微生物发酵产酶.pptx

上节课重难点上节课重难点o酶生物合成模式酶生物合成模式o产酶工艺条件及其调节控制产酶工艺条件及其调节控制n产酶细胞的选择产酶细胞的选择n培养基的配置培养基的配置n细胞活化和扩大培养细胞活化和扩大培养n发酵条件的控制发酵条件的控制酶的产量高；酶的产量高；易培养和管理；易培养和管理；产酶稳定性好；产酶稳定性好；利于酶的分离纯化；利于酶的分离纯化；安全可靠，无毒性。安全可靠，无毒性。碳源、氮源碳源、氮源无机盐、生长因子无机盐、生长因子活化：提高活力活化：提高活力扩大培养：增加数扩大培养：增加数量量pH；温度；温度；溶氧；溶氧；酶生物合成模式酶生物合成模式定义定义图示图示合成的合成的调节调节mRNA解决解决方法方法同步合成型同步合成型（生长偶联型）（生长偶联型）延续合成型延续合成型（部分生长偶联型）（部分生长偶联型）中期合成型中期合成型（特殊的生长偶联型）（特殊的生长偶联型）滞后合成型滞后合成型（非生长偶联型）（非生长偶联型）2.4 酶发酵动力学酶发酵动力学o研究发酵过程中研究发酵过程中细胞生长速率细胞生长速率、产物生成速率产物生成速率、基基质消耗速率质消耗速率以及环境因素对这些速率的影响规律的以及环境因素对这些速率的影响规律的学科。学科。o包括：细胞生长动力学，产物生成动力学，基质消包括：细胞生长动力学，产物生成动力学，基质消耗动力学。耗动力学。2.4.1 细胞生长动力学细胞生长动力学 主要研究细胞生长速率以及外界环境因素对细主要研究细胞生长速率以及外界环境因素对细胞生长速度影响的规律。胞生长速度影响的规律。1、细胞生长动力学方程（、细胞生长动力学方程（1950，莫诺德），莫诺德）Rx=dXdt=xRx：细胞生长速率：细胞生长速率 X：细胞浓度：细胞浓度：比生长速率：比生长速率 dXdt=x=dXdt1x=mSKs+SS：限制性基质的浓度：限制性基质的浓度m：最大比生长速率，指限制性底物浓度过量时：最大比生长速率，指限制性底物浓度过量时的比生长速率。的比生长速率。当当SKs时，时，=mKs：莫诺德常数，指比生长速率达到最大比生长：莫诺德常数，指比生长速率达到最大比生长速率一半时的限制性底物浓度。速率一半时的限制性底物浓度。2、细胞生长动力学方程的变型、细胞生长动力学方程的变型连续全混流生物反应器进行连续发酵连续全混流生物反应器进行连续发酵dXdt=mSXKs+S-DX=（-D）XD：稀释率，单位时间内流加的培养液与发酵液体积之比：稀释率，单位时间内流加的培养液与发酵液体积之比D0，发酵液中细胞浓度不断增加，限制性基质浓度，发酵液中细胞浓度不断增加，限制性基质浓度降低，比生长速率减小，当降低，比生长速率减小，当=D时，重新达到稳态。时，重新达到稳态。D=:dX/dt=0，发酵液中细胞浓度保持不变，发酵液中细胞浓度保持不变。D:dX/dtm:发酵液中细胞浓度趋于发酵液中细胞浓度趋于0，无法达到新的，无法达到新的稳态。稳态。2.4.2 产酶动力学产酶动力学 研究细胞产酶速率及各种环境因素对产酶速研究细胞产酶速率及各种环境因素对产酶速率的影响规律。率的影响规律。1、产酶动力学方程、产酶动力学方程 RE=dE/dt=（+）XRE：产酶速率X：细胞浓度：细胞比生长速率：生长偶联的比产酶系数：非生长偶联的比产酶系数 E：酶浓度 t：时间2、不同产酶模式的产酶动力学方程、不同产酶模式的产酶动力学方程（1）同步合成型（生长偶联型）同步合成型（生长偶联型）dE/dt=（+）X0dE/dt=X（2）延续合成型（部分生长偶联型）延续合成型（部分生长偶联型）dE/dt=（+）XdE/dt=X+X（3）中期合成型（特殊生长偶联型）中期合成型（特殊生长偶联型）dE/dt=（+）X0无酶产生无酶产生有阻遏物有阻遏物阻遏物缺乏阻遏物缺乏dE/dt=（+）X0dE/dt=XdE/dt=（+）X0dE/dt=X（4）滞后合成型（非生长偶联型）滞后合成型（非生长偶联型）酶生物合成模式酶生物合成模式定义定义图示图示合成的合成的调节调节mRNA解决解决方法方法酶生长动酶生长动力学方程力学方程同步合成型同步合成型（生长偶联型）（生长偶联型）延续合成型延续合成型（部分生长偶联型）（部分生长偶联型）中期合成型中期合成型（特殊的生长偶联型）（特殊的生长偶联型）滞后合成型滞后合成型（非生长偶联型）（非生长偶联型）基质消耗动力学基质消耗动力学用于细胞生长；用于产物生成；用于维持细胞用于细胞生长；用于产物生成；用于维持细胞生命活动生命活动2.5 固定化微生物细胞及原生质体发酵产酶固定化微生物细胞及原生质体发酵产酶o固定化细胞固定化细胞：又称固定化活细胞或固定化增殖细胞，：又称固定化活细胞或固定化增殖细胞，指采用各种方法固定在载体上，在一定的空间范围指采用各种方法固定在载体上，在一定的空间范围内进行生长、繁殖和新陈代谢的细胞。内进行生长、繁殖和新陈代谢的细胞。一、固定化细胞发酵产酶的特点（一、固定化细胞发酵产酶的特点（P57）o提高产酶率提高产酶率o可以反复使用或连续使用较长时间可以反复使用或连续使用较长时间o基因工程菌的质粒稳定，不易丢失基因工程菌的质粒稳定，不易丢失o发酵稳定性好发酵稳定性好o缩短发酵周期，提高设备利用率缩短发酵周期，提高设备利用率o产品易于分离纯化产品易于分离纯化o适用于胞外酶等胞外产物的生产适用于胞外酶等胞外产物的生产二、固定化细胞发酵产酶的工艺条件及其控制二、固定化细胞发酵产酶的工艺条件及其控制（P58）1、固定化细胞的预培养、固定化细胞的预培养2、溶解氧的供给、溶解氧的供给3、温度的控制、温度的控制4、培养基组分的控制、培养基组分的控制采用适合细胞生长的生长培养基和工艺条件，采用适合细胞生长的生长培养基和工艺条件，以利于固定在载体上的细胞生长繁殖。以利于固定在载体上的细胞生长繁殖。必需增加溶解氧。必需增加溶解氧。方法：方法：加大通气量；加大通气量；改变固定化载体、固定化技术或培养基的改变固定化载体、固定化技术或培养基的配方等。配方等。一般在培养液进入反应器之前预先调节至适宜一般在培养液进入反应器之前预先调节至适宜温度。温度。控制影响固定化载体结构的物质含量。控制影响固定化载体结构的物质含量。适当降低培养基的浓度，以满足微生物对氧的适当降低培养基的浓度，以满足微生物对氧的需求。需求。三、固定化细胞生长和产酶动力学（自学，三、固定化细胞生长和产酶动力学（自学，P59）1、固定化细胞生长动力学、固定化细胞生长动力学dx/dt=（dx/dt）g+（dx/dt）fdx/dt=gxg+fxfdx/dt=mgSxg/（Ksg+S）+mfSxf/（Ksf+S）2、固定化细胞产酶动力学、固定化细胞产酶动力学dE/dt=（+）Xf+Xg=fXf+gXg f=+游离细胞比产酶速率游离细胞比产酶速率 g 固定在载体上细胞的比产酶速率固定在载体上细胞的比产酶速率3、固定化细胞连续产酶动力学、固定化细胞连续产酶动力学dx/dt=gXg+fXf-DXfDf时，发酵容器内的细胞浓度越来越低，直到达到时，发酵容器内的细胞浓度越来越低，直到达到新的稳态。新的稳态。Df时，发酵容器内的细胞浓度得到动态平衡，游离时，发酵容器内的细胞浓度得到动态平衡，游离细胞浓度（细胞浓度（xf）和固定在载体上的细胞浓度（）和固定在载体上的细胞浓度（xg）基本保持恒定。此时基本保持恒定。此时 dx/dt=gxg+fxf四、固定化微生物原生质体发酵产酶（四、固定化微生物原生质体发酵产酶（P62）1、固定化原生质体的特点、固定化原生质体的特点（1）变胞内产物为胞外产物）变胞内产物为胞外产物（2）提高酶的产率）提高酶的产率（3）操作稳定性和保存稳定性好）操作稳定性和保存稳定性好（4）酶易分离纯化）酶易分离纯化2、固定化原生质体发酵产酶的工艺条件及其控制、固定化原生质体发酵产酶的工艺条件及其控制（1）渗透压的控制）渗透压的控制（2）防止细胞壁再生）防止细胞壁再生（3）保证原生质体的浓度）保证原生质体的浓度本章小结本章小结o酶的生产方法酶的生产方法o酶生物合成的调节酶生物合成的调节o发酵条件的控制发酵条件的控制o酶生物合成的模式酶生物合成的模式o产酶细胞生长动力学产酶细胞生长动力学o细胞产酶动力学细胞产酶动力学