發(fā)酵動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、1會(huì)計(jì)學(xué)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)2 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)是研究各種發(fā)酵過程變量發(fā)酵動(dòng)力學(xué)是研究各種發(fā)酵過程變量在活細(xì)胞作用下的變化規(guī)律，以及各種在活細(xì)胞作用下的變化規(guī)律，以及各種發(fā)酵條件對(duì)這些變量變化速度的影響。發(fā)酵條件對(duì)這些變量變化速度的影響。 以化學(xué)熱力學(xué)（研究反應(yīng)的方向）和以化學(xué)熱力學(xué)（研究反應(yīng)的方向）和化學(xué)動(dòng)力學(xué)（研究反應(yīng)的速度）為基礎(chǔ)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)（研究反應(yīng)的速度）為基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)酵過程中各種物質(zhì)的變化進(jìn)行描述。對(duì)發(fā)酵過程中各種物質(zhì)的變化進(jìn)行描述。一、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究的一、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容內(nèi)容第1頁(yè)/共39頁(yè)3研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容微生物生長(zhǎng)動(dòng)微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)力學(xué)基質(zhì)消耗動(dòng)力基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)學(xué)產(chǎn)物生成

2、動(dòng)力產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)學(xué)第2頁(yè)/共39頁(yè)4二、研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)二、研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的方法的方法 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究的前提前提反應(yīng)器內(nèi)的攪拌系統(tǒng)能保證理想的混合；反應(yīng)器內(nèi)的攪拌系統(tǒng)能保證理想的混合；溫度、溫度、pHpH等環(huán)境條件能夠控制以保持穩(wěn)定；等環(huán)境條件能夠控制以保持穩(wěn)定；細(xì)胞有固有的化學(xué)組成，不隨發(fā)酵時(shí)間和某些細(xì)胞有固有的化學(xué)組成，不隨發(fā)酵時(shí)間和某些發(fā)酵條件的變化而發(fā)生明顯變化；發(fā)酵條件的變化而發(fā)生明顯變化；各種描述發(fā)酵動(dòng)態(tài)的變量對(duì)發(fā)酵條件變化的反各種描述發(fā)酵動(dòng)態(tài)的變量對(duì)發(fā)酵條件變化的反應(yīng)無(wú)明顯滯后。應(yīng)無(wú)明顯滯后。第3頁(yè)/共39頁(yè)51.1.宏觀處理法：宏觀處理法：把細(xì)胞看成一個(gè)均勻分把

3、細(xì)胞看成一個(gè)均勻分布的物體，不管微觀反應(yīng)機(jī)制，只考慮布的物體，不管微觀反應(yīng)機(jī)制，只考慮各個(gè)宏觀變量之間的關(guān)系，這樣便得出各個(gè)宏觀變量之間的關(guān)系，這樣便得出結(jié)構(gòu)模型和非結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型和非結(jié)構(gòu)模型2.2.質(zhì)量平衡法：質(zhì)量平衡法：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)某一物質(zhì)在過程發(fā)生前后的質(zhì)量變化進(jìn)某一物質(zhì)在過程發(fā)生前后的質(zhì)量變化進(jìn)行恒算。行恒算。 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究方法方法第4頁(yè)/共39頁(yè)6質(zhì)量平衡質(zhì)量平衡式式物質(zhì)在系統(tǒng)中積累的速度物質(zhì)在系統(tǒng)中積累的速度= =物質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)的速度物質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)的速度+ +物質(zhì)在系統(tǒng)中物質(zhì)在系統(tǒng)中生成的速度生成的速度- -物質(zhì)排出系統(tǒng)的速度物質(zhì)排出系統(tǒng)的

4、速度- -物物質(zhì)在系統(tǒng)中消耗的速度質(zhì)在系統(tǒng)中消耗的速度某物質(zhì)在系統(tǒng)中的含量能夠在線測(cè)量或估計(jì)，某物質(zhì)在系統(tǒng)中的含量能夠在線測(cè)量或估計(jì)，通過建立上述平衡方程式，就可以確定該物通過建立上述平衡方程式，就可以確定該物質(zhì)在系統(tǒng)中變化的動(dòng)力學(xué)。質(zhì)在系統(tǒng)中變化的動(dòng)力學(xué)。人為加入或排出和通過相界面?zhèn)髻|(zhì)進(jìn)人為加入或排出和通過相界面?zhèn)髻|(zhì)進(jìn)入或排出入或排出第5頁(yè)/共39頁(yè)7獲得發(fā)酵過程中能夠反映發(fā)酵過程變化的獲得發(fā)酵過程中能夠反映發(fā)酵過程變化的多種理化參數(shù)多種理化參數(shù)尋求發(fā)酵過程變化的多種理化參數(shù)與微生尋求發(fā)酵過程變化的多種理化參數(shù)與微生物發(fā)酵代謝規(guī)律之間的相互關(guān)系物發(fā)酵代謝規(guī)律之間的相互關(guān)系建立多種數(shù)學(xué)模型，描

5、述多種理化參數(shù)隨建立多種數(shù)學(xué)模型，描述多種理化參數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系時(shí)間變化的關(guān)系利用計(jì)算機(jī)和程序控制，反復(fù)驗(yàn)證多種數(shù)利用計(jì)算機(jī)和程序控制，反復(fù)驗(yàn)證多種數(shù)學(xué)模型的可行性的適用范圍學(xué)模型的可行性的適用范圍第6頁(yè)/共39頁(yè)8氧需氧需求求好氧好氧發(fā)酵發(fā)酵兼性好氧兼性好氧發(fā)酵發(fā)酵厭氧厭氧發(fā)酵發(fā)酵液體表面發(fā)液體表面發(fā)酵酵液體深層發(fā)液體深層發(fā)酵酵深層發(fā)酵深層發(fā)酵操作方操作方法法分批分批發(fā)酵發(fā)酵分批補(bǔ)料分批補(bǔ)料發(fā)酵發(fā)酵連續(xù)連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究與微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究與發(fā)酵的種類、方式密切相關(guān)發(fā)酵的種類、方式密切相關(guān)第7頁(yè)/共39頁(yè)四、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究四、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究的意義的意義 通過對(duì)發(fā)酵反應(yīng)動(dòng)

6、力學(xué)的研究，進(jìn)行最佳發(fā)酵通過對(duì)發(fā)酵反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，進(jìn)行最佳發(fā)酵生產(chǎn)工藝條件的控制。發(fā)酵過程中，菌體的濃度、生產(chǎn)工藝條件的控制。發(fā)酵過程中，菌體的濃度、基質(zhì)濃度、溫度、基質(zhì)濃度、溫度、pHpH值、溶解氧等工藝參數(shù)的值、溶解氧等工藝參數(shù)的控制方案，可以在這研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化?？刂品桨?，可以在這研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。 設(shè)計(jì)合理的發(fā)酵過程，也必須以發(fā)酵動(dòng)力設(shè)計(jì)合理的發(fā)酵過程，也必須以發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型作為依據(jù)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、學(xué)模型作為依據(jù)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、模擬最合適的工藝流程和發(fā)酵工藝參數(shù)，從模擬最合適的工藝流程和發(fā)酵工藝參數(shù)，從而使生產(chǎn)控制達(dá)到最優(yōu)化。而使生產(chǎn)控制達(dá)到最優(yōu)化。 發(fā)酵

7、動(dòng)力學(xué)的研究還在為試驗(yàn)工廠比擬放大、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究還在為試驗(yàn)工廠比擬放大、為分批發(fā)酵過渡到連續(xù)發(fā)酵提供理論依據(jù)。為分批發(fā)酵過渡到連續(xù)發(fā)酵提供理論依據(jù)。第8頁(yè)/共39頁(yè)10 發(fā)酵過程中發(fā)酵過程中，基質(zhì)主要消耗在：主要消耗在：滿滿足菌體生長(zhǎng)消耗維持微生物生存的消足菌體生長(zhǎng)消耗維持微生物生存的消耗合成代謝產(chǎn)物的消耗耗合成代謝產(chǎn)物的消耗 PmGSSSSS S，基質(zhì)（底物）；，基質(zhì)（底物）；G G，菌體生長(zhǎng)；菌體生長(zhǎng)；MM，維持代謝；，維持代謝；P P，產(chǎn)物，產(chǎn)物合成合成1、幾個(gè)基本、幾個(gè)基本概念概念五、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型五、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型第9頁(yè)/共39頁(yè)Xt ddSmMs1111.1.維持因數(shù)維持因數(shù)(

8、m) (m) ：?jiǎn)挝恢亓康模ňw）細(xì)單位重量的（菌體）細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)用于維持代謝消耗的基質(zhì)胞在單位時(shí)間內(nèi)用于維持代謝消耗的基質(zhì)的量。的量。 一般來(lái)講指維持細(xì)胞最低活性所需消一般來(lái)講指維持細(xì)胞最低活性所需消耗的能量。（碳，氮，氧等的維持因數(shù)耗的能量。（碳，氮，氧等的維持因數(shù)mc,mn,momc,mn,mo）m ms:s:以基質(zhì)消耗以基質(zhì)消耗為基準(zhǔn)為基準(zhǔn) 的維持因的維持因數(shù)，數(shù)，X:X:菌體干重；菌體干重；S:S:基質(zhì)量基質(zhì)量t:t:發(fā)酵時(shí)間；發(fā)酵時(shí)間；M:M:表示維持。表示維持。第10頁(yè)/共39頁(yè)X1dtdsQs dtdsQ 12基質(zhì)的消耗速基質(zhì)的消耗速度度基質(zhì)的消耗比基質(zhì)的消耗比速率速率2.

9、2.比速（率）比速（率）: :單位時(shí)間內(nèi)，單位干菌體單位時(shí)間內(nèi)，單位干菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物（菌體）的量消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物（菌體）的量 ( (消耗消耗的基質(zhì)用于維持代謝，菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物的基質(zhì)用于維持代謝，菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成合成) )。比速率是生物反應(yīng)中用于描述反比速率是生物反應(yīng)中用于描述反應(yīng)速度的常用概念應(yīng)速度的常用概念第11頁(yè)/共39頁(yè)X1dtdPQp X1dtdX 13菌體的比生長(zhǎng)速菌體的比生長(zhǎng)速率率產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率第12頁(yè)/共39頁(yè)14)(YSXX/SGSX)(Ysg3.3.生長(zhǎng)得率：菌體的生長(zhǎng)量相對(duì)于基質(zhì)生長(zhǎng)得率：菌體的生長(zhǎng)量相對(duì)于基質(zhì)消耗量的收得率。消耗量的收得率。Y

10、X/s: 相對(duì)與基質(zhì)消耗的實(shí)際生長(zhǎng)相對(duì)與基質(zhì)消耗的實(shí)際生長(zhǎng)得率系數(shù)得率系數(shù)Yg/s: 相對(duì)于基質(zhì)消耗的（純生長(zhǎng)）理相對(duì)于基質(zhì)消耗的（純生長(zhǎng)）理論得率系數(shù)論得率系數(shù) 特定的基質(zhì)及在特定環(huán)境條件下培養(yǎng)的特特定的基質(zhì)及在特定環(huán)境條件下培養(yǎng)的特定微生物，它是一個(gè)常數(shù)，又稱最大生長(zhǎng)得定微生物，它是一個(gè)常數(shù)，又稱最大生長(zhǎng)得率或生長(zhǎng)得率常數(shù)。率或生長(zhǎng)得率常數(shù)。第13頁(yè)/共39頁(yè)154.4.產(chǎn)物得率：產(chǎn)物的合成相對(duì)于基產(chǎn)物得率：產(chǎn)物的合成相對(duì)于基質(zhì)消耗量的收得率。質(zhì)消耗量的收得率。)(YSPP/SYP/s: 相對(duì)于基質(zhì)消耗的實(shí)際產(chǎn)物得相對(duì)于基質(zhì)消耗的實(shí)際產(chǎn)物得率系數(shù)率系數(shù)PSP)(YspYps: 相對(duì)于基質(zhì)消

11、耗的產(chǎn)物理論得率相對(duì)于基質(zhì)消耗的產(chǎn)物理論得率系數(shù)系數(shù) 理論產(chǎn)物得率取決于產(chǎn)物的生物合成途徑，理論產(chǎn)物得率取決于產(chǎn)物的生物合成途徑，對(duì)于由特定基質(zhì)經(jīng)特定途徑產(chǎn)生的特定產(chǎn)物來(lái)對(duì)于由特定基質(zhì)經(jīng)特定途徑產(chǎn)生的特定產(chǎn)物來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)常數(shù)，不因菌株和發(fā)酵條件的不說(shuō)，它是一個(gè)常數(shù)，不因菌株和發(fā)酵條件的不同而異。同而異。第14頁(yè)/共39頁(yè)16第15頁(yè)/共39頁(yè)skssaxm17：菌體的生長(zhǎng)比速：菌體的生長(zhǎng)比速 s：?jiǎn)我幌拗菩曰|(zhì)：?jiǎn)我幌拗菩曰|(zhì)濃度濃度 Ks：半飽和常數(shù)：半飽和常數(shù)max: 最大比生長(zhǎng)速最大比生長(zhǎng)速率率s1.Monod方程方程式式2、微生物生長(zhǎng)動(dòng)、微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)力學(xué) mmm/2m/2k ks

12、 s第16頁(yè)/共39頁(yè)18第17頁(yè)/共39頁(yè)19 Monod方程中單一限制性基質(zhì)可以是方程中單一限制性基質(zhì)可以是培養(yǎng)基中任何一種與微生物生長(zhǎng)有關(guān)的營(yíng)培養(yǎng)基中任何一種與微生物生長(zhǎng)有關(guān)的營(yíng)養(yǎng)物，只要該基質(zhì)相對(duì)缺乏，就成為限制養(yǎng)物，只要該基質(zhì)相對(duì)缺乏，就成為限制性生長(zhǎng)因子。實(shí)際過程中，可能出現(xiàn)多種性生長(zhǎng)因子。實(shí)際過程中，可能出現(xiàn)多種限制性基質(zhì)和抑制性物質(zhì)，影響了限制性基質(zhì)和抑制性物質(zhì)，影響了Monod方程的適用性。方程的適用性。第18頁(yè)/共39頁(yè)20u Ks ，微生物對(duì)基質(zhì)的飽和常數(shù)微生物對(duì)基質(zhì)的飽和常數(shù),當(dāng)當(dāng)= 1/2max，s= Ksu 當(dāng)當(dāng)s Ks，基質(zhì)濃度較高時(shí)，基質(zhì)濃度較高時(shí)，與與s無(wú)關(guān)，

13、零無(wú)關(guān)，零級(jí)反應(yīng)。級(jí)反應(yīng)。u 當(dāng)當(dāng)s趨近于無(wú)窮大時(shí)，趨近于無(wú)窮大時(shí)，=max.max是理論上是理論上最大的生長(zhǎng)潛力。最大的生長(zhǎng)潛力。mm/2kss第19頁(yè)/共39頁(yè)sksmmaxskssm 2100.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2Km米氏方米氏方程程mm/2kss莫諾方程莫諾方程sksVVmm 第20頁(yè)/共39頁(yè)22莫諾方程與米氏方程莫諾方程與米氏方程 二者形式相同，但微生物生長(zhǎng)是細(xì)胞二者形式相同，但微生物生長(zhǎng)是細(xì)胞群體生命活動(dòng)的綜合表現(xiàn)，機(jī)理非常復(fù)雜群體生命活動(dòng)的綜合表現(xiàn)，機(jī)理非常復(fù)雜。Monod方程與米氏方程的區(qū)別與聯(lián)系是：方程與米氏方程的區(qū)

14、別與聯(lián)系是：Monod方程是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié)，是經(jīng)驗(yàn)方程是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié)，是經(jīng)驗(yàn)方程（方程（empirical model）；）；米氏方程是根據(jù)酶反應(yīng)機(jī)理推導(dǎo)得出，是米氏方程是根據(jù)酶反應(yīng)機(jī)理推導(dǎo)得出，是機(jī)理方程（機(jī)理方程（mechanistic model）。）。第21頁(yè)/共39頁(yè)233、微生物的產(chǎn)物生成動(dòng)力、微生物的產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)學(xué)第22頁(yè)/共39頁(yè)24根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成是否偶聯(lián)根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成是否偶聯(lián)進(jìn)行分類進(jìn)行分類 Luedeking-Piret模型是一常見的分批發(fā)模型是一常見的分批發(fā)酵產(chǎn)物合成動(dòng)力學(xué)模型，它把產(chǎn)物生成酵產(chǎn)物合成動(dòng)力學(xué)模型，它把產(chǎn)物生成速率看作是菌體生長(zhǎng)速率和

15、菌體濃度的速率看作是菌體生長(zhǎng)速率和菌體濃度的函數(shù)，用數(shù)學(xué)式表示為：函數(shù)，用數(shù)學(xué)式表示為： 式中：式中：與生長(zhǎng)偶聯(lián)的產(chǎn)物形成與生長(zhǎng)偶聯(lián)的產(chǎn)物形成系數(shù)系數(shù) 非生長(zhǎng)偶聯(lián)的相關(guān)系數(shù)非生長(zhǎng)偶聯(lián)的相關(guān)系數(shù) 第23頁(yè)/共39頁(yè)25偶聯(lián)型：偶聯(lián)型：產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生長(zhǎng)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生長(zhǎng)速率有緊密聯(lián)系，合成的產(chǎn)物通常速率有緊密聯(lián)系，合成的產(chǎn)物通常是分解代謝的直接產(chǎn)物，如葡萄糖是分解代謝的直接產(chǎn)物，如葡萄糖厭氧發(fā)酵生成乙醇，或者好氣發(fā)酵厭氧發(fā)酵生成乙醇，或者好氣發(fā)酵生成中間代謝物生成中間代謝物( (氨基酸或維生素氨基酸或維生素) )。這類初級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)速率與。這類初級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)速率與生長(zhǎng)直接有關(guān)。式

16、生長(zhǎng)直接有關(guān)。式中中00，0 0混合型：混合型：生長(zhǎng)與產(chǎn)物生成相關(guān)生長(zhǎng)與產(chǎn)物生成相關(guān)( (如如乳酸、檸檬酸、谷氨酸等的發(fā)酵乳酸、檸檬酸、谷氨酸等的發(fā)酵) )，發(fā)酵產(chǎn)物生成速率可由，發(fā)酵產(chǎn)物生成速率可由Luedeking-PiretLuedeking-Piret模型數(shù)學(xué)式描述模型數(shù)學(xué)式描述，式中式中00，00。 該混合型模該混合型模型復(fù)雜的形成是將常數(shù)型復(fù)雜的形成是將常數(shù)、作為作為變數(shù)，它們?cè)诜峙l(fā)酵的四個(gè)時(shí)期變數(shù)，它們?cè)诜峙l(fā)酵的四個(gè)時(shí)期分別具有特定的數(shù)值。分別具有特定的數(shù)值。 根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成是否偶聯(lián)根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成是否偶聯(lián)進(jìn)行分類進(jìn)行分類 第24頁(yè)/共39頁(yè)26非生長(zhǎng)偶聯(lián)型：非

17、生長(zhǎng)偶聯(lián)型：在生長(zhǎng)和產(chǎn)物無(wú)關(guān)在生長(zhǎng)和產(chǎn)物無(wú)關(guān)聯(lián)的發(fā)酵模式中，細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)，無(wú)聯(lián)的發(fā)酵模式中，細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)，無(wú)產(chǎn)物，但細(xì)胞停止生長(zhǎng)后，則有大產(chǎn)物，但細(xì)胞停止生長(zhǎng)后，則有大量產(chǎn)物積累，產(chǎn)物的形成速率只與量產(chǎn)物積累，產(chǎn)物的形成速率只與細(xì)胞積累量有關(guān)。產(chǎn)物合成發(fā)生在細(xì)胞積累量有關(guān)。產(chǎn)物合成發(fā)生在細(xì)胞生長(zhǎng)停止之后細(xì)胞生長(zhǎng)停止之后( (即產(chǎn)生于次級(jí)生即產(chǎn)生于次級(jí)生長(zhǎng)長(zhǎng)) )，故習(xí)慣上把這類與生長(zhǎng)無(wú)關(guān)聯(lián)，故習(xí)慣上把這類與生長(zhǎng)無(wú)關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物，但不是的產(chǎn)物稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物，但不是所有次級(jí)代謝產(chǎn)物一定是與生長(zhǎng)無(wú)所有次級(jí)代謝產(chǎn)物一定是與生長(zhǎng)無(wú)關(guān)聯(lián)的。大多數(shù)抗生素和微生物毒關(guān)聯(lián)的。大多數(shù)抗生素和微生物毒素的

18、發(fā)酵都是非生長(zhǎng)偶聯(lián)的例子，素的發(fā)酵都是非生長(zhǎng)偶聯(lián)的例子，非偶聯(lián)型發(fā)酵的生產(chǎn)速率只與已有非偶聯(lián)型發(fā)酵的生產(chǎn)速率只與已有的菌體量有關(guān)，而比生產(chǎn)速率的菌體量有關(guān)，而比生產(chǎn)速率為為一常數(shù)，與比生長(zhǎng)速率一常數(shù)，與比生長(zhǎng)速率沒有直接沒有直接關(guān)系。因此，其產(chǎn)率和產(chǎn)物濃度高關(guān)系。因此，其產(chǎn)率和產(chǎn)物濃度高低取決于細(xì)胞生長(zhǎng)期結(jié)束時(shí)的生物低取決于細(xì)胞生長(zhǎng)期結(jié)束時(shí)的生物量。量。式中式中0 0，00根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成是否偶聯(lián)根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成是否偶聯(lián)進(jìn)行分類進(jìn)行分類 第25頁(yè)/共39頁(yè)274、微生物的基質(zhì)消耗動(dòng)力、微生物的基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)學(xué)假設(shè)發(fā)酵過程沒有中間代謝產(chǎn)物積累，則含碳基質(zhì)的質(zhì)量平衡算式為：消耗的含碳基

19、質(zhì)消耗的含碳基質(zhì)=維持代謝消耗量維持代謝消耗量+菌體生長(zhǎng)消耗量菌體生長(zhǎng)消耗量+產(chǎn)產(chǎn)物合成消耗量物合成消耗量 即：第26頁(yè)/共39頁(yè)28微分后微分后：式中：式中：ms維持系數(shù)，即單位菌體、單位時(shí)間內(nèi)用 于菌體維持生命活動(dòng)的基質(zhì)量單純用于合成單位菌體所消耗的基質(zhì)量單純用于合成單位產(chǎn)物所消耗的基質(zhì)量上式反映了基質(zhì)消耗與菌體生長(zhǎng)及產(chǎn)上式反映了基質(zhì)消耗與菌體生長(zhǎng)及產(chǎn)物生成之間的關(guān)系。因此，當(dāng)生長(zhǎng)動(dòng)物生成之間的關(guān)系。因此，當(dāng)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型和產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)模型確定力學(xué)模型和產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)模型確定后，基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)模型即可確定。后，基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)模型即可確定。第27頁(yè)/共39頁(yè)29六、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)六、發(fā)

20、酵動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1.實(shí)驗(yàn)材實(shí)驗(yàn)材料料 菌種：菌種：雅致放射毛霉AS3.2778 培養(yǎng)基：培養(yǎng)基：斜面培養(yǎng)基 種子培養(yǎng)基 發(fā)酵培養(yǎng)基（參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)） 試劑：試劑：DNS試劑2.實(shí)驗(yàn)步實(shí)驗(yàn)步驟驟 菌種斜面培養(yǎng)：菌種斜面培養(yǎng)：配制PDA培養(yǎng)基100ml，分裝試管，滅菌后擺成斜面，將雅致放射毛霉接種于斜面上，25 培養(yǎng)48h。 種子培養(yǎng)：種子培養(yǎng)：斜面菌種在25恒溫培養(yǎng)48h 后，轉(zhuǎn)接于500mL 搖瓶，裝液量為150 mL，160 r/min 25 ，搖床培養(yǎng)16h為種液。第28頁(yè)/共39頁(yè)30 發(fā)酵培養(yǎng)發(fā)酵培養(yǎng): 5 L 發(fā)酵罐中裝入3.5 L 的發(fā)酵培養(yǎng)基，培養(yǎng)基在在121 下滅菌30 min，

21、溫度降至30 時(shí)，接入種液，接種量為4%控制適宜的通氣比、保持罐壓為0.05 MPa、發(fā)酵溫度30 、攪拌速度160 r/min條件下發(fā)酵84h每12 h 取樣1 次進(jìn)行菌體生長(zhǎng)量、還原糖產(chǎn)量、蔗糖糖消耗測(cè)定結(jié)果為3 次重復(fù)。3.分析方分析方法法 菌體生物量的測(cè)定菌體生物量的測(cè)定：采用比濁法，發(fā)酵液以蒸餾水稀釋，5000 r/min 離心10 min，除去上清液，菌體沉淀用生理鹽水洗2-3次再離心去上清液，用生理鹽水重懸并進(jìn)行適當(dāng)稀釋，測(cè)定其OD600nm。第29頁(yè)/共39頁(yè)31 還原糖的測(cè)定：還原糖的測(cè)定：（1）在堿性條件下，還原糖與3、5二硝基水楊酸共熱，3、5二硝基水楊酸被還原為3氨基5

22、硝基水楊酸（棕紅色物質(zhì)），還原糖則被氧化成糖酸及其它物質(zhì)。在一定范圍內(nèi)，還原糖的量與棕紅色物質(zhì)顏色深淺的程度呈一定的比例關(guān)系，可在722型分光光度計(jì)540nm波長(zhǎng)測(cè)定棕紅色物質(zhì)的吸光度值。查標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算，可求出發(fā)酵液中還原糖的含量。（2）取取4支干燥試管支干燥試管,編號(hào)編號(hào),按下表所示的量按下表所示的量,精確加入待精確加入待測(cè)液和試劑測(cè)液和試劑(ml):管號(hào)管號(hào)項(xiàng)目項(xiàng)目 空白空白 還原糖還原糖 0 0 1 1 2 2 3 3樣品量樣品量 0 0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0蒸餾水蒸餾水 3.5 3.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.53 3、5 5二硝二硝基基水

23、楊酸試劑水楊酸試劑 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5總體積總體積 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.05.0第30頁(yè)/共39頁(yè)32加完試劑后, 將各管搖勻，戴上小漏斗，在沸水浴中加熱5分鐘，立即用冷水冷卻至室溫，再向各管中加入蒸餾水 20.0ml，用橡皮塞塞住管口，顛倒混勻。切勿用力振搖，引入氣泡。在540nm波長(zhǎng)下，以0號(hào)管為空白，在分光光度計(jì)上測(cè)定出各管溶液的吸光度值。（3）以管1、2、3的吸光度值的平均值在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出相應(yīng)的還原糖毫克數(shù)，按下式計(jì)算樣品中還原糖的百分含量：還原糖第31頁(yè)/共39頁(yè)33 蔗糖測(cè)定：蔗糖測(cè)定：蔗糖經(jīng)6 mol/

24、L鹽酸水解轉(zhuǎn)化為還原糖，再按還原糖測(cè)定。水解前后還原糖的差值為蔗糖含量。根據(jù)實(shí)際情況選擇模型方程，由所測(cè)根據(jù)實(shí)際情況選擇模型方程，由所測(cè)得不同時(shí)間的菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗量得不同時(shí)間的菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗量和產(chǎn)物形成量畫出動(dòng)力學(xué)曲線和計(jì)算和產(chǎn)物形成量畫出動(dòng)力學(xué)曲線和計(jì)算出動(dòng)力學(xué)方程。出動(dòng)力學(xué)方程。第32頁(yè)/共39頁(yè)X1dtdPQp X1dtdX 34菌體的比生長(zhǎng)速菌體的比生長(zhǎng)速率率產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率第33頁(yè)/共39頁(yè)354.4.產(chǎn)物得率：產(chǎn)物的合成相對(duì)于基產(chǎn)物得率：產(chǎn)物的合成相對(duì)于基質(zhì)消耗量的收得率。質(zhì)消耗量的收得率。)(YSPP/SYP/s: 相對(duì)于基質(zhì)消耗的實(shí)際產(chǎn)物得相對(duì)于基質(zhì)消耗的實(shí)際產(chǎn)物得率系數(shù)率系數(shù)PSP)(YspYps: 相對(duì)于基質(zhì)消耗的產(chǎn)物理論得率相對(duì)于基質(zhì)消耗的產(chǎn)物理論得率系數(shù)系數(shù) 理論產(chǎn)物得率取決于產(chǎn)物的生物合成途徑，理論產(chǎn)物得率取決于產(chǎn)物的生物合成途徑，對(duì)于由特定基質(zhì)經(jīng)特定途徑產(chǎn)生的特定產(chǎn)物來(lái)對(duì)于由特定基質(zhì)經(jīng)特定途徑產(chǎn)生的特定產(chǎn)物來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)常數(shù)，不因菌株和發(fā)酵條件的不說(shuō)，它是一個(gè)常數(shù)，不因菌株和發(fā)酵條件的不同而異。同而異。第34頁(yè)/共39頁(yè)36u Ks ，微生物對(duì)基質(zhì)的飽和常數(shù)