7 微生物生化反应的质量和能量衡算

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1、§微生物生化反应的质量和能量衡算 一、基本内容微生物反应过程的特点1.微生物微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行。2.反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂，因而在微生物生长的同时往往还伴随着生成代谢产物反应。3.微生物反应还受到众多外界环境因素的影响。如果只对微生物反应过程做概念性描述，可表示为：营养物质（碳源、氮源、氧及无机盐）＝新微生物细胞+代谢产物+二氧化碳此式不是计量关系式。在生物工业中，有些行业，如酵母生产，只要求菌体的产生，不希望产生其他产物；乙醇工业中，由于是厌氧反应，因此，氧和水项等于零。另一些行业，如氨基酸、酶制剂、抗生素和有机酸等生产，上式各

2、项都不能少。质量和能量衡算在工程上的意义通过质量和能量衡算，可以了解反应物和生成物之间定量关系，反应过程需要消耗和释放多少能量。通过反应过程衡算式有已知量可以求出未知量。所以它是研究反应过程的一个有效手段，对解决工程问题特别有用。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，忽略其他元素，可用下式表示微生物反应：CHmOn+aO2+bNH3=cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH2O+fCO2CHmOn------碳源的元素组成；CHxOyNz------细胞的元素组成；CHuOvNw-------产物的元素组成；下标mnuvwx

3、yz-----与一个碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数。评价微生物生物代谢机能的重要指标-----呼吸商（respiratoryquotient,RQ)RQ=CO2生成速率/O2消耗速率例：乙醇为基质，耗氧培养酵母，反应方程为：C2H5OH+aO2+bNH3=c(CH1.75N0.15O0.5)+dCO2+eH2O呼吸商RQ=0.6。求各系数a、b、c、d、e解：C:2=c+dH:6+3b=1.75c+2eO:1+2a=0.5c+2d+eN:b=0.15已知RQ=0.6即d=0.6a联立求解a=2.394b=0.085c=0.564d=1.436e=2.634反应式：C2H5OH+2

4、.394O2+0.085NH3=0.564(CH1.75N0.15O0.5)+1.436CO2+2.634H2O微生物反应过程中营养物质和产物之间的碳素衡算根据大量实验和微生物成分元素分析说明，在相同微生物不同培养条件和限制性基质情况下，微生物细胞的元素组成有些差别，但差别不大，因此可以看作相对稳定。根据培养基中营养物质（S），菌体（X），产物（P）和二氧化碳中含碳元素的数量可以写出微生物反应过程碳元素的衡算式：(-dS/dt)α1=(dX/dt)α2+(dCO2/dt)α3+(dP/dt)α4να1=μα2+QCO2α3+QPα4ν-----营养物质的消耗比速，ν=(1/X)(-

5、dS/dt)(mol/g.h)μ-----微生物菌体生长比速，μ=(1/X)(dX/dt)(h-1)QCO2----二氧化碳生成比速，QCO2=(1/X)(dCO2/dt)(mol/g.h)QP-----代谢产物生成比速，QP=(1/X)(dP/dt)(mol/g.h)α1-------每摩尔基质中碳的含量(g/mol),葡萄糖α1=72α2--------每克干菌体中碳的含量(g/g),一般α1=0.5α3--------每摩尔二氧化碳碳的含量（g/mol),α3=12α4--------每摩尔产物内碳的含量（g/mol），对乙醇α4=24，对醋酸α4=24，对乳酸α4=36等。

6、微生物反应过程中主要基质---碳源的衡算大部分的发酵过程中都是以糖作为碳源。在微生物中碳源主要消耗于：（1）满足于微生物菌体生长的需要，可用(ΔS)G表示。（2）维持微生物生存的消耗（如菌体的运动和营养物质的摄取和代谢产物排泄等主动运输的耗能，可用(ΔS)m（3）生成代谢产物的消耗，可用(ΔS)P则有-ΔS=(-ΔS)G+(-ΔS)m+(-ΔS)P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。①菌体得率(细胞得率）=YX/S=ΔX/(-ΔS)=(dX/dt)/(-dS/dt)=dX/(-dS)单位为g/g或g/mol②相应代谢产物得率：YP/S=dP/(-d

7、S)③菌体理论得率:YG=(生成菌体的量)/(用于同化为菌体碳源消耗)=dX/(-dS)G④代谢产物理论得率YP=(生成产物的量)/(用于异化产物的碳源消耗)=dX/(-dS)G⑤YATP：消耗1molATP所获得的干菌数g/mol⑥Ykj:消耗1kJ热量所获得的干菌数g/kJ⑦YX/O:消耗1g氧所获得的干菌数g/g⑧Yave-:消耗一个有效电子所获得的干菌克数Ykj=Yave-/109.0109.0-----------为氧化一个有效电子所伴随的焓变。有效电子数：