生物反应工程生物工程反应

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1、生物工程反应姜梅2010.10第3章微生物反应动力学本章的重点①细胞反应过程计量学有关概念及计算；②Monod方程的意义及计算；本章的难点：①Monod与米氏方程相同点与不同点；②基质消耗动力学。微生物培养的特点A.优点：微生物常能分泌或诱导分泌有用的生物化学物质，容易筛选出分泌型突变株，微生物的生长速率快，微生物的代谢产物的产率较高等。微生物反应是生物化学反应，通常是在常温，常压下进行，并且同一设备可生产多种产物；原料来源丰富；易于生产复杂的高分子化合物和旋光性物质；除产生反应产物外，菌体自身也可是产物，可能成为富含维生素，蛋白质和酶等的有用产物；通过菌种改良，有可能使

2、同一生产设备的生产能力大大提高。B.缺点底物不可能全部转化成目的产物，副产物的产生不可避免。这样，目的产物的提取与精制就很困难，这正是造成目前发酵行业下游操作落后的原因之一。微生物反应是利用活的生物体进行目的产物生产的反应，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响，并且微生物菌体易发生遗传变异，因此，实际控制相当困难。原料是农副产品，所以受价格变动影响大。生产前的准备工作(开发新菌种，扩大培养等)量大，且花费高，相对化学反应器而言，反应器效率低。对于好氧反应，因为要通氧，故增加了费用，且氧的利用率不高。具有较高的BOD值，需进行处理。3.1细胞反应过程计量

3、学——含细胞的体系作为暗箱3.1.1微生物反应过程的质量平衡假设：A.物质平均分子式：CHXOYNZB.基质：有机碳源：CHmOn无机氮源：NH3C.产物：完全反应：CO2、H2O不完全反应（厌氧或兼氧）：CHUOVNW（胞外）D.电子受体分子态氧（O2）E：细胞的一碳反应摩尔质量定义为含有1mol碳原子的细胞质量。方程：碳源+氧+氮源=菌体+有机化合物+CO2+H2OCHmOn+aO2+bNH3=cCHXOYNZ+dCHUOVNW+eH2O+fCO2原则：A.平均分子式：B.元素：C、N、H、O平衡C.呼吸商:原则D.还原度：（胞外产物的反应，质子-电子平衡）该组分中每

4、1mol碳原子的有效电子数当量数。有效电子数：1mol碳源完全氧化时，所需氧的摩尔数的4倍,如：C6O12H6的摩尔数6×4=24（6molO2）a.C=4，H=1，N=-3，O=-2，P=5，S=6O2=-4b.NH3、H2O、CO2为零.CHmOn+aO2+bNH3=cCHxOyNz+dCHUOVNW+eH2O+fCO2细胞X：rX=4+x-2y-3z基质S：rS=4+m-2n产物P：rP=4+u-2v-3w质量平衡：rS-4a=crX+drPa=2.394b=0.085c=0.564d=1.436e=2.6341[例2]推断分子式3.1.2细胞反应过程的得率系数得

5、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。最常用的几种得率系数有下述几种：细胞得率或生长得率YX/S对元素的细胞得率YC、YX/O对能量的细胞得率Y-ave、YKJ、YATP细胞得率或生长得率YX/SYX/S（细胞/基质：g/g、g/mol)微分细胞得率①同一菌种，同一培养基，好氧培养的YX/S比厌氧培的大得多；②同一菌株在基本、合成和复合培养基中培养所得YX/S的大小顺序为复合培养基、合成培养基和基本培养基。③不同碳源培养基，YX/S不同几种微生物的菌体得率宏观得率与理论得率当细胞生长的同时，还伴有其他反应如代谢产物的生成时，则所消耗的基质一部分用于细胞

6、的生长，一部分用于生成代谢产物。ΔS=ΔSG（生长）+ΔSR（产物）宏观得率理论得率Y*X/S＞YX/S对元素的细胞得率YC、YX/OYC——碳同化细胞的过程的转化效率。YC小于1，为0.4~0.9XC、SC——单位质量细胞和单位基质中所含的碳元素量YX/O[例3]求例题2中酵母细胞(CH1.75N0.15O0.15)的YX/S和YX/O。解：由细胞得率定于及例2，有对能量的细胞得率Y-ave、YKJ、YATPY-ave：基质完全氧化失去1mol有效电子时的细胞得率。（g/g、g/mol）YATP：消耗1molATP所获的干菌体克数。（g/mol）YKJ：1KJ基质燃烧热

7、产生细胞干重得率.（g/KJ）YKJ=Y-ave/109.0部分菌体得率与产物得率[例4][例4]3.2细胞生长的非结构动力学3.2.1细胞反应过程主要特征细胞是反应过程的主体细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同酶本身不能进行再生产；细胞自己能进行再生产；在细胞反应过程中细胞的形态、组成、活性都处在一动态变化过程。3.2.2环境对细胞生长的影响细胞种类和来源外环境营养物质的种类和浓度环境的pH、温度、剪切力等温度温度pH细菌：6.5-8.0霉菌和酵母：4-6渗透压好盐细菌：30%NaCl