【文章內容簡介】 概念表明 ， 甲基營養(yǎng)菌菌體產(chǎn)率的變化是一個動力學問題 ， 而不是生物合成問題 21/ /11)(rrMMYSXXSX ??? ? 三 . 微生物反應動力學 ? 1. 被攝入到微生物細胞內的底物中，一部分轉化為代謝產(chǎn)物，還有一部分則轉化為新生細胞的組成物質。因此，對微生物反應動力學進行研究，至少要對底物、菌體和產(chǎn)物三個狀態(tài)變量進行數(shù)學描述 ? 2. 微生物反應是很多種物質參與的復雜代謝過程的綜合結果。因此，微生物反應的動力學方程只能通過數(shù)學模擬得到 ? 3. 進行數(shù)學模擬的難點在于細胞的生長、繁殖代謝是一個復雜的生物化學過程，該過程既包括細胞內的生化反應，也包括胞內與胞外的物質交換，還包括胞外的物質傳遞及反應 ? 4. 為了優(yōu)化反應過程 ， 首先要進行合理的簡化 ， 在簡化的基礎上建立過程的物理模型 ，再據(jù)此推導得出數(shù)學模型 。 微生物反應動力學模型的分類 模型類型 著眼點 說明概率論模型 微生物個體 必須考慮每個細胞的差異，以說明某一特定現(xiàn)象；或用以說明平均值附近的波動情況決定論模型 微生物群體 不考慮每個細胞的差異，而是取菌體性質及數(shù)量的平均值進行數(shù)學處理均相模型 微生物群體 是一種認為菌體均勻分散于培養(yǎng)液中，可作為均相處理的決定論模型。生物相分離模型 微生物群體 是將菌體作為與培養(yǎng)液 ( 連續(xù)相 ) 分離的生物相處理所建立的決定論模型。這種模型需要說明培養(yǎng)液與菌體間的物質傳遞及分配效應。在高菌體濃度時，考慮微生物所占的體積分率，以及解析廢水生物處理過程中灑水濾床和旋轉圓盤的微生物膜，都是利用生物相分離模型。結構模型 微生物群體 考慮菌體組成的變化，將活菌體和死菌體分別處理從而建立的模型。在單一菌體的結構模型中，將整個菌體分為兩種或兩種以上成分，并認為代謝過程是各種成分共同作用的結果。均相模型和生物相分離模型都可分別構成結構模型非結構模型 微生物群體 與結構模型的主要區(qū)別在于它不考慮細胞組成的變化。 （一）細胞生長動力學模型 1. 無抑制作用的細胞生長動力學 ? 溫度和 pH恒定時 ， 對于某一特定培養(yǎng)基組分的濃度 s， Monod方程為 ∶ ? 式中 : ?max稱為最大比生長速率 (h1)， Ks稱為半飽和 常數(shù) (g/L) ? 底物消耗速率方程對應為 ∶ SKSs ?? m a x??SKSqqsss ?? m a x, ? Monod方程應滿足 ∶ ? (1)菌體生長為均衡型非結構生長；(2)培養(yǎng)基中只有一種底物是生長限制性底物； ? (3)菌體產(chǎn)率系數(shù)恒定 2. 細胞生長穩(wěn)定期和延遲期的 Monod型動力學 ? (1) 延遲期動力學模型的建立 ? (2) 生長穩(wěn)定期動力學模型的建立 ? 式中 ?和 ?是經(jīng)驗常數(shù) ， 取 ?=?max和 ?=xmax， )1(),( /m a x LttsesKsts ???? ??)1(?? xxr x ??? 3. 微生物死亡期和內源代謝 ? (1) 微生物死亡期的動力學模型 ? Kd為 比死亡速率 (h1) ? ? 對應于由底物生成菌體的一級反應速率為 ∶ ? (2) 內源代謝的動力學模型 ? 或： ? ms為細胞的維持系數(shù) (s1)， Y*X/S為最大細胞產(chǎn)率 dtdxxkd ???1xkr dx )( ?? ?XmXYr sSXs ?????? ?*/1 sSXs mYq ??? ?*/1 4. 底物和產(chǎn)物抑制的動力學模型 ? (1) 底物抑制動力學 (Andrew底物抑制 模型 ) ? 式中 KIS是底物抑制常數(shù) ? ( 2) 產(chǎn)物抑制動力學 （ Hinshelwood模型 ） ? 式中 ， P為產(chǎn)物濃度 ， k為動力學常數(shù) ? 或： ? 式中 KIP為產(chǎn)物抑制常數(shù) ISS KSSK //11m a x ??? ??)1(m a x PkSK SS???? ??PKKSKSIPIPS ???? m a x?? （二）微生物產(chǎn)物形成動力學模型 ? Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率和細胞生長速率之間的關系，將產(chǎn)物形成區(qū)分為三種類型 ? 類型 Ⅰ∶ 也稱為偶聯(lián)模型（醇類、葡萄糖酸、乳酸） ? 類型 Ⅱ∶ 也稱部分偶聯(lián)模型（檸檬酸、氨基酸） ? 類型 Ⅲ∶ 也稱為非偶聯(lián)模型（抗生素、酶、維生素、多糖） XYrYr XPXXPP ?// ?? ?XPP Yq /?Xrr XP ???? ?? ??? ???PqXr P ?? ? ??Pq ? 上述三種類型外還有一種模型是 qP與 ?負偶聯(lián)的模型，例如黑曲霉生產(chǎn)黑色素，其 qP與 ?的關系可表示為： ? 當考慮到產(chǎn)物可能存在分解時： ? 式中， k’d為產(chǎn)物分解常數(shù) ?XPPP Yqq /m a x, ??PkXrr dXP ?????? ?? 四 . 微生物反應優(yōu)化的一般原理 ? 1. 發(fā)酵過程優(yōu)化的一般步驟 ? (1) 反應過程的簡化 ? 是指把工藝過程的復雜結構壓縮為少數(shù)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以用關鍵變量來表示 ? (2) 定量化 ? 系統(tǒng)、準確地檢測發(fā)酵過程的各種參數(shù) ? (3) 分離 ? 是指在生物過程和物理過程的各種速度相互不影響的情況下，精心設計實驗以獲得關于生物和物理現(xiàn)象的數(shù)據(jù) ? (4) 數(shù)學建模 ? 數(shù)學模型是能以簡化的形式表征過程行為 ， 并實現(xiàn)特定目的的數(shù)學公式 ? 數(shù)學模型可將特定結果通用化 ， 并為推論系統(tǒng)的其它性質提供基礎 ? 建立數(shù)學模型的主要目標是： (a)為了預見任何系統(tǒng)的轉化率或生產(chǎn)率； (b)用以檢查在各種操作條件下工廠操作的性質和行為 ， 檢查模型適用的范圍 (包括外推性 )； (c)用于進行工藝優(yōu)化和計算機模擬； (d)用于檢測出可能重要但被忽視了的參數(shù)； (e)檢查是否已有效地區(qū)分生物現(xiàn)象和物理現(xiàn)象； (f)有助于闡明反應機理 2. 分批微生物反應過程的優(yōu)化 ? 最優(yōu)化的目標函數(shù)：產(chǎn)量 、 生產(chǎn)率 、 純利潤等 ，有時也對這些指標的其中二個以上進行多目標函數(shù)優(yōu)化 ? 最優(yōu)化的操作變量：反應時間 、 培養(yǎng)基組成 、 溫度 、 pH、 溶氧等 ? * 培養(yǎng)基組成的優(yōu)化 ? 預先設定 XT為最大菌體濃度 ， 則由可得到底物 Si的初始濃度為 ∶ )(1 0/0, XXYS TSXii?? ? 無機離子或生長因子等一旦被細胞吸收 ， 在細胞內保持元化學狀態(tài) ， 且含量恒定不變 。 這類營養(yǎng)物質稱為儲存性底物 。 可根據(jù)這些物質在菌體內的實際含量 ， 用類似于上式的方法確定其需要量 ? 當代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量與培養(yǎng)基組成之間的關系很復雜 ， 不能用解析函數(shù)的方式表示時 ， 可采用實驗設計法確定最優(yōu)初始濃度 ? 利用最優(yōu)實驗設計法 ， 即使不能提高產(chǎn)量 ， 也可探索培養(yǎng)基組分的最小需用量 ， 從而避免不必要的浪費 第三部分 生物反應過程的系統(tǒng)優(yōu)化技術 一 .系統(tǒng)優(yōu)化技術概述 二 .ATP再生系統(tǒng)及其在谷胱甘肽生物合成中的應用 三 .有機廢水處理和聚羥基烷酸生產(chǎn)的耦合系統(tǒng) 四 .生物反應與產(chǎn)物分離的組合系統(tǒng) 一 .系統(tǒng)優(yōu)化技術概述 ? 奧地利理論生物學家貝塔朗菲于 1937年第一次提出 ,系統(tǒng)是 “ 一個相互作用的諸要素的綜合體 ” 。 ? 我國科學家錢學森對系統(tǒng)的定義是 ∶ “ 系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合而成的，具有特定功能的有機整體，而且這個整體又是它從屬的更大的系統(tǒng)的組成部分 ” ? 換句話說，系統(tǒng)是同類或相關事物按一定的內在聯(lián)系組成的整體 2. 系統(tǒng)的一般形態(tài)有： ? (一 )自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng) ? (二 )實體系統(tǒng)和概念系統(tǒng) ? (三 )封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng) ? (四 )靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng) ? (五 )對象系統(tǒng)和行為系統(tǒng) ? (六 )控制系統(tǒng)和因果系統(tǒng) 3. 系統(tǒng)應當具備四個基本特征 (一 )整體性 (系統(tǒng)是由兩個以上有一定區(qū)別又有一定相關的要素所組成，系統(tǒng)的整體性主要表現(xiàn)為系統(tǒng)的整體功能 ) (二 )相關性 (各要素組成了系統(tǒng)是因為它們之間存在相互聯(lián)系、相互作用、相互影響的關系 ) (三 )目的性 (系統(tǒng)具有能使各個要素集合在一起的共同目的，而且人造系統(tǒng)通常具有多重目的 ) (四 )環(huán)境適應性 (環(huán)境是指出現(xiàn)于系統(tǒng)以外的事物的總稱，相對于系統(tǒng)而言，環(huán)境是一個更高級的、復雜的系統(tǒng)。系統(tǒng)必須適應外部環(huán)境的變化，能夠經(jīng)常與外部環(huán)境保持最佳的適應狀態(tài)，才能得以存在 ) ? : ? 整體優(yōu)化的思想，對所研究的對象采用定性或定量的模型優(yōu)化技術，使系統(tǒng)整體目標最優(yōu) 5. 生物反應系統(tǒng)優(yōu)化方法的原則主要有以下幾個方面： (一 )系統(tǒng)整體性原則 :不能從系統(tǒng)的局部得出有關系統(tǒng)整體的結論；分系統(tǒng)的目標必須服從于系統(tǒng)整體的目標 (二 )系統(tǒng)有序相關原則 :系統(tǒng)的有序性 ， 是系統(tǒng)有機聯(lián)系的反映 ， 系統(tǒng)的任何聯(lián)系都是按一定等級和層次進行的 ， 都是秩序井然 、 有條不紊的 (三 )系統(tǒng)目標優(yōu)化原則 :優(yōu)化問題是在不可控參數(shù)發(fā)生變化的情況下 ，根據(jù)系統(tǒng)的目標 ， 經(jīng)常 、 有效地確定可控參數(shù)的數(shù)值 ， 使系統(tǒng)經(jīng)常處于最優(yōu)狀態(tài) (四 )系統(tǒng)動態(tài)性原則 :系統(tǒng)優(yōu)化是一個比較復雜的過程 ， 研究對象內部復雜的相互作用和外部環(huán)境的多變性 ， 使系統(tǒng)本身呈現(xiàn)出動態(tài)特性 (五 )系統(tǒng)分解綜合原則：分解是將系統(tǒng)中具有密切相關關系的要素進行分組；綜合則是完成新系統(tǒng)的籌建過程 ， 即選擇具有性能好 、 適用性強的分系統(tǒng) (六 )系統(tǒng)創(chuàng)造思維原則：其一是把陌生的事物看作熟悉的東西 ， 用已有的知識加以辯識和解決；其二是把熟悉的對象看作陌生的東西 ，用新的方法 、 新的原則加以研究 ， 從而創(chuàng)造出新的理論 ， 新的技術 。 生物反應系統(tǒng)示意圖 生物反應過程上游加工過程加工過程下游成本經(jīng)濟學原料的生物具有應用價值傳統(tǒng)育種基因工程細胞工程目的產(chǎn)物大規(guī)模工藝開發(fā)設計思想遺傳學生理學培養(yǎng)技術 反應器發(fā)酵技術 酶技術 介紹： ? (1)生物產(chǎn)品合成的能量 (ATP)或輔因子(NADH)再生系統(tǒng) ? (2)廢水生物處理的厭氧 ─ 好氧組合處理系統(tǒng) ? (3)生物反應與產(chǎn)物提取的耦合系統(tǒng) ? (4)有機廢水處理和有用物質生產(chǎn)的耦合系統(tǒng) 二 . ATP再生系統(tǒng)及其在谷胱甘肽生物合成中的應用 1. ATP再生系統(tǒng)的定義及分類 ? ATP再生系統(tǒng)可定義為一個需要 ATP的生物酶反應系統(tǒng)與一個 ATP生物合成系統(tǒng)所構成的耦合系統(tǒng) ? 按底物的不同分類 ,ATP再生系統(tǒng)可分為 : ? (1)轉移高能磷酸基的反應系統(tǒng) (以高能化合物作為底物 ) ? (2)采用碳水化合物作為基質的反應系統(tǒng) (以碳水化合物和磷酸基團作為底物 ) ? 利用碳水化合物為基質的 ATP再生系統(tǒng)根據(jù)酶源的不同又可分為： ? (1)自耦合系統(tǒng) ? (2)種間耦合系統(tǒng) 自耦合 ATP再生系統(tǒng)示意圖 再生 A T P 的反應系統(tǒng)需要 A T P 的生物合成反應AT PAD P 或 AM PAD P 或 AM P葡萄糖前體 產(chǎn)物微生物細胞二氧化碳水和有機酸 種間耦合 ATP再生系統(tǒng)示意圖 需要 A T P 的生物酶反應再生 A T P 的反應系統(tǒng)A T P A D P ( A M P )前體 產(chǎn)物葡萄糖二氧化碳、水有機酸 ( 或乙醇 )大腸桿菌產(chǎn)氨短桿菌或面包酵母 2. 建立 自耦合系統(tǒng)和種間耦合系統(tǒng) 必須滿足以下條件 ? (1)用于合成產(chǎn)物的酶的活性必須足夠強且穩(wěn)定 ? (2)能大量提供廉價 、 穩(wěn)定的前體物質 ? (3)再生 ATP的活性足夠強且穩(wěn)定 ， 能與生物合成酶反應成功地耦合 ? (4)提供廉價的能量底物 (如葡萄糖 )和磷酸基團供體 (如無機磷酸鹽 )以利于 ATP再生 ? (5)若有類似于分解反應的有害副反應 ， 則必須對其加以控制 ? (6)若底物或預定的產(chǎn)物不能透過細胞膜 ， 則必須設法提高膜的通透性 3. 兩 種系統(tǒng)的不同之處： ? 自耦合 ATP再生系統(tǒng)只用到一種微生物，故該菌中必須同時具有需要 ATP的生物合成反應的酶活性和再生 ATP的酶活性 ? 種間耦