发酵过程优化与控控制PPT课件

r=J. acell= P. acell(ca-cb)
（2-3）
对于直径为dcell的球形细胞来说，含水率为w(g/g)，细胞密
度为ρ(g/m3)，则比表面积为：
acell= 6/[dcell(1-w)ρcell] 通过自扩散进行运输的化学物质主要有氧气、二氧化碳、
水、有机酸和乙醇等。
在电离状态下，小分子有机酸在脂膜中实际上是不溶的，
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。例如，只有当乳糖存在时，大肠杆菌 才合成β-半乳糖苷酶将乳糖降解成半乳糖和葡萄糖；
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，再合成利用另一种底物的酶。例如，在含葡萄糖 和半乳糖的培养基上，大肠杆菌优先利用葡萄糖，当葡萄糖 浓度变得很低时，系统才合成β-半乳糖苷酶并利用乳糖继续 生长。
目前研究表明在膜上可能存在3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。
1、自由扩散 底物以自由扩散方式通过脂膜包括3个步骤：①底物从胞 外培养基运输到脂膜；②分子在脂膜中扩散；③从脂膜进入细 胞质。 一般情况下，脂膜具有和胞外基质相似的物化性质，因此 步骤①和③相似。脂膜层内的传递过程可认为处于平衡，即这 些过程的特征时间比分子扩散通过脂膜层的特征时间短得多。 界面上脂膜层物质的浓度一般指水相中底物的浓度，分配 系数Kpar就是化合物在脂膜层的溶解速率和在水中溶解速率的 比值。分子扩散的质量通量遵守Fick第一定律，化合物通过厚 度为dmem的脂膜进入细胞的传质速率可用方程表示为：
J Dmem K par (ca cb) P(ca cb) d mem
（2-1）
Dmem为化合物在脂膜中的扩散系数；ca和cb分别为非生
物相和生物相中化合物的浓度。DmemKpar/dmem又称渗透系数
P，经常用于传质的计算。如果缺法渗透系数，可用下式进
行粗略估计：
P
M
w
0.028
K
oil par
以上观察结果对其它微生物也具有一定的适用性。
由于微生物胞内代谢途径紧密结合，因此对全部过 程进行建模，并不需要描述所有独立的反应。例如对微 生物生长建模时，可以将所有的代谢途径混合起来用几 个单一反应来表示，有时甚至用一个反应式就可描述全 部的生长过程。 二、微生物生长反应
细胞生长过程可分为3个步骤：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。
第二章 发酵过程优化原理 §1 发酵过程优化的微生物反应原理 一、概述 微生物是发酵工业的灵魂，因此首先需了解微生物的生 长反应特性。 微生物细胞生长是细胞个体内许多化学反应的综合结果， 正常情况下，微生物为了确保有序和高效生长，必须将这 些反应有机地结合在一起，经济地分配胞内各代谢途径的 通量。例如： 大肠杆菌是发酵研究中应用最多的微生物。在大肠杆菌 生长过程中，人们已经观察到下列现象：
细胞膜由于渗透压而紧挨着细胞壁，但G-和酵母菌的细 胞膜和细胞壁之间通常还有周质空间（含有多种蛋白质，如 蛋白酶、核酸酶和磷酸酯酶），支持着20～40%的细胞质量。
在周质空间可发生许多反应，这使得从胞外培养基到 细胞质的运输过程变得非常复杂。周质空间最主要的功能 就是以所谓的“结合蛋白”的形式富集底物，因此，非生 物相和周质空间的底物浓度不一定相同，在对运输过程建 模时必须考虑这些因素。
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，结构单元（氨基酸、核酸等）的合成速率和 聚合形成大分子的速率一致；
②胞内的大分子物质随比生长速率而变化。 细胞以高比生长速率生长时对蛋白质的需求很高，因 此相对于低的比生长速率来说，蛋白质合成系统（PSS） 在细胞中占有很大比例。在低比生长速率下，PSS的利用 率很低，其合成和维护对微生物来说是无用的代谢负担； 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；
（一）运输过程 大多数细胞的细胞质外有两种结构：细胞壁和细胞膜，
这些结构是细胞的屏障。 细胞壁的主要功能是防止因胞内的高渗透压而引起细胞
破裂，细胞膜主要由磷脂组成，在细胞生长过程中，具有变 化的流动结构。大部分小分子很容易通过细胞壁，因此运输 过程主要取决于细胞膜，大分子物质只有在细胞具有特定的 排泄机制时才可以通过细胞壁运输。
培养基中存在的能够被微生物利用的化学物质均称为底 物，因此，底物可以是培养基制备时所添加的化学物质，也 可以是代谢产物或代谢中间体等物质。例如酿酒酵母的二次 生长现象，酵母以葡萄糖为底物生长的同时会产生乙醇，当 葡萄糖耗尽后，细胞能继续以乙醇为底物生长。
代谢产物是那些形成于细胞内，能够穿过细胞膜的物质， 它们可以被排泄进入非生物相。因此，代谢产物既可以是底 物经过多步反应形成的小分子物质，也可以是细胞产生的大 分子物质，如胞外蛋白酶。细胞质成分则是由底物形成的、 不能穿过细胞膜的物质，如蛋白质、RNA和DNA，一些小分 子如ATP、NADH以及NADPH也可以归为细胞质成分。
为了便于讨论，本课程对底物、代谢产物和细胞 质成分规定如下：
底物：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。
下面分别讨论运输过程（底物的摄入和产物的分 泌）和胞内反应过程。
（2-2）
Mw为化合物的相对分子质量，Kparoil为化合物在橄榄
油～水体系中的分配系数，P的单位为cm/s。通过大量不
同化合物的测量，已经得到了它们之间的相互关系式。然
而，在使用该关系式时，有些化合物的P值可能会偏离方
程的预测值。
如果定义acell为细胞的比表面积（干细胞，m2/g），那么化 合物的比运输速率为：