《发酵工程》第6章 发酵动力学

发酵机理
微生物积累某种代谢产物取决于 微生物种类、遗传性状和培养条件
要控制微生物发酵的方向和质量，首 先要研究微生物的生理代谢规律。
即 ✓生物合成各种代谢产物的途径和代谢调节机制 ✓环境因素对代谢方向的影响 ✓改变微生物代谢方向的措施
第1节 微生物基础物质代谢
一、微生物对培养基中碳源的代谢
微生物的碳源中，最重要的是淀粉及其水解产物葡萄糖。
除化能自养微生物外，几乎所有的微生物能有 EMP途径，由葡萄糖生成2分子丙酮酸，并产生 ATP。
C6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD 2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2
己糖激酶
葡萄糖 6-P-葡萄糖
ADP
6-P-果糖 磷酸果糖激酶
1.6-二P果糖
ATP ADP
丙酮酸激酶
3-P-甘油醛
三、微生物的能量代谢
一切生命活动都是耗能反应。
微生物能量代谢的中心任务是把外界环境中多种形式的 最初能源转换成生命活动能使用的通用能源——ATP。
微生物能量获得的方式
厌氧发酵 有氧呼吸
微生物的呼吸 无氧呼吸 光能微生物的能量代谢
化能自养微生物的能量代谢
第2节 厌氧发酵产物的合成机制
绝大多数微生物都能利用葡萄糖作为能源和碳源。
ATP
3-P-甘油酸 PEP
NADH2
Ala
ATP
ADP
F·A Cit
GTP
ATP丙酮酸
草酰乙酸 乳酸乙醇
乙酰CoA
琥珀酸CoA ATP
cAMP
抑制
激活
PEP： 磷酸烯醇 丙酮酸
Ala： 丙氨酸
F·A： 脂肪酸

40
0.31 129
64
0.43 148.8
102
0.53 192.5
S
μ
S/ μ
（mg/L ） （h-1）
122
0.60 203.3
153
0.66 231.8
170
0.69 246.4
221
0.70 311.3
210
0.73 287.7
44
S/ μ
做S/ μ-S
图
350
300
250
200
150
100
X X 0
m0tdt
X X e ln Xt mt
X0
t
mt
0
05年3月
发酵工艺原理
35
比生长速率的图解计算
ln Xt mt
X0
ln Xt mt ln X 0
几种不同微生物的μ max值
微生物
细菌 酵母 霉菌
培养温度（℃） μmax(h-1)
37
0.6～1.0
控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。
3
■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
4
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。
m m S
以1/S为横坐标，1/μ为 纵坐标，得一条直线， 由直线与x轴和y轴相交， 分别求得：
Ks=0.02(kg/m3)
μ m=0.18(h-1)
计算举例

柠檬酸、衣糠酸、乳酸和部分氨基酸为这种类型产物的典型代表。
3．Ⅲ型（生长与产物合成非偶联类型）
物质的生产速率很难与生长相联系。产物合成速度与 碳源利用也不存在定量关系。
一般产物的合成是在菌体的浓度接近或达到最高之后 才开始的，此时比生长速率已不处于最高速率。 多数次生代谢产物的发酵属这种类型，如青霉素、链霉 素等各种抗生素和微生物毒素等
单一限制性基质：就是 指在培养微生物的营养 物中，对微生物的生长 起到限制作用的营养物。
＃ b段为适合Monod方程段，
＃ c 段为S»Ks，由于底物浓度过高导致的底物抑制或代谢产
物产生抑制，不符合Monod方程，对于前者，有下列公式描述：
营养物质的 抑制，如G
代谢产物产 生的抑制， 如乙醇
＃当底物浓度很高时且无抑制现象发生,即d 段，S »Ks,
2. 基质消耗速率 因为 细胞和产物的生成：-ds/dt=µX/Yx/s 因为 细胞、产物和能量
-ds/dt=µX/YG+mX+dP/dtYp 3. 基质比消耗速率、产物比形成速率
ds
dt X
=µ/Yx/s 或者=µ/YG+m+π/Yp
dp
dt X
4. 产物形成动力学 Ⅰ型： Ⅱ型：
微生物在一个密闭系统中的生长情况：
菌体浓度
减速期
静止期 衰亡期
延迟期
指数生长期
时间
延迟期： dx 0
dt
指数生长期: max 倍增时间：td
减速期: d 0
dt
静止期： dx 0
dt
; X Xmax
衰亡期: dx 0
dt
二、分批培养的动力学
1. 得率 Yx/s=ΔX／-ΔS； Yp/s=ΔP／-ΔS

• 把它们随时间变化的过程绘制成图，就
成为所说的代谢曲线。
• 比生长速率μ
每小时(单位时间)单位质量的菌体所
增加的菌体量称为菌体比生长速率。
它是表征微生物生长速率的一个参数 ，也是发酵动力学中的一个重要参数。
发酵过程
• 微生物生长
• 底物消耗
• 代谢产物合成
• Gaden's fermentation classification（按照菌体生长，
产物直接来源于产能的初级
第 一 类 型 （ 生 长 关 联 型 ）
代谢（自身繁殖所必需的代 谢），菌体生长与产物形成
■
不分开。
例如单细胞蛋白和葡萄糖酸
的发酵
dP dt
x 或
P
Q

dP Xdt


：生长关联型产物的形 成比例（g产物 / g菌体）
Q ：产物合成的比速率
P
■
第 二 类 型 （ 部 分 生 长 关 联 型 ）
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）
rP YP / X rX YP / X X
• 类型Ⅱ∶也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）
rP rX X
• 类型Ⅲ∶也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生
补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation)
分批发酵
分批发酵:指在一封闭系统内含有初
始限量基质的发酵方式。在这一过程
中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸 或碱外，不再加入任何其它物质。发 酵过程中培养基成分减少，微生物得 到繁殖。