《发酵动力学》PPT课件(I)

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1、第八章发酵动力学1、定义：研究发酵过程中的菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。2、研究内容：1）微生物生长过程中的质量与能量平衡；2）发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率与产物生成速率的关系；3）环境因素对上述三者的影响。3、研究目的：最佳工艺条件。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：图8-1和图8-2最低培养基:由单一碳源葡萄糖与无机盐组成，葡萄糖既是能源，又是构成菌体的材料；完全培养基：由葡萄糖、无机盐等组成，还有酵母浸膏、蛋

2、白胨等。2.微生物生长代谢过程中基质和产物之间的碳元素平衡微生物的元素组成：表8-1这些元素来源于培养基，因此，基质中的碳元素变成菌体、产物、二氧化碳中的碳元素。基质中碳元素的消耗速度与微生物生长速度、代谢产物的生成速度、二氧化碳的生成速度有关。式中S为基质，X为菌体，P为产物a1为每mol基质中的含碳量，a2为每g干菌体内的含碳量，a3为每mol二氧化碳内的含碳量，a4为每mol产物内的含碳量。3.微生物生长过程中的碳源平衡：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

3、物生存的消耗，用表示；③合成代谢产物的消耗，用表示。则有：因此，在以菌体为目的的发酵中，发酵过程中基质葡萄糖消耗速度与菌体生成量成正比，如图8-3。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,如菌体化学组成表示为CH1.6

4、4O0.52N0.16。②忽略反应中的一些次要的元素和成分，如P,Ca等。菌体的生长一般是在供氧条件下，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。C6H12O6+NH3+O2→CH1.64O0.52N0.16+CO2+H2O

5、②根据转化率配系数。C6H12O6的摩尔质量为180；菌体CH1.64O0.52N0.16摩尔质量为24.2（12+1.64+16×0.52+14×0.16）已知葡萄糖至菌体的转化率为0.48g干菌体/g葡萄糖，则以1摩尔葡萄糖为基准，生成菌体的量为180×0.48=86.4g，那么，菌体的摩尔数为：86.4÷24.2=3.57③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。C6H12O6+0.57NH3+2.33O2→3.57CH1.64O0.52N0.16+2.43CO2+3.93H2O5

6、.对微生物生长过程进行碳平衡的意义1）碳源的利用情况和碳源的转化率是一项重要的经济指标；2）碳平衡的方程式是发酵过程基质消耗的重要计量方程；3）对于以菌体为目的的发酵，碳平衡方程可计算出微生物菌体的生成速度。二、微生物生长代谢过程中的ATP循环与氧平衡1.ATP循环微生物生长代谢过程中的ATP循环示意图：合成代谢ATP分解代谢ADP维持代谢2.生物氧化1mol葡萄糖彻底氧化生成38molATP3.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

7、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：微生物代谢过程中基质完全氧化的耗氧量ΔS，包括菌体、代谢产物完全氧化耗氧量ΔX、ΔP，和微生物生长过程中的耗氧量ΔO2三部分，A，B，C是系数。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

8、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：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，即每消耗1molATP所生成菌体的质量：对能量偶联型生长，大约在10左右；非能量偶