《发酵机制及》PPT课件.ppt

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1、第三章 发酵机制及发酵动力学,3.1 发酵工程微生物的基本代谢及产物（自学）；3.2 微生物代谢调控机制；3.3 糖代谢产物的发酵机制（重点）；3.4 氨基酸和核酸发酵机制（重点）；3.5 抗生素发酵机制；3.6 微生物发酵动力学（难点）。,第三章 发酵机制及发酵动力学,主要内容,第三章 发酵机制及发酵动力学,微生物发酵机制（发酵机理）：微生物通过其代谢活动，利用基质合成人们所需要的产物的内在规律。,主要内容：微生物的生理代谢规律；环境因素对代谢方向的影响；改变微生物代谢方向的措施。,概 述,发酵动力学：研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律,第三章 发酵机制及发酵动

2、力学,3.1 发酵工程微生物的基本代谢及产物,一、微生物初级代谢及产物,初级代谢：微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生产维持生命活动所需要的物质和能量的过程，产物为初级代谢产物，如：糖，氨基酸，脂肪酸等。,二、微生物次级代谢及产物,次级代谢：微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前提物质，合成一些对微生物生命活动无明确功能的物质的过程，产物即为次级代谢产物。如抗生素、毒素、激素、色素等。,简 介,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,一、微生物初级代谢的调节,（一）酶活性的调节,指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。,1

3、.酶活性的激活,在激活剂的作用下，使原来无活性的酶变成有活性，或使原来活性低的酶提高了活性的现象。前体激活，指代谢途径中后面的酶促反应，可被该途径中较前面的一个中间产物所促进。,代谢调节是指微生物的代谢速度和方向按照微生物的需要而改变的一种作用。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,一、微生物初级代谢的调节,（一）酶活性的调节,2.酶活性的抑制,由于某些物质的存在，降低酶活性，称为抑制。,反馈抑制是指代谢的末端产物对酶(往往是代谢途径中的第一个酶)活性的抑 制。,1）直线代谢途径中的反馈抑制,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,一、微生物初级代谢的调

4、节,（一）酶活性的调节,2.酶活性的抑制,2）分支代谢途径中的反馈抑制,共同特点是每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制作用，,（1）同工酶调节,同功酶是指能催化同一生化反应，但它们的结构稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类酶。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,一、微生物初级代谢的调节,（一）酶活性的调节,2.酶活性的抑制,2）分支代谢途径中的反馈抑制,（2）协同反馈抑制,在分支代谢系统中，几种末端产物同时都过量，才对途径中的第一个酶具有抑制作用，如果末端产物单独过量则对途径中的第一个酶无抑制作用。,As

5、p：天门冬氨酸；Asp-Pi：天门冬酰磷酸；Asa：天门冬氨酸半醛Thr：苏氨酸；Lys：赖氨酸；AK：天门冬氨酸激酶,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,一、微生物初级代谢的调节,（一）酶活性的调节,2.酶活性的抑制,2）分支代谢途径中的反馈抑制,（3）累积反馈 在分支代谢途径中各种末端产物单独过量时，它们各自能对途径中的第一个反应的酶仅产生较小的抑制作用。,大肠杆菌,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,一、微生物初级代谢的调节,（一）酶活性的调节,2.酶活性的抑制,2）分支代谢途径中的反馈抑制,（4）顺序反馈抑制 分支代谢途径中的两个末端产物，不

6、能直接抑制途径中的第一个酶，只有当两个末端产物都过量时，才能对途径中的第一个酶有抑制作用。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,一、微生物初级代谢的调节,（二）酶合成的调节,酶在数量和种类上的调节,1.诱导凡能促进酶合成的现象。,组成酶是细胞固有的酶，其合成受相应基因控制，与底物、底物结构类似物及环境条件无关，它主要用于调节初级代谢。,诱导酶是细胞为适应外来底物或底物结构类似物而临时合成的酶。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,一、微生物初级代谢的调节,（二）酶合成的调节,2.阻遏凡是能阻遏酶生物合成的现象。,（1）终产物阻遏 指某代谢途径末端产物

7、过量累积引起的阻遏。在直线反应途径中，末端产物阻遏较为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使这些酶不能合成。,（2）分解代谢产物阻遏 指细胞内同时存在两种底物(碳源或氮源)时，易利用底物会阻遏难利用底物分解酶系的合成。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,一、微生物初级代谢的调节,（三）能量负荷调节,能荷：即指细胞中ATP、ADP、AMP系统中可为代谢反应供能的高能磷酸键的量度。,能荷调节是通过ATP、ADP和AMP分子对某些酶分子进行变构调节进行的。,例如EMP中，磷酸果糖激酶，受ATP的强烈抑制，但受ADP和AMP促进。丙酮酸激酶也是如此。,在TCA中，丙酮酸脱氢酶

8、、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶等，都受ATP的抑制和ADP的促进。呼吸链的氧化磷酸化速度同样受ATP抑制和ADP促进。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,二、微生物次级代谢的调节,（一）初级代谢对次级代谢的调节,次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的，因此次级代谢必然会受到初级代谢的调节。,（二）分解代谢产物的调节控制,碳分解代谢产物调节指能迅速被利用的碳源(葡萄糖)或其分解代谢产物，对其他代谢中的酶(包括分解酶和合成酶)的调节。葡萄糖是菌体生长良好的碳源和能源，但对青霉素、头孢菌素、卡那霉素、新霉素、丝裂霉素等都有明显降低产量的作用。,例如青霉

9、素的合成会受到赖氨酸的强烈抑制，而赖氨酸合成的前体 a-氨基己二酸可以缓解赖氨酸的抑制作用，并能刺激青霉素的合成。这是因为 a-氨基己二酸是合成青霉素和赖氨酸的共同前体。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,二、微生物次级代谢的调节,（三）诱导作用及终产物的反馈抑制,（四）磷酸盐的调节作用,（五）次级代谢中细胞膜通透性调节,如在青霉素发酵中，产生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。如果输入硫化物能力增加，硫源供应允足，合成青霉素的量就增多。,已发现过量磷酸盐对四环素、氨基糖苷类和多烯大环内酯等32种抗生素的合成产生阻抑作用,第三章 发酵机制及发酵动力学,

10、3.2 微生物代谢调控机制,三、微生物发酵中的代谢调控,代谢调控：在发酵工业中，为了大量积累人们所需要的某一产物，常人为地打破微生物细胞内的自动代谢调节机制，使代谢朝人们所希望的方向进行。,（1）改变细胞膜的通透性 当控制物理、化学条件或者筛选细胞膜、细胞壁结构组成的突变株以改进物质的进出速率。影响代谢过程时，都有可能造成代谢产物的过量生产。,如：谷氨酸发酵中，生物素控制在亚适量改变膜的通透性，提高产量；应用谷氨酸生产菌油酸缺陷性菌株，限量添加油酸，提高谷氨酸的产量。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.2 微生物代谢调控机制,三、微生物发酵中的代谢调控,（二）改变微生物的遗传特性,1.利用营养

11、缺陷性菌株,2.选育抗反馈调节的突变株获得在抗代谢物同时也能够正常生长的菌株。,葡萄糖,糖酵解作用,丙酮酸,发酵,有氧,无氧,各种发酵产物,三羧酸循环,被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,一、厌氧发酵代谢产物发酵机制,（一）酵母菌的酒精发酵,1.乙醇的生成机制,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,一、厌氧发酵代谢产物发酵机制,（一）酵母菌的酒精发酵,1.乙醇的生成机制,巴氏德效应：在好氧条件下，酵母发酵能力降低。实际是细胞内糖代谢降低。,学说：磷

12、酸果糖激酶-变构酶，受ATP、柠檬酸及其他高能化合物所抑制，受AMP、ADP激活。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,一、厌氧发酵代谢产物发酵机制,（一）酵母菌的酒精发酵,2.酵母菌酒精发酵中副产物的生成,主要产物为乙醇和CO2，也有40多种副产物（主要是醇、醛、酯和酸等）。,（1）杂醇油的生成,杂醇油：碳原子数大于2的脂肪族醇类的统称，主要正丙醇、异丁醇、异戊醇和活性戊醇。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,一、厌氧发酵代谢产物发酵机制,（一）酵母菌的酒精发酵,2.酵母菌酒精发酵中副产物的生成,（1）杂醇油的生成,形成途径（两种）：氨基酸氧

13、化脱氨作用,由葡萄糖直接生成,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,一、厌氧发酵代谢产物发酵机制,（一）酵母菌的酒精发酵,2.酵母菌酒精发酵中副产物的生成,（2）琥珀酸的生成,与谷氨酸的存在有关系，当在发酵醪中加入谷氨酸时，可增加琥珀酸的产量。,受氢体是磷酸甘油醛，产物还有甘油。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,一、厌氧发酵代谢产物发酵机制,（一）酵母菌的酒精发酵,2.酵母菌酒精发酵中副产物的生成,（3）酯类的生成 在发酵过程中产生的醇和酸类，经酯化反应生成各种酯类（叫生化酯类）。,（4）糠醛和甲醇的生成 糠醛：淀粉原料在高温高压蒸煮时，由糖脱

14、水形成；甲醛：原料中的果胶质受果胶酯酶的水解生成。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,一、厌氧发酵代谢产物发酵机制,（二）甘油发酵机制,1.硫酸亚盐法甘油发酵（型发酵）,在酵母菌发酵液中加入亚硫酸氢钠，乙醛与其加成反应，乙醛不能做为受氢体，迫使硫酸二羟丙酮作为受氢体。,1mol葡萄糖只产生1mol甘油，不产ATP，整个过程不积累ATP，所以在发酵过程中不能加入太多的亚硫酸氢钠，否则发酵将终止。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,一、厌氧发酵代谢产物发酵机制,（二）甘油发酵机制,2.碱法甘油发酵（型发酵）,酒精酵母的发酵液保持在碱性（pH7.6

15、以上），乙醛不能作为正常的受氢体，2分子乙醛之间发生歧化反应，生成等量的乙醇和乙酸；NADH用来还原磷酸二羟丙酮，生产甘油。,产品有甘油、乙醇、乙酸，不产生ATP，此法只在酵母的费生长情况下进行发酵。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,一、厌氧发酵代谢产物发酵机制,（三）乳酸发酵（自学）,提示：在微生物学分类研究中，通常把发酵1mol葡萄糖产生的乳酸少于1.8mol，同时还产生较多的乙醇、CO2或乙酸、甘油、甘露醇等产品的乳酸菌称为异型乳酸菌。,（四）其他发酵（自学）丙酮-丁醇发酵；由乙醇、乙酸生成己酸机制（己酸乙酯是浓香型大曲酒的主体香气成分）；甲烷发酵（甲烷发酵过

16、程中的甲烷菌和非甲烷菌均称为沼气菌）；等。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,二、好氧发酵代谢产物发酵机制,（一）柠檬酸发酵机制,黑曲霉可以由糖类、乙醇和醋酸发酵生产柠檬酸。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,二、好氧发酵代谢产物发酵机制,（一）柠檬酸发酵机制,2.柠檬酸的生物合成途径,要积累柠檬酸，必须解决的两个问题：第一，设法阻断代谢途径，即使柠檬酸不再继续代谢，实现积累；第二，代谢途径被阻断部位之后的产物必须有适当的补充机制，满足代谢活动的最低需求，维持细胞生长，才能维持发酵继续。,1-柠檬酸合成酶；2-顺乌头酸酶；3-丙酮酸羧化酶；3

17、，-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,二、好氧发酵代谢产物发酵机制,（一）柠檬酸发酵机制,2.柠檬酸的生物合成途径,草酰乙酸补充途径：,对糖的理论转化率为106.7%，以含一个结晶水计为116.7%。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,二、好氧发酵代谢产物发酵机制,（一）柠檬酸发酵机制,3.柠檬酸积累的代谢调节,（1）糖酵解及丙酮酸代谢的调节 黑曲霉生长时EMP/HMP为2:1，产生柠檬酸时EMP/HMP为4:1，EMP的调节对柠檬酸发酵非常重要。,EMP途径中，第一个调节酶为磷酸果糖激酶（PFK），AMP、无机磷、N

18、H4+对PFK有活化作用；ATP有抑制作用，NH4+能有效解除ATP、柠檬酸对PFK的抑制。,锰，可减少HMP和TCA循环中有关酶的活性，提高胞内NH4+的浓度，解除柠檬酸对PFK的抑制作用，使之增产。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,二、好氧发酵代谢产物发酵机制,（一）柠檬酸发酵机制,3.柠檬酸积累的代谢调节,（1）糖酵解及丙酮酸代谢的调节 CO2固定反应，丙酮酸即可脱羧生成乙酰辅酶A，又可固定CO2生成草酰乙酸，保持反应的平衡时获得柠檬酸高产的手段。,（2）TCA的调节,使用络合剂去除反应液中的Fe2+，抑制酶活，造成柠檬酸积累。,当菌体生长到足够数量时，加入亚

19、铁氰化钾使铁生成络合物。选育顺乌头酸酶缺失或活力很低的菌株，可积累柠檬酸。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,二、好氧发酵代谢产物发酵机制,（一）柠檬酸发酵机制,3.柠檬酸积累的代谢调节,（3）及时补加草酰乙酸 给培养液中添加草酰乙酸，不经济。使用回补途径旺盛的菌种，保证草酰乙酸的及时添加。,柠檬酸积累机理总述,锰抑制了蛋白质的合成，导致胞内NH4+浓度升高和一条呼吸活性强的侧系呼吸链不产生ATP，解除了对磷酸果糖激酶的代谢调节，促进EMP途径的畅通。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.3 糖代谢产物的发酵机制,二、好氧发酵代谢产物发酵机制,（一）柠檬酸发酵机制,3.

20、柠檬酸积累的代谢调节,柠檬酸积累机理总述,由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断地提供草酰乙酸。,控制Fe2+含量，顺乌头酸酶活性低，是柠檬酸积累，在催化时建立如下平衡：柠檬酸:顺乌头酸:异柠檬酸=90:3:7。,丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A和CO2固定两个反应平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强合成柠檬酸的能力。,柠檬酸积累多，pH低，在低pH时，顺乌头酸酶和异柠檬酸酶失活，进一步促进柠檬酸的积累。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.4 氨基酸和核酸发酵机制,一、氨基酸发酵机制,典型的代谢调控发酵，关键取决于其控制机制是否被解除，是否打破微生物正常代谢调节，人为地控制微生物的代谢。,（一）氨基酸发酵

21、的代谢控制,1.控制发酵的环境条件,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.4 氨基酸和核酸发酵机制,一、氨基酸发酵机制,2.控制细胞渗透性,如：谷氨酸发酵中，生物素控制在亚适量改变膜的通透性，提高产量；应用谷氨酸生产菌油酸缺陷性菌株，限量添加油酸，提高谷氨酸的产量。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.4 氨基酸和核酸发酵机制,一、氨基酸发酵机制,3.控制旁路代谢,4.降低反馈作用物的浓度,利用营养缺陷型菌株进行氨基酸发酵必须限制所要求的氨基酸量。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.4 氨基酸和核酸发酵机制,一、氨基酸发酵机制,5.消除终产物的反馈抑制和阻遏作用,通过使用抗氨基酸结构类似物突变株的方

22、法实现。,S-（-氨基乙基）-L-半胱氨酸（AEC）是Lys的结构类似物。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.4 氨基酸和核酸发酵机制,一、氨基酸发酵机制,6.促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成,上述氨基酸发酵的代谢控制方法，是氨基酸发酵工艺控制和选育氨基酸高产菌株的依据。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.4 氨基酸和核酸发酵机制,一、氨基酸发酵机制,（一）谷氨酸的发酵机制,大多生物素缺陷性菌种，高产菌丧失或微弱的-酮戊二酸脱氢酶活力；CO2固定反应的酶系强；谷氨酸脱氢酶的活力很强；NADPH2再氧化能力弱；过量的铵离子。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.4 氨基酸和核酸发酵机制,一

23、、氨基酸发酵机制,（二）鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸的发酵机制,鸟氨酸、瓜氨酸采用营养缺陷型菌株；精氨酸选用抗反馈调节突变株。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.4 氨基酸和核酸发酵机制,一、氨基酸发酵机制,（三）天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径,1.苏氨酸发酵机制,1-天冬氨酸激酶；2-高丝氨酸脱氢酶；3-二氢吡啶-2，6-二羧酸还原酶；4-高丝氨酸激酶；5-O-琥珀酰-高丝氨酸转琥珀酰酶；6-半胱氨酸脱硫化氢酶；7-苏氨酸脱氢酶；8-天冬氨酸半醛脱氢酶；9-二氢吡啶-2，6-二羧酸合成酶；,Met-、Lys-、IIe-突变株；抗苏氨酸和赖氨酸结构类似物。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.4 氨基

24、酸和核酸发酵机制,一、氨基酸发酵机制,（一）天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径,2.赖氨酸发酵机制,选育高丝氨酸缺陷性突变株；抗赖氨酸和苏氨酸结构类似物突变株。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.4 氨基酸和核酸发酵机制,二、核苷酸发酵机制（自学）,在研究氨基酸发酵的基础上发展起来的由一个典型的代谢控制发酵。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.5 抗生素发酵机制,一、次级代谢与初级代谢的关系,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.5 抗生素发酵机制,一、次级代谢与初级代谢的关系,前体聚合,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.5 抗生素发酵机制,二、抗生素生产菌的主要代谢调节机制,1.诱导调节参与次级代谢

25、的酶，有些是诱导酶。如：,诱导物：-甲基甘露糖苷和甘露聚糖,2.反馈调节 一面是抗生素的积累能起反馈调节作用；另一方面初级代谢产物的形成受到反馈调节也能影响抗生素的生成。,如：缬氨酸是青霉素合成的前体，其生物合成受到反馈调节，必然会对青霉素的次级代谢产生影响。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.5 抗生素发酵机制,二、抗生素生产菌的主要代谢调节机制,3.C、N及其分解代谢产物的调节 如：葡萄糖是菌种生长良好的碳源和能源，但对青霉素、卡那霉素、新霉素、丝裂霉素等都有明显降低产量的作用。在抗生素生成中使用黄豆饼就是由于他缓慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，防止和减弱氮代谢分解产物的阻遏作用。,4.磷

26、酸盐的调节 间接作用：调节胞内能荷；直接作用：磷酸盐自身影响。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.5 抗生素发酵机制,二、抗生素生产菌的主要代谢调节机制,5.细胞膜透性的调节,6.营养器和分化期的关系,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.5 抗生素发酵机制,三、常见抗生素的生物合成机制,1.青霉素、头孢菌素的生物合成机制,其他自学,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,发酵动力学：研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律,目的：进行最佳发酵生产工艺条件的控制；设计合理的发酵过程，是以发酵动力学为依据；为工厂的实验比拟放大，为分批发酵过渡到连续发酵提供理论

27、依据。,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,发酵过程反应速度的描述,XS（底物）X（菌体）P（产物）,单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,发酵过程反应速度的描述,XS（底物）X（菌体）P（产物）,时间,菌体浓度,延迟期,指数生长期,减速期,静止期,衰亡期,延迟期：,指数生长期:,倍增时间：td,减速期:,静止期：;,衰亡期:,一、分批发酵中微生物的生长曲线,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,一、分批发酵中微生物的生长曲线,第三章 发酵机

28、制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,对上式积分得：,若为常数，则：此式可在t=td时求得，td即在X2=2X1时所需时间，于是 td=ln2/=0.693/,对数期：,二、微生物生长速度的动力学方程,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年便指出，在培养基中无抑制剂存在的情况下，细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示：,S为限制性基质浓度(g/L)；Ks为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率为最大比生长速率一半时的限制性基质浓度。,二、微生物生长速度的动力学方程,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵

29、动力学,Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：,细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。,培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其它组分为过量不影响细胞的生长；,细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的唯一变量是细胞的浓度；,二、微生物生长速度的动力学方程,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,限制性基质浓度对比生长速率的影响,当限制性基质浓度很低时，S Ks，此时若提高限制性基质浓度，可以明显提高细胞的生长速率。此时有：细胞比生长速率与基质浓度为一级动力学关系。,二、微生物生长速度的动力学方程,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学

30、,当S Ks时，=m，若继续提高基质浓度，细胞生长速率基本不变。此时细胞的比生长速率与基质浓度无关，为零级动力学特点。,将Monod方程式变为为直线方程。不同的菌种，不同的培养基，Ks和 是不同的。,二、微生物生长速度的动力学方程,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,Ks和m值随菌种、限制性基质种类的变化,二、微生物生长速度的动力学方程,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,m值基本接近，是同一个数量级。Ks和m值不仅随菌种而异，对不同的限制性基质也不同。,Ks的意义：Ks越小，则S增加少许，增加很大，所以Ks越小，就越敏感。Ks可以表示菌体细胞与基质亲和

31、力的关系。,Monod方程虽然表述简单，但它不足以完整地说明复杂的生化反应过程，并且已发现它在某些情况下与实验结果不符，因此人们又提出了另外一些方程（见P100）。,三、分批培养中微生物细胞生长与产物形成的动力学,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,（一）得率系数及其估算,得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。菌体得率系数或细胞得率系数Yx/s：消耗1克基质生成菌体的克数。,定义式：,单位:g/g或g/mol,三、分批培养中微生物细胞生长与产物形成的动力学,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,（一）得率系数及其估算,Yx/c:消耗每克碳生成的

32、细胞克数；Yx/ATP:消耗每克的三磷酸腺苷生成的细胞克数；Yp/s:消耗每克营养物生成的产物的克数。,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(So-S)。转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。,三、分批培养中微生物细胞生长与产物形成的动力学,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,（二）基质利用方程,XS（底物）X（菌体）P（产物）+维持,物料衡算：,dS/dt=dX/dt*1/Yx/s+mX+dp/dt*1/Yp/x,即：,m-细胞维持系数。,三、分批培养中微生物细胞生长与产物形成的动力学,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6

33、微生物发酵动力学,（三）微生物发酵动力学类型,型又称简单发酵型,型又称中间发酵型,又称复杂发酵型,产物由糖直接氧化而来，糖利用的速度的变化与产物生成的速度的变化相平行。,产物不是由碳源的直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的主流产物；糖的利用在最高生长期和最大产物合成期最多，但与产物合成无直接计量关系，产物生成与生长部分偶联。,产物合成与碳源利用无准量关系，产物生成量远远低于碳源消耗量，产物生成在菌体生长和基质消耗完以后才开始，与生长不偶联，所形成的产物均是次级代谢产物。,菌体生长碳源消耗产物形成,三、分批培养中微生物细胞生长与产物形成的动力学,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵

34、动力学,（四）生长和产物生成关系方程式,1.产物形成与细胞生长相关联模式,产物形成速度与生长速度的关系可表示为：,P-产物浓度，g/L;a-产物相对于细胞的生成速度，g产物/g细胞,三、分批培养中微生物细胞生长与产物形成的动力学,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,（四）生长和产物生成关系方程式,2.产物形成与细胞生长无相关联模式,产物形成与细胞浓度的关系可表示为：,-非生长关联的产物形成常数，g产物/（g细胞h）,三、分批培养中微生物细胞生长与产物形成的动力学,第三章 发酵机制及发酵动力学,3.6 微生物发酵动力学,（四）生长和产物生成关系方程式,3.产物形成与细胞生长有关联和无相关联的复合模式,产物形成与细胞浓度的关系可表示为：,