酶发酵动力学
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大部分组成酶的生物合成属于同步合成型，有部分诱导酶 也按照此种模式进行生物合成。
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
总细胞浓度 胞外酶浓度
活细胞浓度 胞内酶浓度
延续合成型
酶的生物合成在细胞的生长阶段开始，细胞生长进入 平衡期后，酶还可以延续合成一段较长时间。
属于该类型的酶可以是组成酶，也可以是诱导酶。 例如， 在黑曲霉在以半乳糖醛酸或果胶为单一碳源的培养基中 培养，可以诱导聚半乳糖醛酸酶（EC3.2.1.15）的生物合成。
衡期后， 酶的生物合成随之停止。
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
滞后合成型
在细胞生长一段时间或进入平衡期以后才开始酶的合成和 积累，又称为非生长偶联型。许多水解酶的生物合成都属于这 一类型。
主要原因： 受培养基中阻遏物的阻遏作用。随着细胞生长，阻遏物几乎被耗尽而
解除阻遏，酶才开始大量合成。
该类型酶所对应的mRNA稳定性很好，
可在细胞生长进入平衡期后的相当
酶
长的一段时间内，继续进行酶的生 物合成。
细胞 浓度 mg/ml
浓度 U/ml
若培养基中不存在阻遏物，该酶的 合成可以转为延续合成型。
黑曲霉羧基蛋白酶生物合成
理想的酶合成模式
为了提高产酶率和缩短发酵周期，最理想的合成模式应是 延续合成型。
酶发酵动力学
2.4 酶发酵动力学
发酵动力学： 研究发酵过程中细胞生长速率、产物生成速率、
基质消耗速率以及环境因素对这些速率的影响规律 的学科
主要包括：细胞生长动力学、产物生成动力学、基 质消耗动力学
（1）酶生物合成的模式
细胞在一定条件下培养生长， 其生长过程一般经历调 整期（延滞期）、生长期（对数期）、平衡期（稳定期） 和衰退期等4个阶段
Cs：限制性基质浓度 μm ：最大比生长速率，限制性底物浓度过量时的比生长速率，即当
Cs>>Ks时， μ= μm KS ： 莫诺德常数， 指μ= 0.5μm时，Ks=Cs。
莫诺德方程是基本的细胞生长动力学方程。
Monod方程形式与米氏方程相似，但Monod方程是 从经验得出的，常称为形式动力学。
Monod方程的基本假设:
不受培养基中某些物质阻遏——可以伴随着细胞生长而开始 酶的合成；
受到培养基中某些物质阻遏——则要在细胞生长一段时间甚 至在平衡期后， 酶才开始合成并大量积累。
同步合成型
又称为生长偶联型，酶的生物合成与细胞生长同步进行。 该类型酶的生物合成速度与细胞生长速度紧密联系。
该合成型的酶，其生物合成伴随着细胞的生长而开始；在 细胞进入旺盛生长期时，酶大量生成；当细胞生长进入平衡期 后，酶的合成随着停止。
故有，
rx
= µCx
=
µmCs
Ks
• Cx
在发酵过程中没有生长期和产酶期的明显差别。 细胞一开始生长就有酶产生，直至细胞生长进入平衡期以后，
酶还可以继续合成一段较长的时间。
理想的酶合成模式
其他合成模式的酶： 通过基因工程手段获得优良菌株，并通过工艺优化控制，
使其合成模式接近பைடு நூலகம்延续合成型。
同步合成型的酶：
尽量提高所对应的mRNA的稳定性，适当降低发酵温度；
通过分析比较细胞生长与酶产生的关系, 可以把酶生物合成的 模式分为4种类型。即同步合成型，延续合成型，中期合成型和滞 后合成型。
影响酶生物合成模式的主要因素：
酶所对应的mRNA的稳定性以及培养基中阻遏物的 存在。
mRNA稳定性好——可在细胞生长进入平衡期以后，继续合 成其所对应的酶；
mRNA稳定性差——就随着细胞生长进入平衡期而停止酶的 生物合成；
细胞生长动力学：
研究发酵过程中细胞生长速率以及各种因素对细胞生长 速率的影响规律。它是对细胞群体的动力学行为的描述，不 是对单一细胞进行描述。
动力学模型的简化
细胞生长速率: 单位时间、单位体积细胞浓度的变化量。
rx
=
dCx dt
Cx：细胞浓度，通常用单位体积培养液中细胞干重表示； Rx：细胞生长速率
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
酶浓度 细胞浓度
以半乳糖醛酸为诱导物
以含有葡萄糖的果胶为诱导物
中期合成型
该类型的酶在细胞生长一段时间以后才开始，而在细胞生 长进入平衡期以后，酶的生物合成也随着停止。
例如，枯草杆菌碱性磷酸酶（EC 3.1.3.1) 酶的合成受到无机磷酸的反馈阻遏，而磷又是细胞生长所必须的营养物质。 在细胞生长的开始阶段, 磷阻遏碱性磷酸酶的合成， 当细胞生长一段时间， 培养基中的磷几乎耗尽后，该酶才开始大量生成。 碱性磷酸酶所对应的mRNA不稳定，寿命只有30 min左右，所以当细胞进入平
比速率：以单位浓度细胞(或单位质量)为基准表示的速率。 细胞的比生长速率(h-1):
µ = dCx • 1
dt Cx
比速率与催化活性物质的量有关，反映了细胞活力大小。
（2）无抑制细胞生长动力学
现代细胞生长动力学的奠基人Monod早在1942年首先提出 了表述微生物细胞生长的动力学方程。
在培养过程中， 细胞生长速率与细胞浓度成正比：
滞后合成型的酶：
降低培养基中阻遏物的浓度，尽量减少产物阻遏或分解代谢物 阻遏作用，使酶的生物合成提早开始；
中期合成型的酶：
提高mRNA的稳定性及解除阻遏两方面下功夫，使其合成开始 时间提前，并尽量延迟合成停止的时间。
（2）细胞生长动力学
细胞的生长速率受到细胞内外各种因素的影响，变化 复杂，但有一定的生长规律。掌握其生长规律有助于进行 优化控制。
(1) 细胞生长为均衡生长，因而描述细胞生长的唯一变量是细胞 浓度;
(2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，其它组分过量， 且不影响细胞生长;
(3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。
当Ks>>Cs时，
µ
=
µmCs Ks + Cs
≈
µm Ks
• Cs
细胞比生长速率与基质浓度为一级动力学关系。
rx
=
dCx dt
=
µCx
Cx:细胞浓度；dCx/dt:细胞生长速率；μ：比生长速 率。
（2）无抑制细胞生长动力学
假设：培养基中只有一种限制性基质，而不存在其他生长
限制因素时，μ为这种限制性基质浓度的函数。细胞的比生 长速率与限制基质浓度的关系为：
µ = µmCs Ks + Cs
（Monod方程）
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
总细胞浓度 胞外酶浓度
活细胞浓度 胞内酶浓度
延续合成型
酶的生物合成在细胞的生长阶段开始，细胞生长进入 平衡期后，酶还可以延续合成一段较长时间。
属于该类型的酶可以是组成酶，也可以是诱导酶。 例如， 在黑曲霉在以半乳糖醛酸或果胶为单一碳源的培养基中 培养，可以诱导聚半乳糖醛酸酶（EC3.2.1.15）的生物合成。
衡期后， 酶的生物合成随之停止。
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
滞后合成型
在细胞生长一段时间或进入平衡期以后才开始酶的合成和 积累，又称为非生长偶联型。许多水解酶的生物合成都属于这 一类型。
主要原因： 受培养基中阻遏物的阻遏作用。随着细胞生长，阻遏物几乎被耗尽而
解除阻遏，酶才开始大量合成。
该类型酶所对应的mRNA稳定性很好，
可在细胞生长进入平衡期后的相当
酶
长的一段时间内，继续进行酶的生 物合成。
细胞 浓度 mg/ml
浓度 U/ml
若培养基中不存在阻遏物，该酶的 合成可以转为延续合成型。
黑曲霉羧基蛋白酶生物合成
理想的酶合成模式
为了提高产酶率和缩短发酵周期，最理想的合成模式应是 延续合成型。
酶发酵动力学
2.4 酶发酵动力学
发酵动力学： 研究发酵过程中细胞生长速率、产物生成速率、
基质消耗速率以及环境因素对这些速率的影响规律 的学科
主要包括：细胞生长动力学、产物生成动力学、基 质消耗动力学
（1）酶生物合成的模式
细胞在一定条件下培养生长， 其生长过程一般经历调 整期（延滞期）、生长期（对数期）、平衡期（稳定期） 和衰退期等4个阶段
Cs：限制性基质浓度 μm ：最大比生长速率，限制性底物浓度过量时的比生长速率，即当
Cs>>Ks时， μ= μm KS ： 莫诺德常数， 指μ= 0.5μm时，Ks=Cs。
莫诺德方程是基本的细胞生长动力学方程。
Monod方程形式与米氏方程相似，但Monod方程是 从经验得出的，常称为形式动力学。
Monod方程的基本假设:
不受培养基中某些物质阻遏——可以伴随着细胞生长而开始 酶的合成；
受到培养基中某些物质阻遏——则要在细胞生长一段时间甚 至在平衡期后， 酶才开始合成并大量积累。
同步合成型
又称为生长偶联型，酶的生物合成与细胞生长同步进行。 该类型酶的生物合成速度与细胞生长速度紧密联系。
该合成型的酶，其生物合成伴随着细胞的生长而开始；在 细胞进入旺盛生长期时，酶大量生成；当细胞生长进入平衡期 后，酶的合成随着停止。
故有，
rx
= µCx
=
µmCs
Ks
• Cx
在发酵过程中没有生长期和产酶期的明显差别。 细胞一开始生长就有酶产生，直至细胞生长进入平衡期以后，
酶还可以继续合成一段较长的时间。
理想的酶合成模式
其他合成模式的酶： 通过基因工程手段获得优良菌株，并通过工艺优化控制，
使其合成模式接近பைடு நூலகம்延续合成型。
同步合成型的酶：
尽量提高所对应的mRNA的稳定性，适当降低发酵温度；
通过分析比较细胞生长与酶产生的关系, 可以把酶生物合成的 模式分为4种类型。即同步合成型，延续合成型，中期合成型和滞 后合成型。
影响酶生物合成模式的主要因素：
酶所对应的mRNA的稳定性以及培养基中阻遏物的 存在。
mRNA稳定性好——可在细胞生长进入平衡期以后，继续合 成其所对应的酶；
mRNA稳定性差——就随着细胞生长进入平衡期而停止酶的 生物合成；
细胞生长动力学：
研究发酵过程中细胞生长速率以及各种因素对细胞生长 速率的影响规律。它是对细胞群体的动力学行为的描述，不 是对单一细胞进行描述。
动力学模型的简化
细胞生长速率: 单位时间、单位体积细胞浓度的变化量。
rx
=
dCx dt
Cx：细胞浓度，通常用单位体积培养液中细胞干重表示； Rx：细胞生长速率
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
细胞 浓度 mg/ml
酶 浓度 U/ml
酶浓度 细胞浓度
以半乳糖醛酸为诱导物
以含有葡萄糖的果胶为诱导物
中期合成型
该类型的酶在细胞生长一段时间以后才开始，而在细胞生 长进入平衡期以后，酶的生物合成也随着停止。
例如，枯草杆菌碱性磷酸酶（EC 3.1.3.1) 酶的合成受到无机磷酸的反馈阻遏，而磷又是细胞生长所必须的营养物质。 在细胞生长的开始阶段, 磷阻遏碱性磷酸酶的合成， 当细胞生长一段时间， 培养基中的磷几乎耗尽后，该酶才开始大量生成。 碱性磷酸酶所对应的mRNA不稳定，寿命只有30 min左右，所以当细胞进入平
比速率：以单位浓度细胞(或单位质量)为基准表示的速率。 细胞的比生长速率(h-1):
µ = dCx • 1
dt Cx
比速率与催化活性物质的量有关，反映了细胞活力大小。
（2）无抑制细胞生长动力学
现代细胞生长动力学的奠基人Monod早在1942年首先提出 了表述微生物细胞生长的动力学方程。
在培养过程中， 细胞生长速率与细胞浓度成正比：
滞后合成型的酶：
降低培养基中阻遏物的浓度，尽量减少产物阻遏或分解代谢物 阻遏作用，使酶的生物合成提早开始；
中期合成型的酶：
提高mRNA的稳定性及解除阻遏两方面下功夫，使其合成开始 时间提前，并尽量延迟合成停止的时间。
（2）细胞生长动力学
细胞的生长速率受到细胞内外各种因素的影响，变化 复杂，但有一定的生长规律。掌握其生长规律有助于进行 优化控制。
(1) 细胞生长为均衡生长，因而描述细胞生长的唯一变量是细胞 浓度;
(2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，其它组分过量， 且不影响细胞生长;
(3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。
当Ks>>Cs时，
µ
=
µmCs Ks + Cs
≈
µm Ks
• Cs
细胞比生长速率与基质浓度为一级动力学关系。
rx
=
dCx dt
=
µCx
Cx:细胞浓度；dCx/dt:细胞生长速率；μ：比生长速 率。
（2）无抑制细胞生长动力学
假设：培养基中只有一种限制性基质，而不存在其他生长
限制因素时，μ为这种限制性基质浓度的函数。细胞的比生 长速率与限制基质浓度的关系为：
µ = µmCs Ks + Cs
（Monod方程）