第四章 微生物反應

1、第四章 微生物反應動力學 酶反應與微生物反應的區(qū)別 得率系數(shù) 比生長速率 微生物生長動力學方程 底物的消耗速率 產(chǎn)物的生成速率 產(chǎn)熱速率 微生物反應動力學的實驗測定4.1 酶反應與微生物反應的區(qū)別 作為催化劑，酶在反應過程中總量不變，而微生物的量在不斷增加，即微生物反應是自催化反應 酶反應是分子水平的，而微生物反應是包括分子與細胞，細胞與細胞之間的復雜的反應 微生物反應過程的本質(zhì)是復雜的酶反應體系，細胞內(nèi)所進行的所有的合成與分解反應均是酶所催化的。4.2 微生物反應的得率系數(shù) 即Yi/j，是對細胞消耗底物并將其轉(zhuǎn)化成細胞自身和目的產(chǎn)物的能力進行評價的一個參數(shù)。 對底物的菌體得率 對底物的理論菌

2、體得率對底物的產(chǎn)物得率對菌體的產(chǎn)物得率SXMMYSXSX/GXSXSXMMY生/*SPMMYSPSP/XPMMYXPXP/4.2 比速率 微生物生長的絕對速率可表示為 同樣其底物的消耗速率可表示為 產(chǎn)物的生成速率為 比生長速率 底物比消耗速率 產(chǎn)物比生成速率dtdXrxdtdSrsdtdPrpXrX1sSrXq1pPrXq14.3 微生物生長的動力學 微生物生長的特點 微生物生長模型的簡化 微生物生長的動力學模型4.3.1 微生物生長的特點 微生物的細胞小，數(shù)量多。 微生物生長的各個時期，微生物形態(tài)、性質(zhì)均各不相同， 微生物的細胞組成成分會因培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)時間而異 微生物反應體系為多相體系。

3、4.3.2 微生物生長模型的簡化 不考慮每個微生物之間的差別，取其性質(zhì)上的平均值而建立的模型為確定論模型（概率論模型） 考慮細胞組成變化的基礎上建立的模型稱為結(jié)構(gòu)模型（非結(jié)構(gòu)模型） 細胞生長過程中各種成分按相同比例增加為均衡生長模型（非均衡生長模型） 菌體均勻分布在培養(yǎng)基中，稱為均一化模型（分離化模型）4.3.3 微生物生長的動力學 Monod 方程 有底物抑制微生物生長動力學 有產(chǎn)物抑制的微生物生長動力學 有維持代謝的微生物生長動力學 邏輯方程 其他模型1、 Monod 方程 三點假設 方程 動力學參數(shù)三點假設 細胞生長為均衡生長，描述菌體生長的唯一變量就是細胞的濃度g（cell干重/L）

4、培養(yǎng)基中有多種成分，只有一種成分對微生物的生長起到限制作用（稱為限制性基質(zhì)） 菌體生長為單一反應，YX/S是常數(shù)。Monod 方程 根據(jù)三點假設，在大量實驗的基礎上，Monod推導出其中，max為微生物的最大比生長速率，max越大，表明微生物的生長速率越快其值的大小與細胞體內(nèi)所包含的信息量有關(guān)，細胞內(nèi)包含的信量越大，生長速率越慢。而Ks沒有物理意義，只是一個很小的濃度單位，稱為飽和常數(shù)，此值越小，越表明在低濃度條件下，微生物越能快速利用底物進行生長。SKSsmax2、 有底物抑制的微生物反應動力學 當?shù)孜餄舛容^高時，此時微生物比生長速率與限制性底物濃度之間關(guān)系：此時微生物反應存在一最佳底物濃度

5、即SIsKSSKS2maxSIsoptKKS3、有產(chǎn)物抑制時 細胞生長時，某些代謝產(chǎn)物濃度較高時，也會抑制微生物的生長，如酵母厭氧產(chǎn)生乙醇時，酒精濃度高于5%時，會抑制酵母的生長。 其中Pmax為反應過程中所允許的最大產(chǎn)物濃度。SKSPPsn)1 (maxmax4、 考慮維持代謝時 實驗中發(fā)現(xiàn)，當?shù)孜餄舛鹊陀谀骋粩?shù)值以下時，細胞停止生長，但底物仍在消耗，這部分底物用于維持代謝 根據(jù)=0得到能觀察到菌體生長的最小底物濃度bSKSsxmabbKSsmaxmin5、邏輯方程 在某一特定環(huán)境下，應有一最大細胞濃度Xmax，該濃度與基質(zhì)濃度有關(guān)，也叫Verhurst方程。由實驗確定、，其中maxmax)

6、1 (XKXXK)1 (maxXXKXdtdX型曲線是典型的，時，當積分得，當，給定邊界條件：當SXXKeXXeXXXXttXXttKtKmaxmax00)1 (1006、其他方程 C. Tessier(1942) H. Hoser(1958) 藤本(1963) 雙底物exp1 )/(maxsKS2211max21SKSSKSss優(yōu)先利用模型：22max11max21SKSSKSss同時利用模型：SXKSsmaxnsnSKSmax4.4 微生物在分批培養(yǎng)時特點 延尺期 = 0 對數(shù)生長期 減速期 平衡期 衰亡期maxXrX1tXXmax0lnSKSsmaxXSKSXrsXmax0)(XkrdX

7、XkrdX4.5 底物消耗速率 通式，根據(jù) 得到1、當?shù)孜锵闹挥糜诰w生長與維持能時，或者是產(chǎn)物是能量代謝的直接結(jié)果SXSXrrSXY/XYrYrSXXSXS/11XmrYrSXSXS/*1tVMtVMtVMMMMRSRSRSSSS維生維生）（）（)(XSXSSXSXMYMMMY*1*/生生)/(是環(huán)境因子的函數(shù)消耗的底物，單位時間內(nèi)因維持代謝（單位質(zhì)量的干細胞在底物為維持系數(shù)：，維hgcellgmtVXmMsRsSXmdtdXYdtdStVtVXmtVMYtsSXRRsRXSX*1*1S/SXsSXSsXSXSYmYqXmrYr/1*1*1sSXSXsSXSXmYYmYY*1,*11/或*

8、/SXsSXsSXsYmYmYm、求得特定環(huán)境下的減少，且可以通過實驗增加時，當均是環(huán)境因子的函數(shù)，和2、當產(chǎn)物的生成需要額外消耗底物時，底物的消耗用于生長、維持和代謝產(chǎn)物的生成即3、對于微生物的耗氧量可以通過測定反應器中的供氣和排氣的含氧量來計算，也可以通過生化計量學來推算，也可以從燃燒反應的衡量關(guān)系中得到：PSPSXSXSrYXmrYr/*11耗氧量底物燃燒耗氧量菌體燃燒耗氧量產(chǎn)物燃燒耗氧量燒需氧量單位質(zhì)量的產(chǎn)物完全燃其經(jīng)驗值為的需氧量，和燒生成單位質(zhì)量菌體完全燃的需氧量和燃燒生成單位質(zhì)量的底物完全CgcellgOOHCOBOHCOAPCXBSAO/33. 1)(222222)1(1111

9、1)(/2/22222XPSXXXOXOXOOXPSXXOCYBYArYXrYXrXqYCBYAXPCBXSAXOY表示為單位質(zhì)量菌體的需氧量例題 以葡萄糖為碳源，固氮菌進行好氧發(fā)酵，結(jié)果如下表所示，已知底物完全燃燒時需氧量為A=6mol氧氣/mol葡萄糖，菌體完全燃燒需氧量為B=0.042mol氧氣/g菌體，求 1）由實驗數(shù)據(jù)求維持系數(shù)ms、mO2及菌體得率YX/S、Y*X/O2 2）根據(jù)公式，從ms、YX/S求Y*X/O2、mO26.701.10.229.801.40.3112.11.60.3520.02.10.4924.62.40.5030.02.70.5335.03.40.74)(1h

10、)/(22hgcellmolOqO)/(hgcellmolGLuqS)/(6 . 0)/(15. 0/7 .13/6511) 122*/*/*2/*/22222hgcellmolOmhgcellmolGlummolOgcellYmolGlugcellYqqmYqmYqOsOXSXOSOOXOsSXS從斜率和截距求得作圖，及因此根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，以及根據(jù)解：)1(11,11)1(1)1(11,1, 0)1()2*/*/*/*2/*2/*/2222222222BYAYAmmmYqmABYAABmYAqmYqABAqqBqAqYqCYCBYAqOXSXOssSXSOOXOOXSOOXOOSOSSXSXP

11、SXO述關(guān)系：兩式相比較，應存在下又產(chǎn)物生成，則如果只有菌體生成而無根據(jù)2*/*/*/2/8 .1965042. 0665)/(9 . 015. 0622molOgcellBYAYYhgcellmolOmAmSXSXOXsO4.6 產(chǎn)物生成速率 產(chǎn)物的生成速率與比生成速率之間存在有 其中 與微生物的濃度無關(guān)，是表征細胞合成代謝產(chǎn)物能力大小的參數(shù)，可以用來篩選優(yōu)良菌株。呼吸熵： 常用于基本停止生長的休眠細胞或靜止期細胞的呼吸生理研究XqrPPPq222222OCOOCOqqrrOCORQ胞內(nèi)產(chǎn)物的生成速率 相關(guān)模型 部分相關(guān)模型 非相關(guān)模型XXPPrYr/XrrXPXrP胞外產(chǎn)物的生成速率對于胞

12、外產(chǎn)物，P與X之間沒有一個明確的通用關(guān)系式，一般將qP歸納為的某種函數(shù)形式如微生物反應合成酶。作為通式可采用二次函數(shù)的形式乳糖等化為梨糖醇轉(zhuǎn)方程，符合此方程的山稱為成過程。一些胞外代謝產(chǎn)物的生地適用面的線性函數(shù)能較發(fā)好稱為伴隨生長型，如下CBAqDPiretLeudekingBAqqPPP2 此外，某些次級代謝產(chǎn)物的合成，應考慮到每個細胞的化學組成及代謝活性等。如Shu認為不同菌齡的細胞相應的生化活性各異，可用菌齡的多項式函數(shù)來表示總的生化活性。 Blanch和Rodgers認為在生產(chǎn)短桿菌肽S的培養(yǎng)液中存在未成熟和成熟的細菌，從而提出底物消耗速率與新生的未成熟的細菌的生長速率與正比，而短桿菌

13、肽S的生成速率與成熟細菌的生長速率成正比。4.7 產(chǎn)熱速率 微生物反應是放熱反應，儲存于碳源中的能量，在好氧反應中有40-50%的能量轉(zhuǎn)化為ATP，其他的以熱量的形式被排放到環(huán)境中，由于微生物反應對溫度的變化極為敏感，因而進行微生物反應時，必須注意溫度的控制。其產(chǎn)熱速率與細胞濃度之間滿足XmqYYXqrHVPHVPHVXHVHV)11(/4.8 微生物動力學的實驗測定 目的 反應器 方法4.8.1 目的 確定反應速率與反應物濃度之間的函數(shù)關(guān)系，即確立速率方程的基本形式 估算動力學參數(shù) 確定動力學參數(shù)與反應條件之間的關(guān)系4.8.2 實驗反應器 積分反應器：混合均勻的間歇操作的反應器 微分反應器：

14、混合均勻的連續(xù)操作的反應器 二者區(qū)別為底物在反應器中的轉(zhuǎn)化率4.8.3 動力學參數(shù)的估算方法積分法：將所假設的動力學方程進行積分并線性化處理，將實驗數(shù)據(jù)代入作圖，若是直線，則假設正確，據(jù)圖求得相應參數(shù)，否則重新假設。微分法：根據(jù)不同實驗條件下測得的反應速率，直接由速率方程估算數(shù)值。)1(),1(11101nntKSSSKdtdSnnnSnKrKSrSnSlnlnln例題1在間歇操作槽式反應器培養(yǎng)利用乳糖培養(yǎng)細菌，若菌體生長符合Monod方程，試根據(jù)下列數(shù)據(jù)求取動力學參數(shù)。序號10.5413715.523.020.3611423.030.030.339030.038.840.354338.848

15、.550.372948.558.360.38958.361.370.37261.362.5)/(LgX)/(LgS)(st解：因為BSTR在整個培養(yǎng)過程中沒有物料的加入和取出，是一恒容體系，因此可用雙倒數(shù)作圖法求得根據(jù)實驗，在一很短的時間間隔內(nèi)，XdtdXrXmaxmaxmax11SKrXSKSXrsXsXtXrXsK和maxmaxmax11SKrXsX7.519.37.313.891.397.026.58.819.441.368.834.411.126.671.299.743.623.327.711.589.853.434.526.492.023.059.8111.17.897.581.261.95003.2418.12根據(jù)上式對所給數(shù)據(jù)進行處理得3101SXX1tXrX1max74. 0,/3 .301sLgKMonodSrXsX并根據(jù)直線求得方程細菌的生長符合作圖，得一直線，表明以例題2某一發(fā)酵過程是在CSTR中進行，假設其發(fā)酵反應可表示成X +S X + P，若已知反應器的有效體積為1L，且X00，P00，現(xiàn)改變加入反應器內(nèi)底物的流量和濃度，同時測定反應器出口未反應底物和細菌濃度，得到下列數(shù)據(jù)，試確定其反應速率方程。V0 (L/h)S0 (mmol/L)S (mmol/L)X (