产物合成动力学

（1）
t为发酵时间/h；X为菌体质量浓度(g/L)；Xm为最大 菌体质量浓度(g/L)；μm为最大比生长速率(1/h)。
产物生成动力学模型
由GSH分批发酵过程曲线可见(见图1)，代谢产 物的生成与微生物生长是同步进行的。所以采用如 (2)所示的Luedeking-Piret方程建立产物生产动力 学模型：
文献信息
内生真菌拟茎点酶B3产漆酶 分批发酵动力学
周骏，杨艳珍，杨腾，康莉，戴志东，戴传超 南京师范大学生命科学学院，江苏省微生物与功能基因组学 重点实验室，江苏省为生物资源产业化工程技术研究中心， 江苏 南京 210023
内生真菌拟茎点酶B3发酵曲线
在内生菌拟茎点霉B3的发酵工程中， 取样测定其生物量、漆酶酶活力和蔗糖 质量浓度，得图1。
青霉素酰化酶合成动力学模型
用Luedeking-Piret方程描述产物形成与 细胞生长的关系 如下： （4）
式中： X为菌体浓度，mg/L； P为青霉素酰化酶酶活， U/mL；α 为生长偶联系数； β 为非生偶联联系数。 从大肠杆菌产青霉素酰 化酶分批发酵试验结果可以推断 该菌体的发酵过程属于第Ⅱ类，即产物形成与细胞生长呈 部分偶联型。
酿酒酵母生产谷胱甘肽分 批发酵动力学研究
谷胱甘肽
谷胱甘肽(glutathione，GSH)是一种 广泛存自然界中的生物活性三肽化合物。 由于其分子中含个特异的γ- 肽键和一个 活泼的巯基，所以GSH 在生物体内具有 很多重要的生理功能。
以麦芽汁为发酵培养基，对7.5L自动发酵罐中 酿酒酵母Y518分批发酵生产谷胱甘肽的实验数据 进行分析，建立谷胱甘肽分批发酵动力学模型。 通过对产物生成的Luedeking-Piret方程，进行最 优参数估计和非线性拟合，最终得到了相应的动 力学模型。
可看出，漆酶的生成与B3菌的生长有 着很强的线性关系，这种关系属于部分 生长偶联型。
漆酶生成动力学模型
漆酶生产动力学建立在Luedeking-Piret方程的基础上， 该模型通常用来描述产物生成速率和细胞生长速率之 间的关系。产物的形成速率取决于线性方程的即时生
物量X和菌体生长速率dX/dt，如公式（1）所示：
上式中p为发酵过程中酒精的浓度，%（v/v）；α为常数
细胞生长的logistic方程为
x为酵母菌浓度，g/L；umax为酵母最大的比生长速率，h-1； t为发酵时间；xmax为最大的酵母菌浓度，g/L.
将上式代入，得到
结果表明模型与实测值的相关性极显著，该方 程较好的描述了茶香型苹果酒发酵过程中乙醇 的生成。所以，茶香型苹果酒发酵的动力学模 型为生长偶联关系。
苏云金芽抱杆菌蛋白酶 发酵动力学模型构建
1 引言
蛋白酶是一种重要的酶制剂，广泛地应用于食 品加工、皮革加工、生物制药、洗涤剂制造与 饲料工业中。
以筛选到的耐温蛋白酶生产菌BtFS140为实验 菌株，进行该菌生长规律、糖消耗及蛋白酶合 成等动力学研究。
通过Logistic方程和Lueduking-Piret方程构建 动力学方程。
参照公式（6），采用Origin 8.0绘图软件对大 肠杆菌产 青霉素酰化酶发酵实验数据进行非 线性拟合，结果如图3所示，得到青霉素酰化 酶合成量(P)随发酵时间变化的函数：
式中： P 为青霉素酰化酶酶活，U/mL； t 为 时间， h。 其中 α =-0.220 52， β =0.053 06， 青霉素酰化酶活的实验值与模型计算值的比 较见图3。
重组大肠杆菌高密度发酵生产类 人胶原蛋白动力学的研究
花秀夫 西北大学
摘要： 目的：本文研究了重组类人胶原蛋白基因工程菌在分批补发 酵阶段的底物消耗，细胞生长和产物生成的动力学，并根据 动力学模型进行高密度发酵优化研究。
方法：利用动力学参数常规方法，MATLAB最小二乘法和四 五阶Runge-kutta（ode45）对动力学模型的参数进行优化 求解，结果表明动力学模型与实验值吻合良好。
摘 要：
对产青霉素酰化酶重组大肠杆菌M3进行分批发酵动力学 研究。根据Logistic和Luedeking-Piret方程，拟合出重组 大肠杆菌M3 分批发酵过程中菌体生长、青霉素酰化酶合 成、基质消耗的动力学模型及模型参数。结果表明，重组 大肠杆菌M3产青霉素酰化酶的发酵动态过程能很好的被 该模型所表达。
关键词：重组；分批—补料培养；类人胶原蛋白；高密度发 酵；动力学模型
结果：选用Ｌｕｅｄｅｋｉｎｇ－Ｐｉｒｅｔ方程公式对类 人胶原蛋白的生成进行动力学分析：
结果分析
由图像及计算结果可以看出
α=0.526 β=0.00588 此方程的计算值与试验数据能较好的吻合，系
数α及系数β都不为0，则大肠杆菌生成类人胶 原动力学模型属于生成部分偶联关系。
摘要: 目的: 为实现甲醇资源化产细菌纤维素发酵过程的优化， 研究纤维素生产菌株—木醋杆菌( Gluconacetobacter xylinus) 的静态发酵动力学特性。方法: 将木醋杆菌接入甲 醇浓度分别为2． 7%和4． 5% 的培养基中驯化，根据 Logistic 方程和Luedeking －Piret 方程，研究周期为13d 的静态发酵动力学过程。结果: 确定静态发酵过程的菌体生长、 细菌纤维素合成、底物消耗的动力学参数，得到动力学方程， 拟合试验值与模型值，得到甲醇模拟废水培养基平均拟合误差 为16%，略高于基础培养基的14%。结论: 利用甲醇产纤维素的 模型方程可预测菌浓、产物浓度及底物消耗规律，实现静态发 酵过程的优化。 关键词: 细菌纤维素; 甲醇; 动力学模型; 发酵
选用Ｌｕｅｄｅｋｉｎｇ－Ｐｉｒｅｔ方程公式对甘油的生成进行动力 学分析：
将上式积分得到代数方程：
茶香型苹果酒发酵特征及其
动力学模型
目的：以绿茶、苹果为原料，探讨茶香型苹果酒 发酵过程中主要物质的变化规律。
方法：基于Logistic模型和Luedeking-piret方程， 对茶香型苹果酒发酵过程中酵母生长动力学、酒 精生成动力学、基质消耗动力学模型进行模拟。
YP/X
产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代 谢），菌体生长与产物形成不分开。如：酵母菌酒精发酵
2.非生长偶联型
dP X
dt
QP
非生长偶联型：细胞生长时，无产物，产物生成在菌体停止生长才开始， 产物的形成速率只与细胞积累量有关，与生长不偶联。 所形成的产物均是次级代谢产物。如：青霉素和链霉素的生产，整个过 程分为两个时期，菌体积累旺盛时，抗生素的生成量极微；抗生素合成旺 盛时菌体积累较弱。但往往不能截然分开。并非所有的次级代谢产物都是 非生长偶联型。
摘要 [目的]研究葡萄酒酵母在发酵过程中生成乳酸的变
化规律, 为在酿造葡萄酒等酒的过程中估计发酵液乳酸含 量提供简单的方法。 [方法]用以对羟基联苯为显色剂的可见光分光光度法测定 发酵液中的乳酸含量。 [结果]确定了葡萄酒酵母在葡萄糖浓度为120g/L、玉米浆 (固体)浓度为2g/L的发酵培养基条件下的细胞生长、乳酸 生成动力学, 确立了葡萄酒酵母发酵生成乳酸动力学模型 并对动力学参数进行了估计。[结论]葡萄酒酵母生成乳酸 的动力学模型为属于Ñ 型,即产物的形成与细胞生长相偶联。 关键词 乳酸; 动力学; 发酵; 葡萄酒酵母
2 蛋白酶发酵过程曲线
3 蛋白酶合成动力学
描述产物形成与细胞生长的关系常用 Luedeking-Piret方程：
（X为菌体浓度，P为蛋白酶活性， α为生长偶联系数，β为非生偶联系数）
当α≠0、β＝0时，为生长偶联型； 当α≠0、β≠0时，为部分偶联型； 当α＝0、β＝0时，为非生长偶联型。
菌体生长动力学模型Logistic方程：
（2）
式中：t为发酵时间/h；X为菌体质量浓度/(g/L);α为GSH生 长偶联参数；P为GSH产量/(mg/L)。
基质消耗动力学模型
式中：t为发酵时间/h；S为基质质量浓度/(g/L)； Yx/s为最大细胞得率系数；X为菌体质量浓度/(g/L)； Yp/s为产物得率系数；P为GSH产量/(mg/L)；m为菌体细 胞维持相关常数。
由图3可知公式（7）较好的拟合了所得的实验数 据，R 2=0.993 0，也验证了该方程很好的描述出 发酵过程中青霉素酰化酶的合成情况，但受到发 酵液中蛋白酶以及其他限制性因素的影响，青霉 素酰 化酶酶活力在合成后期的增长受到了抑制。
若及时补充底物，则可促进酶的继续合成，工业 生产上可参考这一规律。
（Xm为菌体最大浓度，μm为菌体最大比生长速率）
将两方程同时积分并联合得到：
（P0为产物的初始酶活）
由于0h时，P0＝0，X0对产物影响忽略不计， 结果可简化为：
对Bt蛋白酶合成发酵实验值按上式进行非线性 拟合，得到蛋白酶合成量(P)随时间变化的函 数为：
4 结果分析
BtFS140蛋白酶发酵实验值与模拟方程拟合曲 线
青霉素酰化酶（penicillinacylase）是一种具有 重要应用价值的工具酶，既能广泛应用于半合 成β-内酰胺抗生素，又能反向催化水解青霉素， 生产合成β-内酰胺抗生素的中间体6-氨基头孢 烷酸（6-ACA）和7-氨基脱乙酰头孢烷酸（7ADCA）；同时在手性药物的拆分和多肽合成 等方面也有不俗表现。建立青霉素酰化酶合成 的动力学模型，为工业生产提供有力的理论依 据。重组大肠杆菌发酵原料廉价，产酶周期短， 既适合多次重复验证试验以得出最优结果，又 为大规模工业化生产提供了便利。
GSH 产量的测定：发酵液离心后，洗涤除去 上清液，得到湿菌体，加入40%乙醇溶液于30℃ 振荡抽提2h，离心，四氧嘧啶法测定上清液中 GSH产量。
菌体生长动力学模型
酵母分批发酵生产GSH整个过程看，当发酵到 48h 时，菌体质量浓度出现最大值。菌体质量浓度 的增加对其自身生长产生抑制作用，因此选用典型 S 型曲线的Logistic方程建立菌体生长的动力学模型：
根据实验结果和图1显示，漆酶的生成和B3菌的生长 属于部分偶联型，对公式（1）积分得公式（2）：
将实验所测得的实验值代入公式（1）、（2） 得到公式（3）、（4）：
（3）
（4）
则（4）即为漆酶生长动力学模型。
重组大肠杆菌产青霉素酰化酶 的发酵动力学研究
韦晓菊，黎继烈*，朱晓媛 （中南林业科技大学生命科学与技术学院经济 森林培育与保护教育重点实验室，湖南长沙 410004）
产物合成动力学模型
一、 根据细胞生长与产物形成是否偶联进 行分类
酒精发酵
柠檬酸发酵
抗生素发酵
1. 生长偶联型：
产物生成速率的变化与细胞生长速 率紧密联系，合成的产物通常是分 解代谢的直接产物。
dP dt
dx dt
YP / X
dx dt
YP/ XX
α——生长偶联产物形成系数
QP
1பைடு நூலகம்X
dp dt
非偶联型发酵的生产 速率只与已有的菌体 量有关，而比生产速 率β为一常数，与比 生长速率μ没有直接 关系。因此，其产率 和产物浓度高低取决 于细胞生长期结束时 的生物量。
QP
3. 生长部分偶联（混合型）
dP dX X
dt dt
QP
如：乳酸、柠檬酸、谷氨酸等的发酵。 α——生长偶联系数 β——非生长偶联系数 该混合型模型复杂的形成是将常数α、β作为变数，它们在分 批发酵的四个时期分别具有特定的数值。
联合公式
式中：X 为菌体浓度(mg/L)；X0为初始菌体浓度，(mg/L)； Xm为最大菌体浓度(mg/L)； t 为时间，(h)；μm为菌体最 大比生长速率(h-1)；P 为青霉素酰化酶酶活(U/mL)； P 0为 初始青霉素酰化酶酶活(U/mL)；α为生长偶联系数； β 为 非生偶联系数。
由于P0=0，X 0对产物的影响可以忽略不计，式(5)可简化为：
实验结果：模型预测值和实测值的拟合度分别是 0.9679、0.9765、0.9849，模型拟合良好，较好 的反映了茶香型苹果酒发酵过程的动力学特征。
产物形成动力学模型
酒精度的实验结果如图，
酒精度拟合曲线和实测值
可知茶香型苹果酒发酵过程中酒精的生成和酿 酒酵母的生成曲线几乎平行，根据Piret的发酵 分类理论，茶香型苹果酒发酵为直接想关型， 即