發(fā)酵過程優(yōu)化原理

發(fā)酵過程優(yōu)化原理1第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五微生物是發(fā)酵工業(yè)的靈魂活細(xì)胞體內(nèi)含有大量不同的化合物和代謝物，其中水是含量最多的組分，約占細(xì)胞物質(zhì)總量的70%細(xì)胞質(zhì)量的其余部分，主要包括大分子DNA，RNA，蛋白質(zhì)，脂類及碳水化合物這些大分子合成和組織成一個(gè)功能細(xì)胞。微生物細(xì)胞生長是細(xì)胞個(gè)體內(nèi)許多化學(xué)反應(yīng)的綜合結(jié)果。這些反應(yīng)可分為如下幾類：供能反應(yīng)、生物合成反應(yīng)、聚合反應(yīng)、組裝反應(yīng)

一.發(fā)酵過程優(yōu)化的微生物反應(yīng)原理1.概述2第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五(1)在大腸桿菌快速生長期間，生物合成的中間體很少滲漏到胞外培養(yǎng)基中，結(jié)構(gòu)單元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致(2)大腸桿菌胞內(nèi)的大分子物質(zhì)隨比生長速率而變化(3)一旦生長培養(yǎng)基中的結(jié)構(gòu)單元足夠，細(xì)胞就不再合成這些物質(zhì)(4)特定的代謝途徑代謝特定的底物，只有底物存在時(shí)，細(xì)胞才合成相應(yīng)的酶(5)若兩個(gè)不同的底物同時(shí)存在于培養(yǎng)基中，細(xì)胞先合成能在一種底物上以較高比生長速率生長的酶系，當(dāng)這種底物消耗完畢，再合成利用另一底物的酶大腸桿菌生長過程中觀察到下列現(xiàn)象∶3第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五(1)底物傳遞進(jìn)入細(xì)胞(2)通過胞內(nèi)反應(yīng)，將底物轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞質(zhì)和代謝產(chǎn)物(3)代謝產(chǎn)物排泄進(jìn)入非生物相，即胞外培養(yǎng)基2.細(xì)胞生長過程可分為三個(gè)步驟：4第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3.底物、代謝產(chǎn)物和細(xì)胞質(zhì)成分的定義為：底物是一種存在于初始非生物相或者攝入物中起作用的可交換的化合物代謝產(chǎn)物是一種作為代謝物產(chǎn)生于某代謝途徑進(jìn)入非生物相的化合物細(xì)胞質(zhì)成分是一種細(xì)胞利用底物產(chǎn)生的不可交換的化合物(不能穿過細(xì)胞膜的物質(zhì))5第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五研究表明在膜上可能存在三種不同的運(yùn)輸機(jī)制：(1)自由擴(kuò)散(2)協(xié)助擴(kuò)散(3)主動(dòng)運(yùn)輸前兩種機(jī)制是沿著濃度梯度進(jìn)行運(yùn)輸，是被動(dòng)的過程，在運(yùn)輸過程中不需要提供外部能量。而主動(dòng)過程逆著濃度梯度進(jìn)行運(yùn)輸，需要輸入一定的吉布斯自由能。6第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五

微生物體內(nèi)不同底物和代謝產(chǎn)物的擴(kuò)散過程7第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4.微生物細(xì)胞的胞內(nèi)反應(yīng)(1)分解代謝反應(yīng)糖類在轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物(CO2、乳酸、乙酸和乙醇等)的同時(shí)，還形成ATP、NADH和NADPH。NADH和NADPH都在分解代謝反應(yīng)中產(chǎn)生，但NADPH主要消耗于合成代謝中，NADH則主要消耗于分解代謝途徑，如氧化磷酸化(2)生物合成和聚合反應(yīng)為了合成細(xì)胞物質(zhì)，需要合成結(jié)構(gòu)單元并將其聚合。合成蛋白質(zhì)需消耗大量的自由能，細(xì)胞一般根據(jù)其自身需求來調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成,其合成由蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)(PSS)負(fù)責(zé)，該系統(tǒng)中核糖體是主要部分

E.coli中大約70%的能量和還原力用于合成蛋白質(zhì)8第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五合成E.coli細(xì)胞對(duì)前體代謝物的需求

細(xì)胞合成所需要的結(jié)構(gòu)單元數(shù)在75～100之間，這些物質(zhì)都是從12種前體代謝物合成得到的，這些前體代謝物就是分解代謝反應(yīng)的中間產(chǎn)物，因此分解代謝在細(xì)胞生長過程中起著雙重的作用(為生物合成提供能量和前體代謝物)9第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五10第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五細(xì)胞代謝和生長過程偶聯(lián)在一起的過程，稱之為初級(jí)代謝但許多工業(yè)上重要的產(chǎn)品，其合成反應(yīng)并不與生長過程偶聯(lián)，我們稱之為次級(jí)代謝，這些反應(yīng)合成的產(chǎn)物叫次級(jí)代謝產(chǎn)物，就象初級(jí)代謝形成的產(chǎn)物叫初級(jí)代謝產(chǎn)物一樣乳酸是初級(jí)代謝產(chǎn)物，但它是乳酸菌在非生長條件下形成的，許多其它的初級(jí)代謝產(chǎn)物也同樣是在非生長條件下產(chǎn)生的(3)次級(jí)細(xì)胞代謝11第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五初級(jí)代謝產(chǎn)物定義為“在細(xì)胞生長所需要的反應(yīng)中形成的產(chǎn)物”可能比較確切一些次級(jí)代謝產(chǎn)物定義為“在那些對(duì)于細(xì)胞生長不重要的反應(yīng)中形成的產(chǎn)物”12第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五一些工業(yè)上重要的初級(jí)和次級(jí)代謝產(chǎn)物一覽13第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五二.發(fā)酵過程數(shù)量化方法發(fā)酵過程的數(shù)量化處理包括：

1.發(fā)酵過程的速度

2.化學(xué)計(jì)量學(xué)和熱力學(xué)

3.生產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率

只有當(dāng)變量可測(cè)量時(shí)，才有可能對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行數(shù)量化處理14第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五1.發(fā)酵過程的速度發(fā)酵過程的速度概念15第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵過程常規(guī)的參數(shù)及其測(cè)量16第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五菌體生長速度為∶

氧和底物利用速度為∶P、C和Hv生成速度為:17第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五細(xì)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：18第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五

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qHv

：19第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五

化學(xué)計(jì)量學(xué)主要研究有關(guān)加工過程中反應(yīng)組分組成的變化規(guī)律?；瘜W(xué)計(jì)量方程—是活細(xì)胞內(nèi)成百個(gè)代謝反應(yīng)綜合起來的總方程。

表示通用化了的碳源

根據(jù)元素分析得出的細(xì)胞組成

表示產(chǎn)物

在使用化學(xué)計(jì)量方程進(jìn)行宏觀處理時(shí)，并不需要了解這些循環(huán)的詳細(xì)情況，這樣可使發(fā)酵過程的分析不太復(fù)雜，而又不失去重要的信息。2.化學(xué)計(jì)量學(xué)20第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3.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(xué)計(jì)量學(xué)中一種非常重要的參數(shù)，常用于對(duì)碳源等底物形成菌體或產(chǎn)物的潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中i表示菌體或產(chǎn)物，j表示底物例如，菌體對(duì)底物的產(chǎn)率系數(shù)可表示為：(1)宏觀產(chǎn)率系數(shù)21第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五生物反應(yīng)過程中宏觀產(chǎn)率系數(shù)的定義22第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五有時(shí)，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(dá)重要的常數(shù)：值在實(shí)踐中對(duì)推導(dǎo)元素平衡方程很重要，對(duì)與氧化磷酸化有關(guān)的理論問題也有重要意義23第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五

假設(shè)發(fā)酵過程中完全沒有菌體生成，則YP/S可達(dá)理論最高值，稱為理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率（a）根據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化學(xué)計(jì)量方程為∶

依此計(jì)算=147/180=0.82(g/g)

此處沒有考慮反應(yīng)過程中NADH及ATP等輔助底物的生成和消耗(2)理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率24第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五（b）由生物化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算

根據(jù)由底物生成目標(biāo)代謝產(chǎn)物的代謝途徑，進(jìn)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(xué)計(jì)量關(guān)系可求出上式：由該反應(yīng)式得=(147×12)/(13×180)=0.75(g/g)

由于NADPH和ADP的再生過程要消耗底物，故依這種方法求得的值要小于單純依據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系求得的結(jié)果。

用生化計(jì)量式時(shí),必須清楚有關(guān)的代謝途徑!25第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五(3)實(shí)際發(fā)酵過程中的產(chǎn)率系數(shù)在實(shí)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、Ｓ；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(shí)間，

tm為混合時(shí)間，OTR為氧傳遞速度，

C/N為碳氮比，P/O為磷氧比26第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五三.微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1.被攝入到微生物細(xì)胞內(nèi)的底物中，一部分轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物，還有一部分則轉(zhuǎn)化為新生細(xì)胞的組成物質(zhì)。因此，對(duì)微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，至少要對(duì)底物、菌體和產(chǎn)物三個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行數(shù)學(xué)描述2.微生物反應(yīng)是很多種物質(zhì)參與的復(fù)雜代謝過程的綜合結(jié)果。因此，微生物反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程只能通過數(shù)學(xué)模擬得到27第二十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3.進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬的難點(diǎn)在于細(xì)胞的生長、繁殖代謝是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過程，該過程既包括細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)，也包括胞內(nèi)與胞外的物質(zhì)交換，還包括胞外的物質(zhì)傳遞及反應(yīng)4.為了優(yōu)化反應(yīng)過程，首先要進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上建立過程的物理模型，再據(jù)此推導(dǎo)得出數(shù)學(xué)模型。28第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的分類29第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五（一）細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)模型

1.無抑制作用的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)溫度和pH恒定時(shí)，對(duì)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),S為限制性底物濃度。底物消耗速率方程對(duì)應(yīng)為∶30第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五Monod方程應(yīng)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31第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五2.細(xì)胞生長穩(wěn)定期和延遲期的Monod型動(dòng)力學(xué)(1)延遲期動(dòng)力學(xué)模型的建立

(2)生長穩(wěn)定期動(dòng)力學(xué)模型的建立式中和是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取=max和=xmax32第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五3.微生物死亡期和內(nèi)源代謝(1)微生物死亡期的動(dòng)力學(xué)模型

Kd為比死亡速率(h-1)

對(duì)應(yīng)于由底物生成菌體的一級(jí)反應(yīng)速率為∶(2)內(nèi)源代謝的動(dòng)力學(xué)模型

或：ms為細(xì)胞的維持系數(shù)(s-1)，Y*X/S為最大細(xì)胞產(chǎn)率33第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4.底物和產(chǎn)物抑制的動(dòng)力學(xué)模型(1)底物抑制動(dòng)力學(xué)(Andrew底物抑制模型)式中KIS是底物抑制常數(shù)(2)產(chǎn)物抑制動(dòng)力學(xué)（Hinshelwood模型）式中，P為產(chǎn)物濃度，k為動(dòng)力學(xué)常數(shù)或：式中KIP為產(chǎn)物抑制常數(shù)34第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五（二）微生物產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)模型Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率和細(xì)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Ⅰ∶也稱為偶聯(lián)模型（醇類、葡萄糖酸、乳酸）類型Ⅱ∶也稱部分偶聯(lián)模型（檸檬酸、氨基酸）類型Ⅲ∶也稱為非偶聯(lián)模型（抗生素、酶、維生素、多糖）35第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五36第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五

上述三種類型外還有一種模型是qP與負(fù)偶聯(lián)的模型，例如黑曲霉生產(chǎn)黑色素，其qP與的關(guān)系可表示為：當(dāng)考慮到產(chǎn)物可能存在分解時(shí)：式中，kd為產(chǎn)物分解常數(shù)37第三十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五Monod方程中參數(shù)的求解：微分法

比生長速率計(jì)算：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),

X-t,S-t,μ-t線性化,對(duì)Monod方程取倒數(shù)，可變換為：此兩方程可用于計(jì)算Monod方程中的參數(shù)。（方程1）（方程2）38第三十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五tX,SSμ1/SS