所示。（四）分批发酵过程的生产率体积生产率是以每升发酵液每小时产108分批发酵过程的生产率总的生成率可用自发酵过程的起点到终点的直线斜率表示，最高生产率由通过原点与单产曲线相切的直线的斜率表示，切点位置的细胞产物浓度比终点（最大值）低。

分批发酵过程的生产率总的生成率可用自发酵过程的起点到终点的直109发酵过程总的运转周期：

式中tT，tD和tL分别为放罐所需时间（包括放罐，洗罐和检修）、进罐时间（包括打料，灭菌）和生长停滞期；X0和Xt是起始和终了的细胞浓度。

总的生产率

由此式可以求出发酵操作过程的变化对总生产率的影响。较大的种子量将增加X0，从而缩短发酵的过程，减少放罐、检修、打料、灭菌时间，同样可缩短总周期。使用生长活力强的种子可缩短生长停滞期。例如，在发酵周期短（18-48小时）的面包酵母或谷氨酸的生产过程中，放罐和检修时间对总的生产率影响较大；对于长周期（160-200小时）的抗生素发酵过程来说，几小时的发酵罐准备时间的差别对总的生产率的影响不大。

分批发酵过程的生产率发酵过程总的运转周期：式中tT，tD和tL分别为放罐所需时110四、连续发酵动力学按种类（设备）分：活塞流反应器反应物不断沿轴向流过，若在反应器的横截面上各点的轴向流速都相等，则称此类反应器为活塞流反应器。这是一类理想的反应器，实际上反应器都与这类反应器有所偏离。在一般情况下，活塞流反应器的生产能力高于其他流动型式反应器的生产能力。

活塞流轴向不存在任何形式的混合四、连续发酵动力学按种类（设备）分：111全混流反应器物料进入反应器的瞬间即与反应器内原有的物料完全混合，反应器内物料的组成和温度处处相等，且等于反应器出口处物料的组成和温度。全混流反应器中，物料可能在进入反应器的瞬间即离开反应器，也可能长时间停留，因而有很宽的物料停留时间分布。搅拌良好且流体粘度不大时，连续搅拌釜式反应器的流动状况十分接近全混流模型。

全混流反应器112全混流反应器分为：恒化器恒浊器全混流反应器分为：113恒化器：以某种必需营养作为生长限制基质，通过控制流加速率造成适应这种条件的细胞生长密度和生长速率，培养液中限制性底物浓度保持恒定。恒化器：114恒浊器：通过控制生长限制性基质的流量维持恒定的菌体密度。恒浊器：1151、单级恒化器的发酵动力学S：限制性底物浓度（g/L）X：菌体浓度（g/L）P：产物浓度（g/L）V：培养液体积（L）F：培养基体积流率（L/h）FFXSPXSPX0S01、单级恒化器的发酵动力学S：限制性底物浓度（g/L）FFX116对菌体积累的细胞=(进入-流出)的细胞+(生长-死亡)的细胞FFXSPXSPX0S0对菌体积累的细胞=(进入-流出)的细胞+(生长-死亡)的细胞117对限制性底物积累的底物=（进入-流出）的底物-（生长+形成产物+维持代谢）消耗的底物FFXSPXSPX0S0对限制性底物积累的底物=（进入-流出）的底物-（生长+形成产118对产物形成积累的产物=（生成-流出）的产物对产物形成积累的产物=（生成-流出）的产物119处于稳态时，由（5.1.2）、（5.1.5）和（5.1.9）得：处于稳态时，由（5.1.2）、（5.1.5）和（5.1.9）120在只培养微生物的特定连续培养过程中，假定：无产物形成或形成很少，可忽略不计；维持代谢所消耗的的底物很少，可忽略不计。根据Monod方程在只培养微生物的特定连续培养过程中，假定：根据Monod方程121当D≧Dcrit时，X=0,P=0,恒化器内无菌体与产物，这种现象称为“洗出”，因此当以生产菌体为目的时，不能在最高产率的稀释率下操作，菌体容易洗出，应降低D，操作也稳定。当D≧Dcrit时，X=0,P=0,恒化器内无菌体与产物122作业题1、葡萄糖转变成三碳糖的途径主要有哪些？它们的关键酶是什么？2、简述柠檬酸发酵的代谢调节机制。3、什么是巴斯德效应，其机理是什么。4、异型乳酸发酵途径有哪些？它们的主要区别是什么？5、分别简述亚硫酸盐法甘油发酵机制和碱法甘油发酵机制6、根据代谢途径的不同，可以把氨基酸分为哪几类氨基酸？简述谷氨酸的发酵调节措施。7、根据合成途径的不同，抗生素分为哪几类？简述抗生素的代谢调节措施。8、写出Monod方程的表达式（标注各参数的意义），简述其满足条件以及Monod方程与米氏方程的区别。9、产物合成的类型有哪些？写出各类型的数学表达式。作业题1、葡萄糖转变成三碳糖的途径主要有哪些？它们的关键酶是123（1）Pseudomonassp.在乙酸中生长时的最快倍增时间td=2.4h。假定该微生物比生长速率μ和乙酸基质浓度S满足Monod方程。已知该微生物对乙酸基质的饱和常数Ks＝1.4g/L，基于乙酸基质的细胞得率Yx/s=0.46gcell/gacetate。如果在单级恒化器中进行培养，补料乙酸浓度S0=39g/L，求：1）最大操作稀释率Dm；2）操作稀释率D=0.5Dm时的细胞浓度；3）操作稀释率D=0.9Dm时的基质浓度和细胞生产强度。（1）Pseudomonassp.在乙酸中生长时的最快倍增124第四章发酵机制与发酵动力学第四章发酵机制与发酵动力学125本章的教学内容第一节糖嫌气性发酵产物发酵机制第二节柠檬酸发酵机制第三节氨基酸发酵机制第四节抗生素发酵机制第五节发酵动力学

本章的教学内容第一节糖嫌气性发酵产物发酵机制126第一节糖嫌气性发酵产物发酵机制糖酵解（glycolysis)是指葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸后，在无氧条件下继续降解并释放出能量的过程。NADH2在此过程中将氢交给不同的有机物，形成各种不同的代谢产物。第一节糖嫌气性发酵产物发酵机制糖酵解（glycolysis127糖酵解途径的特点

糖酵解途径广泛存在于各种细胞内，它的任何一个反应均不需要氧；糖酵解可以分为两个阶段：准备阶段（由葡萄糖生成3-磷酸甘油醛）；第二阶段（由3碳糖生成丙酮酸）。催化糖酵解反应的酶主要有激酶、变位酶、异构酶和脱氢酶；其它糖类作为碳源须先转化成葡萄糖或其中间代谢产物才能利用；不同机体和不同代谢条件下，丙酮酸代谢去路不同。糖酵解途径的特点

糖酵解途径广泛存在于各种细胞内，它的任何一128第四章-发酵机制与发酵动力学课件129

1、酒精发酵机制

1、酒精发酵机制

130由葡萄糖生成乙醇的总反应式:

理论转化率:

由葡萄糖生成乙醇的总反应式:

理论转化率:

131

巴斯德效应

A、定义:在好气条件下,酵母发酵能力降低(或乙醇的

积累减少,或细胞内糖代谢降低)的现象。

B、机制:EMP途径中磷酸果糖激酶在有氧时受TCA循环

中间代谢产物的反馈调节。

(1).磷酸果糖激酶为变构酶,抑制剂：ATP、柠檬酸和

其它高能化合物;激活剂:AMP和ADP。

(2).好气条件下,进入TCA循环,产生的高柠檬酸量反

馈阻碍酶的合成,大量的ATP反馈抑制酶的活性。

(3).6-磷酸果糖积累对EMP途径进行抑制,导致葡萄糖

利用降低。

巴斯德效应

A、定义:在好气条件下,酵母发酵能力降低(或132酒精发酵中副产物的生成

(1).杂醇油

A.定义:碳原子数大于2的脂肪族醇类的统称。

B.组成：正丙醇、异丁醇、异戊醇和活性戊醇等。

C.形成途径:氨基酸氧化脱氨作用;葡萄糖直接生成。

(2).甲醇

果胶（聚半乳糖醛酸甲酯）中甲氧基被水解生成。

(3).酯类

发酵过程产生的醇类和酸类经酯化生成。酒精发酵中副产物的生成

(1).杂醇油

A.定义:133第四章-发酵机制与发酵动力学课件134

2、乳酸发酵机制

同型乳酸发酵

2、乳酸发酵机制

同型乳酸发酵

135

总反应式为:

理论转化率:

:

总反应式为:

理论转化率:

:136

异型乳酸发酵

A.6-磷酸葡萄糖酸途径

异型乳酸发酵

A.6-磷酸葡萄糖酸途径

137总反应式为:

C6H12O6→CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH

理论转化率:

(90/180)×100%=50%

总反应式为:

C6H12O6→CH3CHOHCOOH+138

B.双歧途径

B.双歧途径

139总反应式为:

2C6H12O6→2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH

理论转化率:

(2×90)/(2×180)×100%=50%

总反应式为:

2C6H12O6→2CH3CHOHC140第四章-发酵机制与发酵动力学课件1413、甘油发酵机制A.亚硫酸盐法甘油发酵（酵母第二型发酵）3、甘油发酵机制A.亚硫酸盐法甘油发酵（酵母第二型发酵）142B.碱法甘油发酵(酵母第三型发酵)

B.碱法甘油发酵(酵母第三型发酵)

143第二节柠檬酸发酵机制柠檬酸发酵属于好氧发酵，其发酵机制是在了解了三羧酸循环的基础上才逐渐弄清楚的。第二节柠檬酸发酵机制柠檬酸发酵属于好氧发酵，其发酵机制是1441.柠檬酸生物合成途径

1.柠檬酸生物合成途径

145葡萄糖生成柠檬酸的总反应式为:

2C6H12O6+3O22C6H8O7+4H2O

理论转化率为106.7%

2.柠檬酸生物合成的代谢调节

(1).糖酵解及丙酮酸代谢的调节

磷酸果糖激酶(PFK)是调节酶,柠檬酸和ATP对该酶抑制,AMP、Pi和NH4+对酶激活;

NH4+在细胞内浓度升高,解除胞内积累的大量柠檬酸对酶的抑制;

葡萄糖生成柠檬酸的总反应式为:

2C6H12146第四章-发酵机制与发酵动力学课件147

柠檬酸合成有关酶的调节性质

酶激活剂抑制剂磷酸果糖激酶NH4+、AMP、Pi柠檬酸、PEP、ATP(浓度较高时)丙酮酸激酶NH4+、K+丙酮酸羧化酶K+天冬氨酸、Pi柠檬酸合成酶NH4+、K+CoA、ATP-Mg异柠檬酸脱氢酶柠檬酸、NADPH、-酮戊二酸琥珀酸脱氢酶草酰乙酸柠檬酸合成有关酶的调节性质

148第四章-发酵机制与发酵动力学课件149第四章-发酵机制与发酵动力学课件150结论:

Mn2+缺乏使蛋白质和核酸合成受阻,导致细胞内NH4+水平升高而减少柠檬酸对PFK的抑制，促进了EMP途径的畅通。

结论:

Mn2+缺乏使蛋白质和核酸合成受阻,导致细胞151(2).CO2固定化反应

丙酮酸+CO2+ATP丙酮酸羧化酶草酰乙酸+ADP+Pi①

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+

ATP②

结论1:

在组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,保证柠檬酸的积累。

结论2:

丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA,和CO2固定两个反应平衡,保持了柠檬酸合成能力。(2).CO2固定化反应

丙酮酸+CO2+ATP丙酮152

(3).三羧酸循环的调节

结论:

在三羧酸循环的发酵过程中,阻断顺乌头酸酶水合酶和异柠檬酸脱氢酶的催化反应,建立一种平衡关系，大量积累柠檬酸:

柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3：7

A.络合剂(亚铁氰化钾)除去Fe2+,顺乌头酸水合酶的活性被抑制。

B.柠檬酸的积累使pH值下降,在低pH值下,顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活,更有利于柠檬酸的积累并排出体外。

(3).三羧酸循环的调节

结论:

153第三节、氨基酸发酵机制

(一)、氨基酸发酵的机制和代谢控制

1、氨基酸发酵机制主要包括：谷氨酸族(谷、瓜、鸟、精氨酸等)、天冬氨酸族(赖、苏、蛋等)、芳香族(苯丙、酪、色氨酸等)、分枝链(亮、异亮、缬氨酸等)。

2、氨基酸发酵代谢控制的一般措施：

A、控制发酵的环境条件；B、控制细胞渗透性；

C、控制旁路代谢；D、消除终产物的反馈调节作用

E、降低反馈作用物的浓度；F、促进ATP的积累

(二)、谷氨酸发酵机制

1.谷氨酸生物合成途径：

EMP途径、HMP途径、TCA循环、DCA循环、CO2固定作用第三节、氨基酸发酵机制

(一)、氨基酸发酵的机制和代谢控154第四章-发酵机制与发酵动力学课件155第四章-发酵机制与发酵动力学课件1562.谷氨酸生物合成途径的控制

(1).三羧酸循环的调节

通过驯育谷氨酸高产菌控制三羧酸循环下列酶的活性:

A.α-酮戊二酸脱氢酶应丧失或仅有微弱的活力。

B.CO2固定反应的酶系强,使四碳二羧酸全部是由CO2固定

反应提供,而不走乙醛酸循环,以提高对糖的利用率。

C.谷氨酸脱氢酶的活力很强,并丧失谷氨酸对谷氨酸脱

氢酶的反馈抑制和反馈阻遏。

2.谷氨酸生物合成途径的控制

(1).三羧酸循环的调节

157(2).氨的导入和控制

氨的导入主要方式:糖代谢中间体还原氨基化;天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移；谷氨酸合成酶途径。

谷氨酸发酵受NH4+的影响。使用生物素缺乏菌,在NH4+存在时,葡萄糖以很快的消耗速度和高的收率生成谷氨酸;

当NH4+不存在时,糖的消耗速度很慢,生成物是α-酮戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸。

(2).氨的导入和控制

氨的导入主要方式:糖代谢中158NADP为辅酶的异柠檬酸脱氢酶和NADPH+H+为辅酶的

谷氨酸脱氢酶形成共轭反应,NADP浓度是实际上的

限速因子,添加氧化还原电位与NADP相似的氧化还

原染料,并通以电流可促进还原氨基化作用,增加谷

氨酸产量。

NADP为辅酶的异柠檬酸脱氢酶和NADPH+H+为159(3).控制细胞渗透性

A、控制生物素、油酸浓度或添加表面活性剂如吐温80、阳离子表面活性剂。引起细胞膜的脂肪酸成分的改变,尤其是改变油酸含量,从而改变细胞膜通透性；

B、加入青霉素或控制Mn+、Zn+浓度。抑制细胞壁的合成,由于细胞膜失去细胞壁的保护,细胞膜受到物理损伤,从而使渗透性增强。

C、生产中菌种选育模型与控制方法:生物素缺陷型;油酸缺陷型;甘油缺陷型等。

(3).控制细胞渗透性

A、控制生物素、油酸浓度或添160

(4).控制发酵的工艺条件

谷氨酸发酵是人工控制发酵条件成功进行大规模生产的典型例子。

主要的影响因子有：溶解氧、NH4+、pH、磷酸生物素、醇类和NH4Cl。

(4).控制发酵的工艺条件

谷氨酸发酵是人工控制161第四节抗生素发酵机制

1、抗生素的生物合成类型

A.蛋白质衍生物

简单的氨基酸衍生物：环丝氨酸、重氮丝氨酸等；

寡肽抗生素：青霉素、头孢菌素等；

多肽类抗生素：多粘菌素、杆菌肽等；

多肽大环内脂抗生素：放线菌素等；

含嘌呤和嘧啶碱基的抗生素：曲古霉素、嘌呤霉素等

第四节抗生素发酵机制

1、抗生素的生162B.糖类衍生物

糖苷类抗生素：链霉素、卡那霉素等；

与大环内脂连接的糖甙抗生素：红霉素、碳霉素等；

其他糖甙抗生素：新生霉素等。

C.以乙酸为单位的衍生物

乙酸衍生物的抗生素：四环类抗菌素、灰黄霉素等；

丙酸衍生物的抗生素：红霉素等；

多烯和多炔类抗生素：制霉素、曲古霉素等。

B.糖类衍生物

糖苷类抗生素：链霉素、卡那霉素等1632、青霉素、头孢菌素的生物合成机制

青霉素、头孢菌素的化学结构如下：2、青霉素、头孢菌素的生物合成机制

青霉素、头孢菌164第四章-发酵机制与发酵动力学课件1653、链霉素的生物合成机制

链霉素的化学结构如下：3、链霉素的生物合成机制

链霉素的化学结构如下：166第四章-发酵机制与发酵动力学课件167第四章-发酵机制与发酵动力学课件168

4、抗生素生物合成的代谢调节方式

(1)、细胞生长期到抗生素产生期的过渡

次级代谢产物是在菌体生长到达相对静止期才产生。在细胞生长阶段,负责次级代谢产物合成的酶受到阻遏。

A.诱导因子在生长期末积累或从外源加入;

B.初级代谢的终点产物耗尽;

C.易被利用的糖源分解代谢物被利用后,便解除了阻遏作用;

D.高能化合物ATP形成减少后，阻遏作用也就解除;

E.在生长期，RNA聚合酶只能启动生长期基因的转录作用；当生长停

止后,酶的结构改变,允许RNA聚合酶启动生产期基因的转录作用,

负责抗生素合成的酶开始生成。

4、抗生素生物合成的代谢调节方式

(1)、细胞生长期到抗生169(2)酶的诱导作用

在抗生素合成期,参与次级代谢的有些酶是诱导酶。

需要底物或底物的结构类似物(外源和内源诱导剂)。

(2)酶的诱导作用

在抗生素合成期,参与次级代谢的有170

(3)分解代谢产物的调节控制

碳、氮分解代谢产物(如葡萄糖)阻遏和抑制作用,抑制抗生素合成。解除分解产物阻遏的方法:

A.选育对葡萄糖代谢产物类似物抗性突变型;

B.培养过程中利用缓慢的碳源,连续流加葡萄糖;

C.使用含有慢慢向培养基内渗透营养物质的颗粒。

(3)分解代谢产物的调节控制

碳、氮分解代171第四章-发酵机制与发酵动力学课件172（4）磷酸盐的调节

抗生素只有在磷酸盐含量控制在生长的“亚适量”时才能合成。

磷酸盐抑制抗生素合成的机制可能有以下二方面：

A.抑制或阻遏抗生素生物合成途径中有关酶的活力和合成。

B.改变代谢途径。

C.磷酸盐可调节细胞内ATP的形成。

（4）磷酸盐的调节

抗生素只有在磷酸盐含量控制在生长的173(5)次级代谢产物的自身反馈调节

在多种次级代谢产物的发酵中都发现了末端产物的反馈调节作用。

产生菌抗生素的生产能力与自身抑制所需抗生素浓度呈正相关性。因此要选育生产能力强的抗反馈调节的突变菌株。(5)次级代谢产物的自身反馈调节

在多种次级代谢产物174(6)初级代谢产物的调节

某些初级代谢产物可以调节次级代谢产物的合成的原因:

A.有一条共同的合成途径,当初级代谢产物积累时,反馈抑制了某一步反应的进行,而最终抑制了次级代谢产物的合成。

B.初级代谢产物直接参与次级代谢产物的生物合成,反馈抑制了它自身的合成时,必然也同时影响了次级代谢产物的合成。

(6)初级代谢产物的调节

某些初级代谢产物可以调节175第四章-发酵机制与发酵动力学课件176(7)细胞膜透性的调节

细胞膜的运输影响胞内合成及代谢物分泌和发酵产物收获。

在青霉素发酵中,生产菌细胞膜输入硫化物能力的大小影响青霉素发酵单位的高低。

(7)细胞膜透性的调节

细胞膜的运输影响胞内合成及177(8)次级代谢的能荷调节

A.能荷调节机制对次级代谢途径的控制是有效的。

B.金霉菌菌株的ATP含量在生长期中迅速增加,而在金霉素形成期ATP含量迅速下降,并保持在较低的水平上。低产菌株的ATP量始终比高产茵株大2—4倍。

C.高浓度的磷酸盐可增加细胞内ATP的形成。

(8)次级代谢的能荷调节

A.能荷调节机制对次级代178第五节发酵反应动力学反应动力学：研究反应速度变化规律的学科。发酵动力学：研究各种发酵过程变量在活细胞的作用下变化的规律，以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响。并以数学，工程学的原理，定量描述。第五节发酵反应动力学反应动力学：研究反应速度变化规律的179目的通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（研究各种物理，化学因素的影响，为调控提供依据）建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。目的通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（研究各种180■发酵动力学研究内容发酵动力学是以化学热力学（研究反应方向）和化学动力学（研究反应速度）为基础，对发酵过程的物质变化进行描述■发酵动力学研究内容发酵动力学是以化学热力学（研究反应方向）181具体内容1.微生物生长，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。具体内容1.微生物生长，死亡动力学；182■研究方法宏观处理法结构动力学模型（通过研究微观反应机制建立）非结构动力学模型（不考虑微观反应机制，只考虑宏观变量之间的关系）质量平衡法（根据质量守恒定律）

物质在系统中的积累速度=物质进入系统速度+物质在系统中生成的速度-物质在系统中排除的速度-物质在系统中消耗的速度■研究方法宏观处理法183

菌体生长速度为∶

氧和底物利用速度为∶

P、C和HV生成速度为:速度一、发酵过程的速度菌体生长速度为∶氧和底物利用速度为∶P、C和HV生成184■比速率细胞生长的比速率为：

底物消耗的比速率为qs∶

产物形成的比速率为qp：■比速率细胞生长的比速率为：底物消耗的比速率为qs∶产185■比速率

氧消耗的比速率为qo：

二氧化碳生成的比速率为qc：发酵热生成的比速率：■比速率氧消耗的比速率为qo：二氧化碳生成的比速率为q186二、化学计量学(stoichiometry)1、化学计量方程表示通用化了的碳源根据元素分析得出的细胞组成表示产物二、化学计量学(stoichiometry)1、化学计量方程1872、产率系数(yieldcoefficients)(1)宏观产率系数宏观产率系数(或称得率系数)Yi/j是化学计量学中一种非常重要的参数，常用于对碳源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价，其中i表示菌体或产物，j表示底物例如，菌体对底物的产率系数可表示为：2、产率系数(yieldcoefficients)(1)宏188生物反应过程中宏观产率系数的定义总览生物反应过程中宏观产率系数的定义总览189■有时，以摩尔为单位表示产率系数更有利：

相似的概念可用于表达重要的常数：摩尔产率系数在实践中对推导元素平衡方程很重要，对与氧化磷酸化有关的理论问题也有重要意义■有时，以摩尔为单位表示产率系数更有利：

相似的概念可用于表190(2)理论代谢产物产率假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可达理论最高值，称为理论代谢产物产率（a）根据化学计量关系计算例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化学计量方程为∶依此计算=147/180=0.82此处没有考虑反应过程中NADH及ATP等辅助底物的生成和消耗(2)理论代谢产物产率假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP191（b）由生物化学计量关系计算根据由底物生成目标代谢产物的代谢途径，进行代谢过程中有关NAD(P)+和ATP等辅底物的物料衡算，结合化学计量关系可求出上式：由该反应式得=(147×13)/(12×180)=0.75此处-酮戊二酸的氨基化还原反应中所需要的NADPH由异柠檬酸脱氢反应供给，用生化计量式时,必须清楚有关的代谢途径（b）由生物化学计量关系计算根据由底物生成目标代谢产物的代谢192(3)实际发酵过程中的产率系数在实际发酵中，产率是变化的，产率取决于下列因素：Y=f(菌株、底物、、m、Ｓ；t、tm、OTR、C/N，P/O)式中m为混合度，S为底物浓度，t为平均滞留时间，tm为混合时间，OTR为氧传递速度，C/N为碳氮比，P/O为磷氧比(3)实际发酵过程中的产率系数在实际发酵中，产率是变化的，193另外，Papoutsakis和Lim(1981)用碳流分支的概念来解释菌体产率变化的原因：其中r1和r２分别为碳源分支代谢途径1和途径2的反应速度，MX和MS为菌体和底物的分子量，x是S→X反应的化学计量系数，可见产率只随r２或r１变化在甲基营养菌中存在两种不同的碳代谢流：同化(r2)和氧化(r1)碳源和其它营养物的浓度或温度、pH等培养条件的任何变化都可能引起r２或r１变化这一概念表明，甲基营养菌菌体产率的变化是一个动力学问题，而不是生物合成问题另外，Papoutsakis和Lim(1981)用碳流分支的1943、化学计量的数学模型

(Stoichiometric

Mathematicalmodels

)细胞培养系统非常复杂，在过程中有许多的输入和输出。而且和化学反应不同的是，在过程中，催化剂本身是在不断繁殖的；相比较而言，化学反应过程则要简单得多。3、化学计量的数学模型

(StoichiometricMa195一级反应(firstorderchemicalreaction)动力学数学模型一级反应的方程式底物消耗动力学产物生产动力学方程一级反应(firstorderchemicalreac196由（2）推导底物浓度随时间变化的模型由（2）推导底物浓度随时间变化的模型197由（5）推导产物浓度随底物浓度变化的模型P2=n(S1-S2)+P1

由（5）推导产物浓度随底物浓度变化的模型P2=n(S1198三、分批发酵动力学

(kineticsofbatchfermentation)Xistheconcentrationofbiomass

inthebioreactor.Biomassconcentrations

aretypicallyexpresseding/lof

Dryweight.

细胞生长动力学模型µisthespecificgrowthrate.三、分批发酵动力学

(kineticsofbatchf199Bysplittingthevariablesinequation(1),weobtain:

Ifattimet0,thebiomassconcentrationinthebioreactorisrepresentedbyX0andattimet1thebiomassconcentrationisrepresentedbyX1,equation(2)becomes:

Bysplittingthevariablesin200Sinceµisconstantduringtheexponentialphase:

Integratingbothsidesgives:

Finally:

Sinceµisconstantduringthe201无抑制作用的细胞生长动力学Monod方程Monod发现细菌的比生长速率与单一限制性基质(growthlimitingnutrient)之间存在着一定模式关系（饱和双曲线函数），创建了生化工程中著名的Monod方程（1942年）。无抑制作用的细胞生长动力学Monod方程Monod发现细202温度和pH恒定时，对于某一特定培养基组分的浓度s，Monod方程为∶式中:max称为最大比生长速率(h-1)，Ks称为半饱和常数(g/L)底物消耗速率方程对应为∶Monod方程(Monodmodel)温度和pH恒定时，对于某一特定培养基组分的浓度s，Monod203KS，微生物对底物的半饱和常数,与亲和力成反比。当μ=1/2μmax，S=KS当S<<KS，基质浓度很低时，

dX/dt=μX提高S，可明显提高μ，一级反应。Monod方程KS，微生物对底物的半饱和常数,与亲和力成反比。Monod方204当S>>KS，基质浓度较高时，