酶发酵动力学
发酵动力学
发酵动力学第一篇：发酵动力学第八章发酵动力学发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。
fermentation kinetics 生化反应工程的基础内容之一，以研究发酵过程的反应速率和环境因素对速率的影响为主要内容。
通过发酵动力学的研究，可进一步了解微生物的生理特征，菌体生长和产物形成的合适条件，以及各种发酵参数之间的关系，为发酵过程的工艺控制、发酵罐的设计放大和用计算机对发酵过程的控发酵动力学制创造条件。
研究发酵过程中菌的生长速率、培养基的消耗速率和产品形成速率的相互作用和随时间变化的规律。
发酵动力学包括化学热力学(研究反应的方向)和化学动力学(研究反应的速度)并涉及酶反应动力学和细胞生长动力学。
它为发酵过程的控制、小罐试验数据的放大以及从分批发酵过渡到半连续发酵和连续发酵提供了理论基础。
发酵动力学也是计算机模拟发酵过程研究及发酵过程计算机在线控制的基础。
在发酵中同时存在着菌体生长和产物形成两个过程，它们都需要消耗培养基中的基质，发酵动力学因此有各自的动力学表达式，但它们之间是有相互联系的，都是以菌体生长动力学为基础的。
所谓菌体生长动力学是以研究菌体浓度、限制性基质（培养基中含量最少的基质，其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、温度和pH等对菌体生长速率的影响为内容的。
在分批发酵中，菌体浓度X,产物浓度P和限制性基质浓度S均随时间t变化菌体生长可分迟滞、对数、减速、静止、衰退等五个时期。
其中菌体的主要生长期是对数期，它的特点是：随着基质浓度继续下降，菌体的衰老死亡逐步与生长平衡以至超过生长，也即进入静止和衰退期。
发酵动力学J.莫诺于1949年提出了一个μ与S间的经验关联式，此式被称莫诺方程式：μm为最大比生长速率, 即不因基质浓度变化而改变的最大μ值;Ks为饱和常数，即在数量上相当于μ=0.5μm时的S值。
Ks值愈小，说明在低基质浓度范围中，S对μ愈为敏感,而保持μm的临界S 值愈低。
发酵工程 第6章 发酵动力学
■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。
如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化 模型。
非结构模型
结构模型
最理想情况
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一
均衡 细胞之间无差异， 生长 是均一的，细胞内
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。
■菌体视为单组分的模型为非结构模型，通过物料平 衡建立超经验或半经验的关联模型。
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。
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。
（3）质量平衡法（质量守恒定律）
发酵系统中物 物质进入系统的速度＋物质在系统生成的速度 ＝
质积累的速度 －物质排出系统的速度－物质在系统消耗的速度
研究发酵动力学的步骤
(1). 为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽 可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。
(2). 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系 起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。
S ——基质量，mol；
t ——发酵时间，h
注：这里的“维持”是指活细胞群体没有净生长和产物没有净合成的生 命活动，所需能量有细胞物质氧化或降解产生，这种用于“维持”的物 质代谢称为维持代谢（内源代谢），代谢释放的能量叫维持能。
（2）得率系数(或产率，转化率，Y)： 是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。包括生
基于关键生化反应限速步及其关键酶的动力学特征及其影响因素采用一系列分子水平的方法?细胞层次代谢网络与细胞工厂基于细胞信号传导代谢网络细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现采用一系列细胞水平的方法包括细胞群体行为分析?反应器层次过程工程基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应采用一系列优化反应器发酵条件的方法主要针对微生物发酵的表观动力学通过研究微生物群体的生长代谢定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率主要包括
发酵工程 酶促反应动力学
酶促反应动力学酶促反应动力学（kinetics of enzyme-catalyzed reactions）：酶反应动力学主要研究酶催化的反应速度以及影响反应速度的各种因素。
在探讨各种因素对酶促反应速度的影响时，通常测定其初始速度来代表酶促反应速度，即底物转化量<5%时的反应速度。
1．底物浓度对反应速度的影响：⑴底物对酶促反应的饱和现象：由实验观察到，在酶浓度不变时，不同的底物浓度与反应速度的关系为一矩形双曲线，即当底物浓度较低时，反应速度的增加与底物浓度的增加成正比（一级反应）；此后，随底物浓度的增加，反应速度的增加量逐渐减少（混合级反应）；最后，当底物浓度增加到一定量时，反应速度达到一最大值，不再随底物浓度的增加而增加（零级反应）。
⑵米氏方程及米氏常数：根据上述实验结果，Michaelis & Menten 于1913年推导出了上述矩形双曲线的数学表达式，即米氏方程：ν= Vmax[S]/(Km+[S])。
其中，Vmax为最大反应速度，Km为米氏常数。
⑶Km和Vmax的意义：①当ν=Vmax/2时，Km=[S]。
因此，Km等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度。
②当k-1>>k+2时，Km=k-1/k+1=Ks。
因此，Km可以反映酶与底物亲和力的大小，即Km值越小，则酶与底物的亲和力越大；反之，则越小。
③Km可用于判断反应级数：当[S]<0.01Km时，ν=（Vmax/Km）[S]，反应为一级反应，即反应速度与底物浓度成正比；当[S]>100Km时，ν=Vmax，反应为零级反应，即反应速度与底物浓度无关；当0.01Km<[S]<100Km时，反应处于零级反应和一级反应之间，为混合级反应。
④Km是酶的特征性常数：在一定条件下，某种酶的Km值是恒定的，因而可以通过测定不同酶（特别是一组同工酶）的Km值，来判断是否为不同的酶。
⑤Km可用来判断酶的最适底物：当酶有几种不同的底物存在时，Km值最小者，为该酶的最适底物。
发酵动力学名词解释
发酵动力学名词解释
发酵动力学是研究微生物在发酵过程中的生长、代谢和动力学行为的学科。
以下是一些常见的发酵动力学名词解释:
1. 比生长速率 (μ):每小时单位质量的菌体所增加的菌体量，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。
2. 基质消耗动力学：指消耗单位营养物所生产的产物或细胞数量，可以通过确定菌体和基质之间的动力学关系来研究。
3. 最大比生长速率 (μmax):微生物在最优生长条件下的最大比生长速率。
4. 饱和常数 (Ks):表示微生物细胞浓度达到最大值时的营养物浓度。
5. 动力学参数 (kinetic parameters):用于描述微生物生长和代谢过程的一些参数，如比生长速率、饱和常数等。
6. 发酵热 (fermentative heat):在发酵过程中产生的热能，可以用于加热发酵液或产生蒸汽。
7. 非竞争性抑制剂 (non-competitive inhibitor):一种能够
与酶结合并抑制其活性的抑制剂，但其结合常数小于竞争性抑制剂。
8. 群体动力学 (population dynamics):研究微生物种群数量
的动态变化，包括菌落形成和灭绝、种群增长和衰退等。
这些名词解释可以帮助读者更好地理解发酵动力学的基本概念
和应用。
酶发酵动力学
Y = 37.174 X + 1.027 Ks 1 = 1.027, = 37.174
µm
µm
即：µ m = 0.974，K s = 36.197
x
习题2：在有氧条件下，杆菌在甲醇上生长，在进行间 歇培养室得到结果如下表所示：
求： (1) μm, KS； (2) YX/S； (3) t=10 h时，比生长速率μ值。
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
总细胞浓度 胞外酶浓度
活细胞浓度 胞内酶浓度
延续合成型
酶的生物合成在细胞的生长阶段开始，细胞生长进入 平衡期后，酶还可以延续合成一段较长时间。
属于该类型的酶可以是组成酶，也可以是诱导酶。 例如， 在黑曲霉在以半乳糖醛酸或果胶为单一碳源的培养基中 培养，可以诱导聚半乳糖醛酸酶（EC3.2.1.15）的生物合成。
酶 浓度 U/ml 细胞 浓度 /ml 酶 浓度 U/ml
细胞 浓度 mg/ml
酶浓度 细胞浓度
以半乳糖醛酸为诱导物
以含有葡萄糖的果胶为诱导物
中期合成型
该类型的酶在细胞生长一段时间以后才开始，而在细胞生 长进入平衡期以后，酶的生物合成也随着停止。
例如，枯草杆菌碱性磷酸酶（EC 3.1.3.1) 酶的合成受到无机磷酸的反馈阻遏，而磷又是细胞生长所必须的营养物质。 在细胞生长的开始阶段, 磷阻遏碱性磷酸酶的合成， 当细胞生长一段时间， 培养基中的磷几乎耗尽后，该酶才开始大量生成。 碱性磷酸酶所对应的mRNA不稳定，寿命只有30 min左右，所以当细胞进入平 衡期后， 酶的生物合成随之停止。
rx = µC x =
µ mCs
Ks
• Cx =
µm
Ks
• Cs C x
发酵动力学
• 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。
发酵动力学的概念和研究内容
发酵动力学的概念和研究内容
发酵动力学是研究发酵过程中微生物生长和代谢的速率和规律
的科学，是微生物发酵工程的重要组成部分。
发酵动力学的研究内容包括发酵过程中的微生物生长动力学、底物代谢动力学和产物生成动力学。
微生物生长动力学是研究微生物在发酵过程中生长的速率和规律。
在发酵过程中，微生物对培养基中的营养物质进行吸收和利用，生长并繁殖。
微生物的生长速率受到多种因素的影响，如温度、pH值、氧
气浓度、营养物质浓度等。
通过实验和数学模型，可以了解微生物的生长速率与这些因素之间的关系，为优化发酵过程提供理论依据。
底物代谢动力学是研究微生物在发酵过程中对底物的利用速率和规律。
微生物通过代谢途径将底物转化为产物，同时产生能量和细胞所需的物质。
底物的利用速率受到微生物的生长速率和代谢途径的调控。
通过研究底物代谢动力学，可以了解微生物对底物的利用效率，为优化底物供应策略和产物生成提供指导。
产物生成动力学是研究发酵过程中产物的生成速率和规律。
在发酵过程中，微生物通过代谢途径将底物转化为产物。
产物的生成速率受到微生物的生长速率和底物的利用速率的影响，同时也受到产物对微生物生长的抑制效应。
通过研究产物生成动力学，可以了解产物的积累
速率和抑制效应，为优化发酵过程和产物纯化提供理论指导。
综上所述，发酵动力学的研究内容涵盖微生物生长动力学、底物代谢动力学和产物生成动力学三个方面，通过研究这些内容，可以深入了解发酵过程中微生物的生长和代谢规律，为优化发酵工艺和提高产物产量提供理论支持。
淀粉酶发酵动力学的研究
（3）李志江、牛广财等人在糙米酵素淀粉酶合 成动力学研究中对细胞的生长采用修正后的 Logistic方程，采用最小二乘法应用数学计算 软件对模型参数进行非线性回归，得到K=1.64。 又进一步得到了迟滞期和迟滞期后细胞动力学 方程。
产淀粉酶动力学 （1）新疆农科院微生物研究所的张志东、王玮 等人采用Luedeking-piret方程进行低温淀粉酶 生成动力学的研究，利用DPS软件对低温淀粉 酶产生动力方程进行麦夸特法非线性拟合，求 得ɑ=-0.676； ß=0.310通过模型计算值和实验 值的比较可知该模型能较好的描述酶的大部分 积累过程。
（2）中南林业科技大学绿色食品研究所刘永乐、 李忠海等人在研究ɑ-淀粉酶发酵动力学时，采 用Luedeking-piret方程描述产物生成动力学， 应用MATLAB软件编程，进行非线性规划，采 用的算法为全局性收敛的LevenbergMarquardt修正的高斯-牛顿法，以误差平方和 最小为目标，获得待估参数。在置信区间为 95%时。拟合情况较好，说明所建模型能较好 的反映AS-EU 菌株分批发酵的过程。
淀粉酶发酵动力学的研究
摘要：淀粉酶是一种重要的酶制剂，广泛应用于 发酵、食品、饲料、医药等行业，其产量几乎 占酶制剂产量的50%以上。本文试着从常见的 发酵动力学模型来描述淀粉酶的发酵动力学过 程。其动力学模型的建立对了解菌体生长、产 酶过程以及实现发酵优化和控制具有重要的实 际意义。 关键词：淀粉酶 发酵动力学 优化和控制
菌体生长动力学 （1）新疆农科院微生物研究所的张志东、王玮 等人在研究菌体生长时采用Logistic方程建立 研究LA7菌体生长的动力学模型，利用DPS软 件对菌株LA7生长方程进行麦夸特法非线性拟 合求得：μm=0.433h-1。拟合曲线与实测
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
影响酶生物合成模式的主要因素：
酶所对应的mRNA的稳定性以及培养基中阻遏物的 存在。
mRNA稳定性好——可在细胞生长进入平衡期以后，继续合 成其所对应的酶；
mRNA稳定性差——就随着细胞生长进入平衡期而停止酶的 生物合成；
大部分组成酶的生物合成属于同步合成型，有部分诱导酶 也按照此种模式进行生物合成。
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
总细胞浓度 胞外酶浓度
活细胞浓度 胞内酶浓度
延续合成型
酶的生物合成在细胞的生长阶段开始，细胞生长进入 平衡期后，酶还可以延续合成一段较长时间。
属于该类型的酶可以是组成酶，也可以是诱导酶。 例如， 在黑曲霉在以半乳糖醛酸或果胶为单一碳源的培养基中 培养，可以诱导聚半乳糖醛酸酶（EC3.2.1.15）的生物合成。
Cs：限制性基质浓度 μm ：最大比生长速率，限制性底物浓度过量时的比生长速率，即当
Cs>>Ks时， μ= μm KS ： 莫诺德常数， 指μ= 0.5μm时，Ks=Cs。
莫诺德方程是基本的细胞生长动力学方程。
Monod方程形式与米氏方程相似，但Monod方程是 从经验得出的，常称为形式动力学。
Monod方程的基本假设:
故有，
rx
= µCx
=
µmCs
Ks
• Cx
(1) 细胞生长为均衡生长，因而描述细胞生长的唯一变量是细胞 浓度;
(2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，其它组分过量， 且不影响细胞生长;
(3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。
当Ks>>Cs时，
µ
=
µmCs Ks + Cs
≈
µm Ks
• Cs
细胞比生长速率与基质浓度为一级动力学关系。
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
酶浓度 细胞浓度
以半乳糖醛酸为诱导物
以含有葡萄糖的果胶为诱导物
中期合成型
该类型的酶在细胞生长一段时间以后才开始，而在细胞生 长进入平衡期以后，酶的生物合成也随着停止。
例如，枯草杆菌碱性磷酸酶（EC 3.1.3.1) 酶的合成受到无机磷酸的反馈阻遏，而磷又是细胞生长所必须的营养物质。 在细胞生长的开始阶段, 磷阻遏碱性磷酸酶的合成， 当细胞生长一段时间， 培养基中的磷几乎耗尽后，该酶才开始大量生成。 碱性磷酸酶所对应的mRNA不稳定，寿命只有30 min左右，所以当细胞进入平
比速率：以单位浓度细胞(或单位质量)为基准表示的速率。 细胞的比生长速率(h-1):
µ = dCx • 1
dt Cx
比速率与催化活性物质的量有关，反映了细胞活力大小。
（2）无抑制细胞生长动力学
现代细胞生长动力学的奠基人Monod早在1942年首先提出 了表述微生物细胞生长的动力学方程。
在培养过程中， 细胞生长速率与细胞浓度成正比：
rx
=
dCCx/dt:细胞生长速率；μ：比生长速 率。
（2）无抑制细胞生长动力学
假设：培养基中只有一种限制性基质，而不存在其他生长
限制因素时，μ为这种限制性基质浓度的函数。细胞的比生 长速率与限制基质浓度的关系为：
µ = µmCs Ks + Cs
（Monod方程）
衡期后， 酶的生物合成随之停止。
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
滞后合成型
在细胞生长一段时间或进入平衡期以后才开始酶的合成和 积累，又称为非生长偶联型。许多水解酶的生物合成都属于这 一类型。
主要原因： 受培养基中阻遏物的阻遏作用。随着细胞生长，阻遏物几乎被耗尽而
解除阻遏，酶才开始大量合成。
在发酵过程中没有生长期和产酶期的明显差别。 细胞一开始生长就有酶产生，直至细胞生长进入平衡期以后，
酶还可以继续合成一段较长的时间。
理想的酶合成模式
其他合成模式的酶： 通过基因工程手段获得优良菌株，并通过工艺优化控制，
使其合成模式接近于延续合成型。
同步合成型的酶：
尽量提高所对应的mRNA的稳定性，适当降低发酵温度；
滞后合成型的酶：
降低培养基中阻遏物的浓度，尽量减少产物阻遏或分解代谢物 阻遏作用，使酶的生物合成提早开始；
中期合成型的酶：
提高mRNA的稳定性及解除阻遏两方面下功夫，使其合成开始 时间提前，并尽量延迟合成停止的时间。
（2）细胞生长动力学
细胞的生长速率受到细胞内外各种因素的影响，变化 复杂，但有一定的生长规律。掌握其生长规律有助于进行 优化控制。
该类型酶所对应的mRNA稳定性很好，
可在细胞生长进入平衡期后的相当
酶
长的一段时间内，继续进行酶的生 物合成。
细胞 浓度 mg/ml
浓度 U/ml
若培养基中不存在阻遏物，该酶的 合成可以转为延续合成型。
黑曲霉羧基蛋白酶生物合成
理想的酶合成模式
为了提高产酶率和缩短发酵周期，最理想的合成模式应是 延续合成型。
酶发酵动力学
2.4 酶发酵动力学
发酵动力学： 研究发酵过程中细胞生长速率、产物生成速率、
基质消耗速率以及环境因素对这些速率的影响规律 的学科
主要包括：细胞生长动力学、产物生成动力学、基 质消耗动力学
（1）酶生物合成的模式
细胞在一定条件下培养生长， 其生长过程一般经历调 整期（延滞期）、生长期（对数期）、平衡期（稳定期） 和衰退期等4个阶段
细胞生长动力学：
研究发酵过程中细胞生长速率以及各种因素对细胞生长 速率的影响规律。它是对细胞群体的动力学行为的描述，不 是对单一细胞进行描述。
动力学模型的简化
细胞生长速率: 单位时间、单位体积细胞浓度的变化量。
rx
=
dCx dt
Cx：细胞浓度，通常用单位体积培养液中细胞干重表示； Rx：细胞生长速率
不受培养基中某些物质阻遏——可以伴随着细胞生长而开始 酶的合成；
受到培养基中某些物质阻遏——则要在细胞生长一段时间甚 至在平衡期后， 酶才开始合成并大量积累。
同步合成型
又称为生长偶联型，酶的生物合成与细胞生长同步进行。 该类型酶的生物合成速度与细胞生长速度紧密联系。
该合成型的酶，其生物合成伴随着细胞的生长而开始；在 细胞进入旺盛生长期时，酶大量生成；当细胞生长进入平衡期 后，酶的合成随着停止。