当前位置：文档之家 › 第4章 微生物反应动力学

第4章 微生物反应动力学

  • 格式：pdf
  • 大小：867.22 KB
  • 文档页数：61

下载文档原格式

  / 61

合集下载

第四章 微生物反应动力学(制药工程)Word免费范文精选

第四章 微生物反应动力学(制药工程)Word免费范文精选

第四章细胞反应动力学4.1 微生物反应过程的质量和能量衡算4.1.1 微生物反应过程的质量衡算微生物反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂。

如果把微生物反应看成是生成多种产物的复合反应：碳源+氧+氮源=菌体+有机产物+二氧化碳+水CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eCO2+fH2O呼吸商：细胞生长过程中放出的CO2与消耗的O2的摩尔比RQ YCO 2/O2ΔCO 2 CO2 产生速率ΔO 2 O 2消耗速率式中: ΔCO2 为一定时间内细胞生长放出的CO2量 (mol、Kmol) ;4.1.2 微生物反应过程的得率系数对底物的细胞得率系数得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数。

消耗1克基质生成细胞的克数称为细胞得率或生长得率。

m X 生成细胞的质量消耗基质的质量 mSYX / SYX / SdX dX / dt rX d [ S ] d [ S ] / dt rS对底物的产物得率系数YP / Sm P 生成代谢产物的质量消耗基质的质量 m S与碳元素相关的得率系数YC:当基质为碳源，一部分被同化为细胞组成成分，其余部分被异化分解为CO2和代谢产物。

YC m X X 生成细胞的质量细胞含碳量 YX / S X 消耗基质的质量基质含碳量 ( mS ) S S XC和SC---单位质量细胞的含碳量和单位质量基质的含碳量与氧相关的得率系数YO:生成细胞质量与消耗氧的比值。

生成细胞的质量YO 消耗氧的质量举例：C6H12O6+aO2+bNH3→cC4.4OH7.3N0.86O1.2+dH2O+eCO2 已知：葡萄糖中的碳2/3转化为细胞中的碳1.计算c值2.3. 4. 5.计算e值根据原子的平衡关系计算b,d,a值求YX/S求YX/O4.2 细胞生长的非结构动力学4.2.1 细胞生长动力学描述方法(1)微生物反应过程细胞群体①细菌群体的复杂性：通常1mL培养液中含有107~108个细胞，每个细胞都经历生长、成熟、衰亡的过程，同时伴有退化、变异②多相：体系中有液相、固相、气相，性质不同，相内、相间有反应、传质③多组份：细胞组成复杂 ,蛋白质、脂肪、糖、核酸、维生素、无机盐、水等,培养液中的营养物，代谢产物④非线性：生化反应过程复杂,不能用线性方程描述(2)细菌群体描述的简化①微生物反应动力学是对细菌群体而言，而不是对单一细胞②不考虑细胞之间的差异，性质上取平均值。

模块四 微生物反应动力学

模块四 微生物反应动力学
模块四 微生物反应动力学
研究对象：在各种环境因素下，微生物代谢活动（生命活动）随时间
而变化的规律。
从宏观的角度，定量分析菌体的生长、基质的消耗、产物的形成。 研究方法：用数学模型 研究目的： 达到对发酵过程有效控制，提高产品的产率及降低生产成本的目的。
一、分批培养Βιβλιοθήκη P198-205）2. 生产生长部分相关型 （Ⅱ型发酵）
分批发酵中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系
（b）部分生长连动型
Ⅱ型发酵特点：
发酵第一时期菌体迅速生长， 而产物形成很少或全无；
第二时期产物高速形成， 生长也可能出现第二高峰。
碳源利用在这两个时期都很高
一类是经过连锁反应如丙酮丁醇； 一类是不经过中间产物的积累，如柠檬酸等。
2、连续培养的应用（P210~216）
（1）细胞的生产； （2）代谢产物的生产； （3）细胞生理特性的研究； （4）发酵动力学的研究； （5）培养基的改进； （6）菌种的筛选和富集； （7）微生物遗传稳定性的研究。
3. 补料（流加）分批培养（P216）
补料分批培养是介于分批培养和连续 培养之间的操作方式 补料分批培养与连续培养之间的区别：随着补料操作的进行 培养液的体积是逐渐增大的，到一定时候即须结束陪。 随着补料的进行，培养液体积不断增大，达到一定 程度时，将部分培养液从反应器中放出，剩下部分 继续进行补料分批培养，如此反复进行。 在培养过程的中间放出部分培养液的操作，
（1）生产生长相关型（Ⅰ型发酵）
分批工艺中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系
（a）生长生产联动型
在Ⅰ类型的发酵中，菌体的生长、碳水化合物的利用 和产物的形成几乎是平行进行的。

微生物反应动力学

微生物反应动力学
第一节 微生物生长动力学 第二节 基质消耗动力学 第三节 代谢产物的生成动力学
什么是发酵动力学？
发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间
动态定量关系，定量描述微生物 生长 和 产物形成 过程。
主要研究：
1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成 速率、底物消耗速率及其转化率、效率等； 2、影响发酵动力学参数的各种理化因子； 3、发酵动力学的数学模型。
0
x0 （0<t<t1)
µm
x0e µm t (t1<t<t2)
µ = ms
Ks s
0 -a
x= x0e µm(t2-t1) e µt (t2<t<t3)
xm (t3<t<t4) xme -a t (t4<t<t5)
分批发酵动力学-细胞生长动力学
其它模型1
在无抑制作用情况下（但有底物限制存在）
m 1 exp S KS
产物比生成速率
qP
1 dP x dt
（6-17）
qS
YG
m
qP YP
ds x mx 1 dp
dt YG
YP dt
qS
YX / S
qs qp YP / S
ds 1 dx x
dt YX / S dt YX / S
ds 1 dp dt YP/ S dt
分批发酵动力学-基质消耗动力学
③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。
分批发酵动力学-基质消耗动力学
产物得率系数：
Yp/s ,YP / O2 ,YATP / s ,YCO2 / s ：
消耗每克营养物（s）或每克分子氧(O2)生 成的产物(P)、ATP或CO2的克数。

第四章 微生物反应动力学(简)

第四章 微生物反应动力学(简)
17
1. 微生物生长中的能量转换
根据微生物获取能量的方式，可把微生物分 为： （1)自养微生物：不从有机化合物中获取能量 化能、光能自养微生物 （2）异养微生物：从有机化合物中获取能量
18
（1）自养微生物的生长
化能自养微生物通过氧化NO2- ，S等获 取能量，如亚硝酸细菌； 光能自养微生物，如绿色硫杆菌；
微生物反应的特点之一是通过呼吸链(电子传递)氧化磷酸化生成ATP。 在氧化过程中，可通过有效电子数来推算碳源的能量。当1mol碳源完全氧 化时，所需要氧的摩尔数的4倍称为该基质的有效电子数。若碳源为葡萄糖， 其完全燃烧时每摩尔葡萄糖需要6mol氧，有效电子数＝6×4＝24。
基于有效电子数的细胞得率定义式为： ΔX Yave－＝ (34-8 ) −7 － 基质完全燃烧所需氧的摩尔数 × 4ave / mol氧 Yave－的计算方法：由表34-2 3可知，以葡萄糖为碳源，产生气杆菌的 − YX / S = 72.7 g / mol，葡萄糖的有效电子数为24ave－ / mol，所以产气 杆菌的Yave－＝72.7 / 24 ≈ 3g / ave−。
计算上述反应中的得率系数Y x/s和Y x/o
16
4.1.3 微生物反应中的能量衡算
培养过程的反应可用以下简式表示： C源＋N源＋O2→ 菌体＋产物＋CO2＋H2O
(-ΔS)+ (-ΔN) +(-ΔO2) →ΔX+ ΔP+ΔCO2+ΔH2O
微生物反应是放热反应，储存于碳源中能源，在 好氧反应中有40%~50%的能量转化为ATP，供微 生物的生长、代谢之需，其余的作为热量被排放。 进行微生物优化培养时，必须进行适宜的温度控 制，因此有必要从反应热的角度考虑反应过程中能 量代谢，并进行微生物反应过程的能量衡算。

第四章微生物反应动力学

第四章微生物反应动力学

习题与答案2．简要回答微生物反应与酶促反应的最主要区别？答：微生物反应与酶促反应的最主要区别在于，微生物反应是自催化反应，而酶促反应不是。

此外，二者还有以下区别：（1）酶促反应由于其专一性，没有或少有副产物，有利于提取操作，对于微生物反应而言，基质不可能全部转化为目的产物，副产物的产生不可避免，给后期的提取和精制带来困难，这正是造成目前发酵行业下游操作复杂的原因之一。

（2）对于微生物反应，除产生产物外，菌体自身也可是一种产物，如果其富含维生素或蛋白质或酶等有用产物时，可用于提取这些物质。

（3）与微生物反应相比，酶促反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制。

微生物反应是利用活的生物体进行目的产物的生产，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞因素的影响，并且微生物会发生遗传变异，因此，实际控制有一定难度。

（4）酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应相比，在经济上有时并不理想。

4．Monod 方程建立的几点假设是什么？Monod 方程与米氏方程主要区别是什么？ 答：Monod 方程建立的基本假设：微生物生长中，生长培养基中只有一种物质的浓度（其他组分过量）会影响其生长速率，这种物质被称为限制性基质，并且认为微生物为均衡生长且为简单的单一反应。

Monod 方程与米氏方程的主要区别如下表所示： Monod 方程与米氏方程的区别Monod 方程：SK SS +=max μμ 米氏方程：SK Sr r m +=max经验方程理论推导的机理方程 方程中各项含义： μ：生长比速(h -1)μmax ：最大生长比速(h -1) S: 单一限制性底物浓度(mol/L) K S :半饱和常数(mol/L) 方程中各项含义： r ：反应速率(mol/L.h) r max ：最大反应速率(mol/L.h) S ：底物浓度(mol/L) K m ：米氏常数(mol/L)适用于单一限制性基质、无抑制 的微生物反应。

微生物反应动力学生物反应工程课件共讲详解演示文稿

微生物反应动力学生物反应工程课件共讲详解演示文稿

• 式中E表示消耗的总能量，包括同化过程，即菌体所保 持的能量Ea和分解代谢的能量Ed。前者可采用干细胞 的燃烧热 ，后者可采用所消耗的碳源和代谢产物各自的 燃烧热之差来计算。多数微生物在好氧培养时的YKJ值 为0.028g细胞/kJ，在厌氧培养时YKJ的平均值为 0.031g细胞/kJ。对于光能自养型微生物，如藻类的 YKJ约等于0.002 g细胞/kJ。
真菌、藻类和原生动物等。
第3页，共53页。
分 类 ： 界 （ Kingdom ） 、 门 （ Phylum ） 、 纲 （ Class ） 、 目 （ Order ） 、 科 （ Family ） 、 属 （Genus）、种（Species）。
种 以 下 有 变 种 （ Variety ） 、 型 （Form）、品系（Strain）等。
第22页，共53页。
不足： 1、副产物的产生不可避免。 2、影响微生物反应的因素多实际控制有难度； 3、原料是农副产品，受价格变动影响大； 4、产前准备工作量大，相对化学反应器而言， 反应器效率低。对于好氧反应，需氧，故增加了 生产成本，且氧的利用率不高； 5、废水有较高BOD值。
第23页，共53页。
第29页，共53页。
• 当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一 部分被同化（assimilate or anabolism）为细胞的组成 成分，其余部分被异化（dissimilate or catabolism）分 解为CO2和代谢产物。如果从碳源到菌体的同化作用看， 与碳元素相关的细胞得率Yc可由下式表示
微生物反应动力学生物反应工程课件 共讲详解演示文稿
第1页，共53页。
（优选）微生物反应动力学生物反应 工程课件共讲
第2页，共53页。

Chapter 4 微生物反应动力学

Chapter 4 微生物反应动力学
100C6 H12O6 12NH3 57Cw Hx NyOz 43C3H5 (OH)3 154CO2 130C2H5OH 3.6H2O
各元素平衡式为
C : 600 57w 43 3 154 130 2 H : 1200 12 3 57 x 43 8 130 6 3.6 2 O : 600 57z 43 3 154 2 130 3.6 N : 12 57 y
4.2.1 微生物反应过程的质量衡算 微生物反应过程用有正确系数的反应方程式来 表达基质到产物的反应过程非常困难。
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO 2 H 2 O
为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分 之间的数量关系，最常用的方法是对各元素进 行原子衡算。
假设碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分 子式定义为CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和灰 分等，此时用碳的定量关系式表示微生物反应的计量 关系是可行的。
呼吸商RQ=0.6。求各系数a、b、c、d、e。 【解】根据元素平衡式(4-2) 有： C :2 cd H : 6 3b 1.75c 2e O : 1 2a 0.5c 2d e N : b 0.15c RQ 0.6 d 0.6a 所以反应式为：
a 2.394 b 0.085 c 0.564 d 1.436 e 2.634
三、溶解氧与氧化还原电位Eh 氧是在溶解状态下被微生物利用的，可以培养基的 氧化还原电位Eh作为定量表示厌氧程度的方法。除 与氧分压有关外， Eh 还受pH 的影响。pH 值低时， 氧化还原电位高； pH 值高时，氧化原电位低。当 pH 一定时，溶氧水溶液的Eh与溶解氧浓度（ DO ） 的对数成正比。所以，由所测得的Eh可求得所需的 DO值。 好氧性微生物在 Eh 值为 +0.1伏以上均可生长，以 Eh 等于+0.3～+0.4伏时为适。厌氧微生物只能在Eh值 小于+0.1伏以下生长。兼性厌氧微生物在 +0.1伏以 上或以下均能生长。 厌氧型：如产甲烷菌；好氧型：如霉菌；兼性厌氧 型：如酵母。

第4章 微生物反应动力学

第4章 微生物反应动力学

重点
CO2生成速率 (4 − 3) RQ = O2消耗速率
4.2.1 细胞反应过程中的质量衡算
[例题4-2]
乙醇为基质，好氧培养酵母，反应方程式为
C 2 H 5OH + aO2 + bNH 3 → c (CH 1.75 N 0.15 O0.5 ) + dCO 2 + eH 2O
呼吸商RQ=0.6。求各系数a,b,c,d,e
4.1.2 微生物的化学组成
从化学上看，微生物菌体的80%左右是水分。 由微生物细胞的元素分析可知，细胞中元素(除碳、氧、氮 和氢外)的含量，一般以磷、钾为多。其次是钙、镁、硫、 钠、氯、铁、锌、硅等，另外，还含有微量的铝、铜、锰、 钴等。在微生物培养中，这些元素必须保证供应。
4.1.3 生长特性
【解】根据元素平衡式 ( 4 − 2 )有 C : 2 = c + d (1) H : 6 + 3b = 1 .75 c + 2 e ( 2 ) O : 1 + 2 a = 0 . 5 c + 2 d + e ( 3) N : b = 0 .15 c ( 4 ) 已知 RQ = 0 .6, 即 d = 0 .6 a (5) 用(1) ~ (5)式联立求解 a = 2 .394 , b = 0 .085 , c = 0 .564 , d = 1 .436， e = 2 .634 所以，反应式为 C 2 H 5 OH + 2 .394 O 2 + 0 .085 NH 3 → 0 .564 (CH 1.75 N 0.15 O0.5 ) + 1 .436 CO 2 + 2 .634 H 2 O
σc 细胞生产量 × 细胞含碳量 Yc = ( 4 − 21 ) ＝Y x / s ⋅ σS 基质消耗量 × 基质含碳量

微生物反应动力学

微生物反应动力学

4 微生物反应动力学教学基本内容：微生物反应的特点；微生物反应的质量衡算，包括碳素衡算、碳源衡算、氧衡算；微生物反应的能量衡算。

微生物反应动力学，包括生长动力学、基质消耗动力学和产物生成动力学4.1 微生物反应的特点4.2 微生物反应过程的质量与能量衡算4.2.1 碳素衡算4.2.2 碳源衡算4.2.3 氧衡算4.2.3 能量衡算4.3 微生物反应动力学4.3.1 生长动力学4.3.2 基质消耗动力学4.3.3 产物生成动力学授课重点：1. 微生物反应与酶促反应的比较。

2. 微生物反应式及微生物反应平衡式的概念。

3. 菌体实验化学式的概念与测定方法。

4. 微生物反应中的动力学变量。

5. 微生物反应的得率系数的概念。

6. 微生物反应的维持常数的概念。

7. 碳素衡算。

8. 碳源衡算。

9. 氧衡算。

10. 能量衡算。

11. 莫诺方程。

12. 产物的Gaden模型。

难点：1. 微生物反应涉及到的动力学变量和参数远多于酶促反应。

2．微生物反应过程中碳源衡算、氧衡算和能量衡算间的关系。

3. 自由能消耗对菌体得率Y KJ的计算。

本章主要教学要求：1. 理解微生物反应与酶促反应的区别。

2. 掌握菌体实验化学式的测定方法。

3. 掌握微生物反应式中系数的确定方法。

4. 掌握微生物反应中动力学变量及参数的数学定义。

5. 理解碳素衡算式。

6. 理解碳源衡算式。

7 理解氧衡算式。

8. 理解碳源衡算与氧衡算、能量衡算之间的内在联系。

9. 掌握有效电子转移的概念，掌握Y KJ的计算方法。

10. 了解生长模型的分类。

11. 理解莫诺方程与米氏方程的区别。

掌握莫诺方程中动力学参数的测定方法。

12. 理解产物的Gaden模型。

4 微生物反应动力学19世纪生物学家巴斯德坚持由糖变为酒精的发酵过程是由细胞产生的，而毕希纳却发现磨碎了的酵母仍能使糖发酵产生酒精，认为发酵是由活细胞产生的非生命物质引起的，称为酶。

可见微生物反应与酶促反应在催化作用的实质看是一致的。

4 微生物反应动力学(2)

4 微生物反应动力学(2)

4.2.2 产物生成动力学 发酵产物是非常多样的，其动力学远比菌体生长动力学复杂，不可能得到一个统一 的象莫诺模型那样的产物生成动力学。 Gaden 根据产物生成速率与菌体生成速率之间的关系，将其分成三种类型。 1、相关模型：产物生成与菌体生长呈相关的过程，即：
dP dX =B dt dt
或： π = Bμ
生长限制基质 氧 氧 氧 葡萄糖
KS (mg/L)
μmax (h-1)
0.032 0.224 0.45 34.2 167.4 28.8-59.4 118-194 154.8 514.0 20.9 3.96
0.44 0.35 0.51 0.54 0.65 0.13 0.10 0.125 0.10
s≤720mg/L s≥720mg/L
木酶 sp 曲酶 sp 大肠杆菌 葡萄糖 纤维二糖 葡萄糖 半乳糖 乳糖 甘露糖
可见，典型的 KS 值均很小，这就预示着，只有采用极为灵敏、准确的测定基质、菌 体浓度的方法，才能通过测定分批培养的初速度反应动力学来测定 KS。
4.2.1.4 其他生长模型 许多学者发现，有些情况下 Monod 方程并不完全符合微生物的生长规律。例如，由 于初始浓度过高而造成的细胞生长过快的细胞反应，可采取下述方程：
（2）确定论的结构模型，每个细胞之间无差别，细胞内部有多个组分存在。 （3）概率论的非结构模型，不考虑细胞内部结构，每个细胞之间有差别。 （4）概率论的结构模型，考虑细胞内部结构，每个细胞之间有差别。 从工程角度看，理想的微生物生长模型应具备下列 4 个条件： （1）要明确建立模型的目的。 （2）明确地给出建立模型的假定条件，这样才能明确模型的适用范围。 （3）希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定。 （4）模型应尽可能简单。 目前，常使用确定论的非结构模型是 Monod 方程。 4.2.1.3 莫诺方程（Monod 方程）

第四章 微生物发酵动力学1

第四章 微生物发酵动力学1

3 连续过程的物料衡算
• 生物工程许多过程包括多个单元设备，各 单元设备由物流或能量联系起来。 • 单元设备的联系模式可分为： • 单元设备的串联 • 单元设备的并联（包括物流的旁路） • 循流的循环
单元设备的串联：
• 串联的特点：物流为单一方向。 • 串联的三种方式 • 分离设备与分离设备的串联：沉淀罐与板框过滤 ，浓缩和结晶罐均属此类。 • 反应器与反应器的串联：如种子罐与发酵罐，属 反应器之间的串联。 • 分离器和反应器串联：发酵罐与沉淀槽的串联。 • 物料衡算时，常采用逐步计算法。即按次序对每 个单元设备的物料进行计算。
• ln(N2/N1)=μt
菌体的比生长速率
• 基质的比消耗速率
• 氧的比消耗速率 • 产物的比生产速率
1 dS QS X dt
QO2 1 dO2 X dt
1 dP QP X dt
1 dCO2 X dt
• 二氧化碳的比生产速率 QCO 比速率单位：s-1
2
基质的比消耗速率
• 前提：基质或氧只用于菌体生长情况下。
思考题
• 基质比耗速率和产物比生成速率之间的关 系？ • 菌体比生长速率和产物比生成速率之间的 关系？ • 怎样得到动力学方程式？
第三节
物料平衡
• 物料平衡：不同层次
• • • • •
培养过程的化学计量关系（精确） 碳(氮）平衡 电子当量平衡 氧平衡 工厂设计时的物料平衡
• 比生长速率的定义式：
1 dX X dt
• 单位质量的菌体，在单位时间内所增加的 菌体量称为菌体比生长速率。它是表征微 生物生长速率的一个参数，也是发酵动力 学中的一个重要参数。 • 比生长速率比菌体浓度变化速率（dX/dt） 更本质地反映了微生物生长的快慢。

微生物反应动力学

微生物反应动力学

•6500万年前 恐龙突然灭迹,小型脊椎动物和哺乳动物得以繁衍;
•600∼700万能前 古猿人与古人类分离;
•50万年前
周口店北京直立人出现;
•30-10万年前 非洲智人出现（Nature,03.06.12);
•2万年前
周口店山顶洞人(Homo sapiens)出现;
•公元前221
秦始皇统一中国(至今才百代);
基质 （碳源）
细胞
产物
•方法： 用数学模型定量地描述生物反应过程中细 胞生长速率、基质利用速率和产物生成速 率等因素变化，达到对反应过程有效控制。
已发展出好几种动力学模型，我们介绍一 种“发酵过程动力学分型”。
·课程的叙述方法：
一、微生物发酵过程分型 二、分批培养动力学
1. 细胞生长动力学 2. 基质消耗动力学 3. 产物生成动力学 三、连续培养动力学 1.单级连续培养动力学 2.多级串联连续培养动力学 3.细胞循环使用单级连续培养动力学 四、连续培养的实施
• 目的：
微生物工程的基本任务是高效地利用 微生物所具有的内在生产力，以较低的 能耗和物耗最大限度地生产生物产品， 因此必须对微生物反应的整个过程实现 有效的控制。微生物动力学为这一目的 提供了部分理论依据。
•内容：
微生物反应动力学是研究生物反应速度 的规律，即细胞生长速率、基质利用速 率和产物生成速率的变化规律。
菌高碳峰产 。
1.细菌生长类型(指终产物就是菌
体源物 生利形
体本身); 如酵母、蘑菇菌丝、苏 云金杆菌等的培养。
长 用成
细菌产量/碳源消耗—“产量常数”
、、
2.代谢产物类型；指产物积累与
同时出
菌体增长相平行，并与碳源消耗
现高峰

第四章微生物反应动力学

第四章微生物反应动力学

习题与答案2．简要回答微生物反应与酶促反应的最主要区别？答：微生物反应与酶促反应的最主要区别在于，微生物反应是自催化反应，而酶促反应不是。

此外，二者还有以下区别：（1）酶促反应由于其专一性，没有或少有副产物，有利于提取操作，对于微生物反应而言，基质不可能全部转化为目的产物，副产物的产生不可避免，给后期的提取和精制带来困难，这正是造成目前发酵行业下游操作复杂的原因之一。

（2）对于微生物反应，除产生产物外，菌体自身也可是一种产物，如果其富含维生素或蛋白质或酶等有用产物时，可用于提取这些物质。

（3）与微生物反应相比，酶促反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制。

微生物反应是利用活的生物体进行目的产物的生产，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞因素的影响，并且微生物会发生遗传变异，因此，实际控制有一定难度。

（4）酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应相比，在经济上有时并不理想。

4．Monod 方程建立的几点假设是什么？Monod 方程与米氏方程主要区别是什么？ 答：Monod 方程建立的基本假设：微生物生长中，生长培养基中只有一种物质的浓度（其他组分过量）会影响其生长速率，这种物质被称为限制性基质，并且认为微生物为均衡生长且为简单的单一反应。

Monod 方程与米氏方程的主要区别如下表所示： Monod 方程与米氏方程的区别Monod 方程：SK SS +=m ax μμ 米氏方程：SK Sr r m +=m ax经验方程理论推导的机理方程 方程中各项含义： μ：生长比速(h -1)μmax ：最大生长比速(h -1) S: 单一限制性底物浓度(mol/L) K S :半饱和常数(mol/L) 方程中各项含义： r ：反应速率(mol/L.h) r max ：最大反应速率(mol/L.h) S ：底物浓度(mol/L) K m ：米氏常数(mol/L)适用于单一限制性基质、无抑制 的微生物反应。

微生物反应动力学

微生物反应动力学

4 微生物反应动力学教学基本内容：微生物反应的特点；微生物反应的质量衡算，包括碳素衡算、碳源衡算、氧衡算；微生物反应的能量衡算。

微生物反应动力学，包括生长动力学、基质消耗动力学和产物生成动力学4.1 微生物反应的特点4.2 微生物反应过程的质量与能量衡算4.2.1 碳素衡算4.2.2 碳源衡算4.2.3 氧衡算4.2.3 能量衡算4.3 微生物反应动力学4.3.1 生长动力学4.3.2 基质消耗动力学4.3.3 产物生成动力学授课重点：1. 微生物反应与酶促反应的比较。

2. 微生物反应式及微生物反应平衡式的概念。

3. 菌体实验化学式的概念与测定方法。

4. 微生物反应中的动力学变量。

5. 微生物反应的得率系数的概念。

6. 微生物反应的维持常数的概念。

7. 碳素衡算。

8. 碳源衡算。

9. 氧衡算。

10. 能量衡算。

11. 莫诺方程。

12. 产物的Gaden模型。

难点：1. 微生物反应涉及到的动力学变量和参数远多于酶促反应。

2．微生物反应过程中碳源衡算、氧衡算和能量衡算间的关系。

3. 自由能消耗对菌体得率Y KJ的计算。

本章主要教学要求：1. 理解微生物反应与酶促反应的区别。

2. 掌握菌体实验化学式的测定方法。

3. 掌握微生物反应式中系数的确定方法。

4. 掌握微生物反应中动力学变量及参数的数学定义。

5. 理解碳素衡算式。

6. 理解碳源衡算式。

7 理解氧衡算式。

8. 理解碳源衡算与氧衡算、能量衡算之间的内在联系。

9. 掌握有效电子转移的概念，掌握Y KJ的计算方法。

10. 了解生长模型的分类。

11. 理解莫诺方程与米氏方程的区别。

掌握莫诺方程中动力学参数的测定方法。

12. 理解产物的Gaden模型。

4 微生物反应动力学19世纪生物学家巴斯德坚持由糖变为酒精的发酵过程是由细胞产生的，而毕希纳却发现磨碎了的酵母仍能使糖发酵产生酒精，认为发酵是由活细胞产生的非生命物质引起的，称为酶。

可见微生物反应与酶促反应在催化作用的实质看是一致的。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

4.1 基本概念
4.1.1 微生物的分类和命名
微生物(microorganism)是对那些肉眼不能直接观察到的、微小的，但具有 生命并能够繁殖的生物的通称。 微生物根据其不同的进化水平和性状上的明显差别可分为： 原核微生物，真核微生物和非细胞微生物三大类群。 原核微生物主要有六类：细、放、支、立、衣、蓝。 真核微生物：真菌，显微藻类，原生动物 酵母菌、丝状真菌－霉菌、大型真菌
由(4 − 4)式与例题4 − 2中数据，有 C2 H 5OH + 2.394O2 + 0.085NH3 → 0.564(CH1.75 N0.15O0.5 ) + 1.436CO2 + 2.634H 2O 0.564⋅ (1×12 + 1.75×1 + 0.15×14 + 0.5 ×16) Yx / s = 2 ×12 + 6 ×1 + 1×16 0.564× 23.85 = = 0.292( Kg / Kg)(以细胞/ 乙醇计) 46 0.564× 菌体的分子质量 0.564× 23.85 Yx / o = ＝ 2.394× 氧的分子质量 2.394× 32 ＝0.176( Kg / Kg)(以细胞/ 氧计)
第四章 细胞反应过程动力学
4.2 细胞反应过程的质量和能量衡算
4.2.1 细胞反应过程的质量衡算 4.2.2 细胞反应过程的得率系数 4.2.3 细胞反应过程的能量衡算
第四章 细胞反应过程动力学
4.3 细胞生长的非结构动力学
4.3.1 细胞生长动力学的描述方法 4.3.2 分批培养时细胞生长动力学 4.3.3 无抑制的细胞生长动力学 4.3.4 有抑制的细胞生成动力学
[例题]4-4
求例题4-2中酵母细胞（CH 1.75 N 0.15 O 0.5）培养的Y x/s和Y x/o [例题4-2] 乙醇为基质，好氧培养酵母，反应方程式为
C 2 H 5OH + aO2 + bNH 3 → c (CH 1.75 N 0.15 O0.5 ) + dCO 2 + eH 2O
呼吸商RQ=0.6。求各系数a,b,c,d,e
4.1. 基质不可能全部转化成目的产物，副产物的产生不可避免。 2. 产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响。 并且，菌体会发生遗传变异。因此，实际控制有一定难度。 3. 生产前的准备工作量大，且花费高；相对化学反应器而言效 率低。
4.1.6 细胞反应的主要特征
4.1.5 细胞反应的特点
优点：
1. 细胞反应是生物化学反应，通常是在常温常压下进行； 2. 细胞的生长速率快，微生物的代谢产率较高。 3. 原料多为农产品，来源丰富。 4. 易于生产复杂的高分子化合物和光学活性物质。 5. 除生产产物外，菌体自身也可是一种产物。 6. 微生物反应是自催化(autocatalytic)反应。
[例题4-3]
葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行酵母厌氧培养。培养中 分析结果表明，消耗100mol葡萄糖和12molNH3生成了57mol 菌体、43mol甘油、130mol乙醇、154molCO2和3.6molH2O,求 酵母的经验分子式。
【解】由题意写出相应 的反应方程式为 100 C 6 H 12 O6 + 12 NH 3 → 57 C w H x N y O z + 43C 3 H 5 ( OH )3 + 154 CO 2 + 130 C 2 H 5OH + 3.6 H 2O 各元素平衡式为 C : 600 = 57 w + 43 × 3 + 154 + 130 × 2，则 w = 1 H : 1200 + 12 × 3 = 57 x + 43 × 8＋130 × 6＋3.6 × 2，则 x = 1.84 N : 12 = 57 y , 则 y = 0.21 O : 600 = 57 z + 43 × 3 + 154 × 2 + 130 + 3.6 , 则 z = 0.52 由以上结果可知，酵母 细胞的化学结构为 CH 1.84 N 0.21O0.52。
由于微生物种类各异，不同微生物的生长特性也有很大差别。 细菌以分裂方式进行繁殖。 酵母菌的生长方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂(如同菌丝生长）三 种。 霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。 病毒能在活细胞内繁殖，但不能在一般培养基中繁殖。 藻类含有丰富的脂肪和蛋白质，在其培养中，需要足够的光、 必需的无机盐及适量的CO2 。 原生动物细胞的分裂形式多是沿纵轴一分为二， 一个世代时间大约为10h.
【解】根据元素平衡式 ( 4 − 2 )有 C : 2 = c + d (1) H : 6 + 3b = 1 .75 c + 2 e ( 2 ) O : 1 + 2 a = 0 . 5 c + 2 d + e ( 3) N : b = 0 .15 c ( 4 ) 已知 RQ = 0 .6, 即 d = 0 .6 a (5) 用(1) ~ (5)式联立求解 a = 2 .394 , b = 0 .085 , c = 0 .564 , d = 1 .436， e = 2 .634 所以，反应式为 C 2 H 5 OH + 2 .394 O 2 + 0 .085 NH 3 → 0 .564 (CH 1.75 N 0.15 O0.5 ) + 1 .436 CO 2 + 2 .634 H 2 O
4.2.2 细胞反应过程的得率系数
得率系数：对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量 评价的重要参数。消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或 称生长得率Yx/s(cell yield或growth yield)。其定义式：
Yx / s 生成细胞的质量 ∆X ( 4 − 4) = = 消耗基质的质量 − ∆S
4.2.2 细胞反应过程的得率系数
当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一 部分被同化(assimilate or anabolism)为细胞的组成成分，其余部 分被异化(dissimilate or catabolism)分解为CO2和代谢产物。如果 从碳源到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率Yc可由 下式表示：
细胞得率的单位是(以细胞/基质计)g/g 某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率(或瞬时细胞得率),其 定义式为：
Yx / s = r dX dX / dt = x (= )( 4 − 5 ) dC S rs dC S / dt 式中： rx — 微生物细胞的生长速率 rs — 基质的消耗速率
4.2.2 细胞反应过程的得率系数
第四章 细胞反应过程动力学
4.1 基本概念 4.2 细胞反应过程中的质量和能量衡算 4.3 细胞生长的非结构动力学 4.4 基质消耗与产物生成动力学
第四章 细胞反应过程动力学
4.1 基本概念
4.1.1 微生物的分类与命名 4.1.2 微生物的化学组成 4.1.3 生长特性 4.1.4 影响微生物反应的环境因素 4.1.5 细胞反应的特点
4.2.1 细胞反应过程中的质量衡算
CHmOn＋aO2＋bNH3
c CHαOβNδ ＋dCHxOyNz＋eH2O+fCO2
(4-7)
式中：CH m On — 碳源的元素组成 CHα Oβ N δ — 细胞的元素组成 CH x O y N z — 产物的元素组成 对各元素做元素平衡，得到如下方程式： C :1 = c + d + f H : m + 3b = cα + dx + 2e O : n + 2a = cβ + dy + e + 2 f N : b = cδ + dz 方程( 4 − 1 )中有a , b , c , d , e和f这6个未知数，需6个方程才能解。
4.1.4 影响微生物反应的环境因素
(1) 营养物质：碳源、氮源、无机元素、微量营养元素或生长因子 (2) 温度：影响微生物生长和繁殖的最重要的因素之一。 (3) 溶解氧与氧化还原电位： 氧在溶解状态下被微生物利用的，当溶解氧浓度较低时， 氧电极无法检测。此时，可以培养基的氧化还原电位Eh作为定 量表示厌氧程度的方法： 此外，PH低时氧化还原电位高；PH高时氧化还原电位低。当 PH一定时，溶氧水溶液的Eh与溶解氧浓度(DO)的对数成正比。 (4) 湿度：微生物固态培养的重要参数。
4.1.2 微生物的化学组成
从化学上看，微生物菌体的80%左右是水分。 由微生物细胞的元素分析可知，细胞中元素(除碳、氧、氮 和氢外)的含量，一般以磷、钾为多。其次是钙、镁、硫、 钠、氯、铁、锌、硅等，另外，还含有微量的铝、铜、锰、 钴等。在微生物培养中，这些元素必须保证供应。
4.1.3 生长特性
σc 细胞生产量 × 细胞含碳量 Yc = ( 4 − 21 ) ＝Y x / s ⋅ σS 基质消耗量 × 基质含碳量
式中： σ c 和σ S — 单位质量细胞和单位质 量基质中所含碳元素量 。 Yc 值一般小于1，为0.4 ~ 0.9。
由于YC仅考虑机制与细胞的共同项-碳，可以认 为比YX/S更合理。
4.2.1 细胞反应过程中的质量衡算
配平细胞反应方程式时，一部分系数是由实验测得的，另 一部分系数需计算获得。一般基质和产物的分子式是已知的。 细胞的元素组成可通过元素分析方法测定。 通过测定 O2 的消耗速率与CO2的生成速率来确定好氧培 养中评价细胞生物代谢机理的重要指标之一呼吸商： (respiratory quotient,RQ)
[例题4-1]
葡萄糖为基质进行面包酵母(S.cerevisiae)培养，培养的反应 式可用下式表达，求计量关系中的系数a,b,c,d.
C 6 H 12 O6 + 3O 2 + aNH 3 → bC 6 H 10 NO 3 (面包酵母 ) + cH 2 O + dCO 2