发酵过程优化原理.ppt

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1、关于发酵过程优化原理现在学习的是第1页，共45页2微生物是发酵工业的灵魂活细胞体内含有大量不同的化合物和代谢物，其中水是含量最多的组分，约占细胞物质总量的70%细胞质量的其余部分，主要包括大分子DNA，RNA，蛋白质，脂类及碳水化合物这些大分子合成和组织成一个功能细胞。微生物细胞生长是细胞个体内许多化学反应的综合结果。这些反应可分为如下几类：供能反应、生物合成反应、聚合反应、组装反应 一一. .发酵过程优化的微生物反应原理发酵过程优化的微生物反应原理1. 1. 概述概述现在学习的是第2页，共45页3(1)在大肠杆菌快速生长期间，生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基中，结构单元(氨基酸、核酸等)

2、的合成速率和聚合形成大分子的速率一致(2)大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化(3)一旦生长培养基中的结构单元足够，细胞就不再合成这些物质(4)特定的代谢途径代谢特定的底物，只有底物存在时，细胞才合成相应的酶(5)若两个不同的底物同时存在于培养基中，细胞先合成能在一种底物上以较高比生长速率生长的酶系，当这种底物消耗完毕，再合成利用另一底物的酶大肠杆菌生长过程中观察到下列现象大肠杆菌生长过程中观察到下列现象现在学习的是第3页，共45页4(1)底物传递进入细胞(2)通过胞内反应，将底物转变为细胞质和代谢产物(3)代谢产物排泄进入非生物相，即胞外培养基2. 2. 细胞生长过程可分为三个步骤：细

3、胞生长过程可分为三个步骤：现在学习的是第4页，共45页53. 3. 底物、代谢产物和细胞质成分的定义为：底物、代谢产物和细胞质成分的定义为：底物是一种存在于初始非生物相或者摄入物中起作用的可交换的化合物代谢产物是一种作为代谢物产生于某代谢途径进入非生物相的化合物细胞质成分是一种细胞利用底物产生的不可交换的化合物(不能穿过细胞膜的物质)现在学习的是第5页，共45页6研究表明在膜上可能存在三种不同的运输机制：(1)自由扩散(2)协助扩散(3)主动运输 前两种机制是沿着浓度梯度进行运输，是被动的过程，在运输过程中不需要提供外部能量。而主动过程逆着浓度梯度进行运输，需要输入一定的吉布斯自由能。现在学习

4、的是第6页，共45页7 微生物体内不同底物和代谢产物的扩散过程化合物 细菌 真菌 氨基酸 葡萄糖 乳糖 甘油 乙醇 乳酸 乙酸 二氧化碳 氧气 水 主动运输 主动运输 主动运输 自由扩散，协助扩散 自由扩散 主动运输和自由扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散 主动运输 协助扩散和主动运输 协助扩散和主动运输 自由扩散，协助扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散 现在学习的是第7页，共45页84. 微生物细胞的胞内反应(1)分解代谢反应 糖类在转化为代谢产物(CO2、乳酸、乙酸和乙醇等)的同时，还形成ATP、NADH和NADPH。NADH和NADPH都在分解代谢

5、反应中产生，但NADPH主要消耗于合成代谢中，NADH则主要消耗于分解代谢途径，如氧化磷酸化(2)生物合成和聚合反应 为了合成细胞物质，需要合成结构单元并将其聚合。合成蛋白质需消耗大量的自由能，细胞一般根据其自身需求来调节蛋白质的合成,其合成由蛋白质合成系统(PSS)负责，该系统中核糖体是主要部分 E. coli中大约70%的能量和还原力用于合成蛋白质现在学习的是第8页，共45页9合成E. coli细胞对前体代谢物的需求 细胞合成所需要的结构单元数在75100之间，这些物质都是从12种前体代谢物合成得到的，这些前体代谢物就是分解代谢反应的中间产物，因此分解代谢在细胞生长过程中起着双重的作用(为

6、生物合成提供能量和前体代谢物)前体代谢物 分子式 摩尔质量(g/mol) 需要量(mol/g 细胞) 6-磷酸-葡萄糖 C6H13O9P 260 205 6-磷酸果糖 C6H13O9P 260 71 5-磷酸核糖 C5H11O8P 230 898 4-磷酸赤藓糖 C4H9O7P 200 361 3-磷酸甘油醛 C3H7O6P 170 129 3-磷酸甘油酸 C3H7O7P 186 1496 磷酸烯醇式丙酮酸 C3H5O6P 168 519 丙酮酸 C3H4O3 88 2833 乙酰辅酶 A / / 3747 -酮戊二酸 C5H6O5 146 1079 琥珀酰辅酶 A / / / 草酰乙酸 C4

7、H4O5 132 1787 现在学习的是第9页，共45页10现在学习的是第10页，共45页11细胞代谢和生长过程偶联在一起的过程，称之为初级代谢但许多工业上重要的产品，其合成反应并不与生长过程偶联，我们称之为次级代谢，这些反应合成的产物叫次级代谢产物，就象初级代谢形成的产物叫初级代谢产物一样乳酸是初级代谢产物，但它是乳酸菌在非生长条件下形成的，许多其它的初级代谢产物也同样是在非生长条件下产生的(3)次级细胞代谢现在学习的是第11页，共45页12初级代谢产物初级代谢产物定义为“在细胞生长所需要的反应中形成的产物”可能比较确切一些次级代谢产物次级代谢产物定义为“在那些对于细胞生长不重要的反应中形成

8、的产物”现在学习的是第12页，共45页13一些工业上重要的初级和次级代谢产物一览初级代谢产物 次级代谢产物 乳酸 青霉素 乙醇 头孢菌素 CO2 四环素 乙酸 链霉素 柠檬酸 短菌肽 谷氨酸 氯霉素 赖氨酸 卡那霉素 葡萄糖酸 灰黄霉素 核黄素 赤霉素 现在学习的是第13页，共45页14二二. .发酵过程数量化方法发酵过程数量化方法发酵过程的数量化处理包括： 1. 发酵过程的速度 2. 化学计量学和热力学 3. 生产率、转化率和产率 只有当变量可测量时，才有可能对发酵过程进行数量化处理现在学习的是第14页，共45页151. 1. 发酵过程的速度发酵过程的速度变量 动力学参数 物质传递 热传递

9、反应速度 定义式 dtdcrii 包括Hvcposxrrrrrr, dtdcnii dtdHqv 单位 gL-1h-1 gL-1h-1 kJL-1h-1 比反应速率 定义式 xdtdci1 包括Hvcposqqqqq, 单位 h-1 速度常数 定义式 niicrk)( 发酵过程的速度概念现在学习的是第15页，共45页16发酵过程常规的参数及其测量符号 参数 测量方法 X 生物量 细胞干重，浊度，细胞数 S 底物 酶法分析，化学法，色谱法 P 产物 酶法分析、HPLC 或特殊方法 O 氧 PO专用电极分析 C 二氧化碳 CO专用电极分析 Hv 发酵热 温度、热平衡 现在学习的是第16页，共45页

10、17菌体生长速度为dtdsrsdtdxrx 氧和底物利用速度为dtdroo P、C和Hv生成速度为:dtdprpdtdcrcdtdHvrHv现在学习的是第17页，共45页18细胞生长的比速率为：dtdxx1 底物消耗的比速率为qs 产物形成的比速率为qP：dtdsxqs1dtdpxqp1现在学习的是第18页，共45页19dtdoxqo1 氧消耗的比速率为qo： 二氧化碳生成的比速率为qc：发酵热生成的比速率qHv ：dtdcxqc1dtdHxqVHV1现在学习的是第19页，共45页20 化学计量学主要研究有关加工过程中反应组分组成的变化规律。 化学计量方程是活细胞内成百个代谢反应综合起来的总方

11、程。 表示通用化了的碳源 根据元素分析得出的细胞组成 表示产物 在使用化学计量方程进行宏观处理时，并不需要了解这些循环的详细情况，这样可使发酵过程的分析不太复杂，而又不失去重要的信息。vHvWCPXNOdcbaSHOHCONOHCNOHCNHONOHC)()()()()()()(2232dcbaNOHCNOHCNOHC2. 化学计量学现在学习的是第20页，共45页21 3. 产率系数 宏观产率系数(或称得率系数)Yi/j是化学计量学中一种非常重要的参数，常用于对碳源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价，其中i表示菌体或产物，j表示底物 例如，菌体对底物的产率系数可表示为：dsdxrrdtdsdt

12、dxSSXXSXYsxttsx/00/(1)(1)宏观产率系数宏观产率系数现在学习的是第21页，共45页22生物反应过程中宏观产率系数的定义产率系数 组分间的反应或关系 定义 YX/S SX YX/S=-rX/rS YP/S SP YP/S=-rP/rS YC/S SCO2 YC/S= -rC/rS YHv/S SHv YHv/S=-rHv/rs YX/O O2X YX/O=-rX/rO YP/O O2P YP/O= -rP/rO YC/O O2CO2 YC/O=-rC/rO YHv/O O2Hv YHv/O=-rHv/rO 现在学习的是第22页，共45页23有时，以摩尔为单位表示产率系数更有

13、利： 相似的概念可用于表达重要的常数： 值在实践中对推导元素平衡方程很重要，对与氧化磷酸化有关的理论问题也有重要意义形成的摩尔数细胞形成的碳摩尔数ATPYCATP氧消耗的摩尔数细胞形成的碳摩尔数COYCOY底物消耗的摩尔数细胞形成的碳摩尔数CSY现在学习的是第23页，共45页24 假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可达理论最高值，称为理论代谢产物产率 （a）根据化学计量关系计算 例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化学计量方程为 依此计算 =147/180=0.82 (g/g) 此处没有考虑反应过程中NADH及ATP等辅助底物的生成和消耗(2)(2)理论代谢产物产率理论代谢产物产率the

14、orSPY/OHCONOHCONHOHC2249523612635 . 1theorSPY/现在学习的是第24页，共45页25（b）由生物化学计量关系计算 根据由底物生成目标代谢产物的代谢途径，进行代谢过程中有关NAD(P)+和ATP等辅底物的物料衡算，结合化学计量关系可求出上式： 由该反应式得 =(14712)/(13180)=0.75(g/g) 由于NADPH和ADP的再生过程要消耗底物，故依这种方法求得的值要小于单纯依据化学计量关系求得的结果。 用生化计量式时, 必须清楚有关的代谢途径!OHCONOHCONHOHC22495236126272321213theorSPY/现在学习的是第2

15、5页，共45页26(3) (3) 实际发酵过程中的产率系数实际发酵过程中的产率系数在实际发酵中，产率是变化的，产率取决于下列因素：Y= f (菌株、底物、m、；t、tm、OTR、C/N，P/O) 式中m为混合度，S为底物浓度，t为平均滞留时间， tm为混合时间，OTR为氧传递速度， C/N为碳氮比，P/O为磷氧比现在学习的是第26页，共45页27三三. . 微生物反应动力学微生物反应动力学1. 被摄入到微生物细胞内的底物中，一部分转化为代谢产物，还有一部分则转化为新生细胞的组成物质。因此，对微生物反应动力学进行研究，至少要对底物、菌体和产物三个状态变量进行数学描述2. 微生物反应是很多种物质参

16、与的复杂代谢过程的综合结果。因此，微生物反应的动力学方程只能通过数学模拟得到现在学习的是第27页，共45页283. 进行数学模拟的难点在于细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学过程，该过程既包括细胞内的生化反应，也包括胞内与胞外的物质交换，还包括胞外的物质传递及反应4. 为了优化反应过程，首先要进行合理的简化，在简化的基础上建立过程的物理模型，再据此推导得出数学模型。现在学习的是第28页，共45页29微生物反应动力学模型的分类模型类型 着眼点 说明 概率论模型 微生物个体 必须考虑每个细胞的差异，以说明某一特定现象；或用以说明平均值附近的波动情况 决定论模型 微生物群体 不考虑每个细胞的差异

17、，而是取菌体性质及数量的平均值进行数学处理 均相模型 微生物群体 是一种认为菌体均匀分散于培养液中，可作为均相处理的决定论模型。 生物相分离模型 微生物群体 是将菌体作为与培养液(连续相)分离的生物相处理所建立的决定论模型。这种模型需要说明培养液与菌体间的物质传递及分配效应。在高菌体浓度时， 考虑微生物所占的体积分率，以及解析废水生物处理过程中洒水滤床和旋转圆盘的微生物膜，都是利用生物相分离模型。 结构模型 微生物群体 考虑菌体组成的变化，将活菌体和死菌体分别处理从而建立的模型。在单一菌体的结构模型中，将整个菌体分为两种或两种以上成分， 并认为代谢过程是各种成分共同作用的结果。均相模型和生物相

18、分离模型都可分别构成结构模型 非结构模型 微生物群体 与结构模型的主要区别在于它不考虑细胞组成的变化。 现在学习的是第29页，共45页30（一）细胞生长动力学模型1. 无抑制作用的细胞生长动力学 温度和pH恒定时，对于某一特定培养基组分的浓度s，Monod方程为 式中: max称为最大比生长速率(h-1)，Ks称为半饱和常数(g/L),S为限制性底物浓度。 底物消耗速率方程对应为SKSsmaxSKSqqsssmax,现在学习的是第30页，共45页31Monod方程应满足(1)菌体生长为均衡型非结构生长；(2)培养基中只有一种底物是生长限制性底物；(3)菌体产率系数恒定现在学习的是第31页，共4

19、5页322. 细胞生长稳定期和延迟期的Monod型动力学(1) 延迟期动力学模型的建立 (2) 生长稳定期动力学模型的建立式中和是经验常数，取=max和=xmax)1 (),(/maxLttsesKsts)1 (xxrx现在学习的是第32页，共45页333. 微生物死亡期和内源代谢(1) 微生物死亡期的动力学模型 Kd为比死亡速率 (h-1) 对应于由底物生成菌体的一级反应速率为(2) 内源代谢的动力学模型 或：ms为细胞的维持系数(s-1)，Y*X/S为最大细胞产率dtdxxkd1xkrdx)(XmXYrsSXs*/1sSXsmYq*/1现在学习的是第33页，共45页344. 底物和产物抑制

20、的动力学模型(1) 底物抑制动力学(Andrew底物抑制模型)式中KIS是底物抑制常数( 2) 产物抑制动力学（Hinshelwood模型）式中，P为产物浓度，k为动力学常数或：式中KIP为产物抑制常数ISSKSSK/11max)1 (maxPkSKSSPKKSKSIPIPSmax现在学习的是第34页，共45页35（二）微生物产物形成动力学模型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也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳酸）类型也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）类型也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生素、多糖）XYrYrXPXXPP/XPPYq/XrrXPPq

21、XrPPq现在学习的是第35页，共45页36现在学习的是第36页，共45页37 上述三种类型外还有一种模型是qP与负偶联的模型，例如黑曲霉生产黑色素，其qP与的关系可表示为：当考虑到产物可能存在分解时：式中，kd为产物分解常数XPPPYqq/max,PkXrrdXP现在学习的是第37页，共45页38Monod方程中参数的求解：方程中参数的求解：tXX 1比生长速率计算：比生长速率计算：%,10221112- whereXXXXXX实验数据实验数据, X-t, S-t, -tSKSSmax线性化线性化,maxmax11SKS1maxmaxSKSS对Monod方程取倒数，可变换为：此两方程可用于计

22、算此两方程可用于计算Monod方程中的参数。方程中的参数。（方程（方程1）（方程（方程2）现在学习的是第38页，共45页39tX,SS1/SSS/1/1/max-1/KSKS/max1/maxKS/max-KS（方程（方程1）（方程（方程2）现在学习的是第39页，共45页计算题计算题1：在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测得实验数据如：在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测得实验数据如下：下：sKsmms1m考虑一下如何求出考虑一下如何求出Ks 和的值。和的值。用以上两个公式都可以，如果用以下公式：用以上两个公式都可以，如果用以下公式：则：可先求出则：可先求出s/u，再作出，再作出s/u-s曲线，求

23、出截距和斜率。曲线，求出截距和斜率。S (mg/L)613334064102122153170221 (h-1)0.060.120.240.310.430.530.60.660.690.7现在学习的是第40页，共45页计算可得：计算可得：s/u=0.9414 s+94.351106. 19414. 0/1hmmLgLmgKKsms/1 . 0/2 .100351.94/即：即：SS1 . 006. 1现在学习的是第41页，共45页42四四. . 微生物反应优化的一般原理微生物反应优化的一般原理1. 1. 发酵过程优化的一般步骤发酵过程优化的一般步骤(1) 是指把工艺过程的复杂结构压缩为少数系统

24、，这些系统可以用关键变量来表示(2) 系统、准确地检测发酵过程的各种参数(3) 是指在生物过程和物理过程的各种速度相互不影响的情况下，精心设计实验以获得关于生物和物理现象的数据现在学习的是第42页，共45页43(4) 数学模型是能以简化的形式表征过程行为，并实现特定目的的数学公式 数学模型可将特定结果通用化，并为推论系统的其它性质提供基础 建立数学模型的主要目标是：(a)为了预见任何系统的转化率或生产率；(b)用以检查在各种操作条件下工厂操作的性质和行为，检查模型适用的范围(包括外推性)；(c)用于进行工艺优化和计算机模拟；(d)用于检测出可能重要但被忽视了的参数；(e)检查是否已有效地区分生物现象和物理现象；(f)有助于阐明反应机理现在学习的是第43页，共45页442. 分批微生物反应过程的优化 最优化的目标函数：产量、生产率、纯利润等，有时也对这些指标的其中二个以上进行多目标函数优化 最优化的操作变量：反应时间、培养基组成、温度、pH、溶氧等 培养基组成的优化 预先设定XT为最大菌体浓度，则由可得到底物Si的初始浓度为)(10/0,XXYSTSXii现在学习的是第44页，共45页感谢大家观看感谢大家观看现在学习的是第45页，共45页