第十章 发酵动力学

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1、第十章发酵动力学重点：微生物生长代谢过程中的碳平衡；微生物生长代谢过程中的ATP循环与氧平衡；微生物生长代谢过程中的能量平衡；微生物生长代谢过程中能量衡算；通风发酵生成热的计算方法；连续培养时微生物生长数学模型；分批培养时微生物生长数学模型；微生物发酵动力学；分批培养；连续培养；难点：微生物生长代谢过程中能量衡算；微生物生长代谢过程数学模型的建立；分批培养时微生物生长数学模型；第一节微生物生长代谢过程中的质量平衡一、微生物生长代谢过程的碳平衡1.最低培养基与完全培养基2.微生物生长代谢过程中基质和产物之间的碳元素平衡3.微生物生长过程中的

2、碳源平衡在微生物反应中，碳源的用途主要消耗于：①满足菌体生长消耗用表示，②维持微生物生存的消耗用表示③合成代谢产物的消耗，用表示则有：，对于每一途径的消耗4.细胞物质生产中碳源的化学平衡自然界的一切变化过程都存在着变化前后的质量和能量平衡，发酵过程也不例外。通过研究微生物反应的化学平衡，可帮助我们预测发酵过程中各种基质的需要量，从而更经济、有效地使用它们，减少无效消耗。为减少问题的复杂性，我们在研究发酵过程的化学计量式时，可作如下的处理：①对复杂分子组成的原料用简化的化学式表示。②忽略反应中的一些次要的元素和成分。菌体的生长一般是在供氧条

3、件下，将营养基质转化成菌体成分、CO2和H2O的过程。因此，如果菌体的化学组成和基质到菌体的最大转化率已经知道的时，就可以列出微生物生长的化学计量式。如青霉菌以葡萄糖为基质，通气培养，其菌体化学组成为CH1.64O0.52N0.16、葡萄糖至菌体的转化率为0.48g干菌体/g葡萄糖，则可对下式进行配平。步骤如下：①写出反应化学简式。②根据转化率配系数。③通过质量平衡，配平其他成分的系数，最后得到的计量方程式。5.对微生物生长过程进行碳平衡的意义二、微生物生长代谢过程中的ATP循环与氧平衡1.ATP循环1mol葡萄糖彻底氧化生成38molA

4、TP2.生物氧化3.微生物代谢过程中的氧平衡假定发酵是在充分供氧的条件下进行，即所消耗的基质除一部分被同化到菌体和产物外，其余全部被氧化生成CO2和H2O，则由能量守恒定律可得氧元素的平衡式：4.ATP消耗对菌体得率YATP与ATP平衡能量通过高能磷酸键贮存、转运。在供氧充分时，三羧酸循环中间代谢产物被脱氢酶脱下两个质子氢，分别经由质子递体和电子递体传递到氧，以氧作为最终电子受体，生成水，同时释放能量，该能量被高能键贮存；在嫌气条件下，只能进行基质水平的磷酸化，此时，有机物氧化不彻底，所以产生的能量也较低。能量生长偶联型与能量生长非偶联型

5、：当构成菌体的材料充裕时，菌体的生长受制于ATP的供应，这种生长就是能量偶联型生长；反之，在ATP供应充分，而合成细胞的材料受限制时，这时的生长就是能量生长非偶联型，即与ATP供应无关，此时，大量的ATP在ATP酶的作用下被降解，以热能的形式释放出大量的热量形成发酵热异常升高。涉及到能量供应的菌体得率用表示：对能量偶联型生长，大约在10左右；非能量偶联型生长，大大低于10；5.通风培养时氧的消耗与ATP生成数量之间关系有氧气存在时，YATP的测定比较困难，原因是：①有些供能基质被用于合成代谢；②培养基内被认为不是供能基质的却有一些被用来产

6、生能量；③至今对于具体的每种微生物，其氧化作用与磷酸化作用偶联的程度与控制机制尚不清楚；④各种微生物用于维持其生命活动所需的能量也不相同；第二节微生物反应过程的能量衡算一、有机物氧化焓变和有效电子转移在生物氧化中，氧是最终电子受体。三羧酸循环中间产物在脱氢酶作用下，脱下两个质子氢，经过质子、电子递体最终传递给氧原子，结合成水，同时释放出大量的能量，即：二、自由能消耗对菌体的得率基于自由能变化的菌体得率用表示，则：因为自由能变化近似等于其焓变，则上式可写为：三、微生物反应过程的能量衡算第三节微生物生长代谢过程数学模型的建立第四节微生物发酵动

7、力学一、分批培养（一）微生物的生长曲线1.迟滞期2.对数期3.稳定期4.衰亡期（二）微生物生长速度的动力学方程①细胞生长动力学在一个间歇培养的周期中，菌中数量的增加主要是在对数生长期实现的，因此讨论微生物生长动力学时，是以生长曲线的对数生长期为目标建立其生长模型。②微生物生长速率与底物浓度的关系——莫诺模型根据，当越大时，越短，则越大；即在同样的时间内，世代数越多，增殖的数量越大。一般情况下，微生物的并非常数。因菌体所处的环境条件如温度、pH、培养基组成及浓度等不同而异。实际上，莫诺方程是在如下的假设基础上建立起来的：①菌体生长为均衡型非

8、结构式生长（只有数量的增长），因此，细胞成分只需要用一个参数即菌体浓度表示即可；②培养基中只有一种底物是生长限制性底物，其他营养成分不影响微生物生长；③将微生物生长视为简单反应，并假设菌体得率