第四章 微生物反应动力学(简)

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1、第四章微生物反应动力学学习目的：¾掌握微生物反应过程中的计量学和能量衡算基本方法；¾明确微生物反应过程的得率系数概念；¾掌握Monod方程、细胞生长、基质消耗和产物生成动力学及其应用；1第四章微生物反应动力学4.1微生物反应过程中的质量和能量衡算4.2微生物反应动力学24.1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4.1.2微生物反应过程的得率系数4.1.3微生物反应过程的能量衡算34.1微生物反应过程中的质量和能量衡算4.1.1微生物反应过程中的质量衡算碳源＋氮源＋氧＝菌体＋有机产物

2、＋CO2＋H2O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。如果碳源由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。44.1.1微生物反应过程中的质量衡算CHmOn＋aO2＋bNH3cCHxOyNz＋dCHuOvNw＋eH2O+fCO2(4-1)（4－2)4-25[例题4-1]4.1.1微生物反应过程中的质量衡算配平微生物反应方程式时，一部分系数是由实验测得的

3、，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。微生物细胞的元素组成可通过元素分析方法测定。另外，通过测定O的消耗速率与CO的生成速率来确定好氧培养中22评价微生物生物代谢机理的重要指标之一呼吸商：(respiratoryquotient,RQ)CO生成速率2RQ=（4－4）O消耗速率2[例题4-24-3]64.1.2微生物反应过程的得率系数发酵过程反应速度的描述XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）ds基质的消耗速度：r=−(g.L-1.s-1)sdt1ds基质的消耗比速：γ=−⋅(h-1、s-1

4、)Xdt单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念7反应过程中的得率∑培养过程的反应可用以下简式表示：C源＋N源＋O→菌体＋产物＋CO＋HO222(-ΔS)+(-ΔN)+(-ΔO)→ΔX+ΔP+ΔCO+ΔHO222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。8（1）基于底物的细胞得率YX/S碳源得率系数：每消耗1g底物所形成的菌体克数，即：克菌体/克底物；菌体量一般指干燥的菌体量；ΔXrxY=−=−XSΔSrsdxdsr=细胞生长

5、速率rs=底物消耗速率xdtdt9Y可随C源等发生变化X/S同一菌种，同一培养基，好氧培养的Yx/s比厌氧培养的大得多(表4-2)。另外同一菌株在基本、合成和复合培养基中培养所得Yx/s大小顺序为复合培养基、合成培养基、基本培养基。10(2)基于碳的细胞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(assimilateoranabolism)为细胞的组成成分，其余部分被异化(dissimilateorcatabolism)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

6、关的细胞得率Yc可由下式表示：细胞生产量×细胞含碳量XCYC=＝YXS⋅（4－7）基质消耗量×基质含碳量SC式中：X和S——单位质量细胞和单位质量基质中所含碳元素量。CCY值一般小于1，为0.4-0.9。C方程式（4－1）中的系数c实际就是Y。C[例题]4-411（3）基于有效电子数的细胞得率系数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

7、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：－ΔXYave＝3(4-8−)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－Y=727.g/mol，葡萄糖的有效电子数为24ave/mol，所以产气X/S－−杆菌的Yave＝72/7.24≈3g/ave。12（4）基于ATP的细胞得率ΔXY=ATPΔATP微生物反应中可以用Y表示微生物对能量的利用情况，即KJΔXΔX(细胞生产量）YKJ==3(4-

8、9−)9ΔEEa(细胞储存的自由能）+Eb(分解代谢所释放的自有能）式中：E—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Eb；X—细胞生产量。表3−4汇集了部分得率系数。其中Y与COD（化学需氧量)X/SY=K⋅COD3(−10)X/S式中，K为比例常数（以细胞/氧计，单位为g/g）−YaveY=3(−11)KJ1090.式中1090.为氧化一个有效电子所伴随的焓变。13（5