生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)培訓(xùn)課件

生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.1微生物的基本概念2生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.1.1微生物的分類與命名什么是微生物？微生物（Microorganism，microbe）是對那些肉眼不能直接觀察到、微小的、但能維持生命并繁殖的生物的通稱，包括細(xì)菌、放線菌、真菌、藻類和原生動物等。3生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.1.1.1微生物的分類根據(jù)微生物分類學(xué)分類：界（Kingdom）、門（Phylum）、綱（Class）、目（Order）、科（Family）、屬（Genus）、種（Species）。種以下有變種（Variety）、型（Form）、品系（Strain）等。根據(jù)微生物不同的進化水平和性狀上的明顯差別可分為：原核微生物：細(xì)菌、放線菌等；真核微生物：霉菌、酵母菌等；非細(xì)胞微生物：病毒、亞病毒。4生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)細(xì)菌細(xì)菌是一類細(xì)胞細(xì)短、結(jié)構(gòu)簡單、胞壁堅韌、多以二分裂方式繁殖和水生性較強的原核生物。5生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)放線菌放線菌是一類主要呈菌絲狀生長和以孢子繁殖的陸生性較強的原核生物。6生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)酵母菌酵母菌是一個通俗名稱，一般泛指能發(fā)酵糖類的各種單細(xì)胞真菌。它在酒類釀造中不可缺少。7生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)霉菌霉菌是絲狀真菌的一個俗稱，意即“會引起物品霉變的真菌”，通常指那些菌絲體較發(fā)達又不產(chǎn)生大型肉質(zhì)子實體結(jié)構(gòu)的真菌。8生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)病毒病毒是一類由核酸和蛋白質(zhì)等少數(shù)幾種成分組成的超顯微“非細(xì)胞生物”，其本質(zhì)是一種只含DNA或RNA的遺傳因子，它們能以感染態(tài)和非感染態(tài)存在。煙草花葉病毒噬菌體（DNA病毒）9生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.1.1.2微生物的命名命名方法：“雙名法”——屬名+種名屬名：大寫字母開頭，是拉丁詞的名詞，用以描述微生物的主要特征；種名：小寫字母打頭，是一個拉丁詞的形容詞，用以描述微生物的次要特征。例如：Staphylococcusaureus屬名：葡萄球菌種名：金黃色所以學(xué)名全稱是“金黃色葡萄球菌”。10生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.1.2微生物的化學(xué)組成微生物菌體由微生物細(xì)胞的元素分析可知，細(xì)胞中元素（除碳、氧、氮和氫外）的含量，一般以磷、鉀為多，其次是鈣、鎂、硫、鈉、氯、鐵、鋅、硅等。水分（80%左右）干物質(zhì)蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、核酸、維生素和無機物等。11生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.1.3微生物的生長特性由于微生物各類各異，不同微生物的生長特性亦有很大差別。細(xì)菌以分裂方式進行繁殖；酵母菌以出芽繁殖、裂殖和芽裂（如同菌絲生長）三種方式；霉菌的生長特性是菌絲伸長和分枝；病毒能在活細(xì)胞內(nèi)繁殖，但不能在一般培養(yǎng)基中繁殖；12生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.2微生物反應(yīng)的基本概念13生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.2.1微生物反應(yīng)的概念及其優(yōu)缺點微生物反應(yīng)是指以微生物細(xì)胞為反應(yīng)主體的一類生物反應(yīng)過程。優(yōu)點：反應(yīng)條件溫和；原料豐富——多為農(nóng)副產(chǎn)品；易于生產(chǎn)高分子化合物及光學(xué)活性物質(zhì)；除了合成的產(chǎn)物外，細(xì)胞也是一種產(chǎn)物；菌種可以改良。14生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.2.1微生物反應(yīng)的概念及其優(yōu)缺點微生物反應(yīng)的缺點：基質(zhì)轉(zhuǎn)化不完成，副產(chǎn)物的產(chǎn)生；產(chǎn)物的獲得受環(huán)境因素和細(xì)胞內(nèi)因素的雙重影響；因原料為農(nóng)副產(chǎn)品，價格波動大；生產(chǎn)前準(zhǔn)備工作量大，花費高；廢水的BOD值較高，需處理后排放。15生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.2.2影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素一、營養(yǎng)物質(zhì)主要包括：碳源、氮源、無機元素、微量營養(yǎng)素或生長因子等。定義：是指可構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳架來源的營養(yǎng)物質(zhì)。作用：是構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)和供給能量。舉例：糖類、淀粉、油脂等。特例：光能自養(yǎng)微生物是利用光為能源，二氧化碳為主要碳源。碳源16生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)定義：主要是提供合成原生質(zhì)和細(xì)胞其它結(jié)構(gòu)的原料，一般不提供能量。舉例：硫氨、尿素、豆餅和玉米漿等。3.2.2影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素氮源功能：構(gòu)成細(xì)胞的組成成分；作為酶的組成成分；維持酶的作用；調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、氫離子濃度和氧化還原電位等。大量：磷、硫、鎂、鐵、鉀、鈣等微量：錳，鈷，銅，鋅等。無機元素17生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)作用：維持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。舉例：維生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。3.2.2影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素生長因子18生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.2.2影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素二、溫度溫度影響微生物生長和繁殖的最重要的因素之一。19生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.2.2影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素三、溶解氧與氧化還原電位Eh根據(jù)微生物對氧需求性的不同，可將微生物分為：厭氧型微生物：如產(chǎn)甲烷菌。好氧型微生物：如霉菌。兼性厭氧型微生物：如酵母。溶解氧：溶解在水中的分子態(tài)氧。20生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.2.2影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素三、溶解氧與氧化還原電位Eh厭氧型微生物：<+0.1伏；好氧型微生物：>+0.1伏，+0.3~+0.4為宜；兼性厭氧型微生物：均可。當(dāng)溶解氧濃度低，溶氧電極無法檢出時，可以培養(yǎng)基的氧化還原電位Eh作為定量表示厭氧程度的方法。21生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.2.2影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素四、pH微酸性（pH5-6)：酵母、霉菌等；中性或微堿性：細(xì)菌、放線菌等；極端pH（<2或>10）：少數(shù)極端微生物。不同微生物有其最適生長的pH值范圍。22生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.2.2影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素五、濕度細(xì)菌：0.9-0.99；大多數(shù)酵母：0.8-0.9；真菌及少數(shù)酵母：0.6-0.7。濕度主要針對固態(tài)培養(yǎng)而言。通常以水活度表示。水活度=濕料飽和蒸汽壓相同溫度下純水飽和蒸汽壓各類微生物生長水活度范圍：23生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.2.2影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素六、其他因素滲透壓、壓力等。24生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.3微生物反應(yīng)過程的計量學(xué)和能量衡算25生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.3.1微生物反應(yīng)過程計量學(xué)微生物反應(yīng)可寫成如下形式：為了表示出微生物反應(yīng)過程中各物質(zhì)和各組分之間的數(shù)量關(guān)系，最常用的方法是對各元素進行原子衡算。式中：CHmOn

-碳源元素組成；CHxOyNz-細(xì)胞元素組成

CHuOvNw

-產(chǎn)物元素組成。忽略了微量元素P、S和灰分等。26生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)對各元素做元素平衡，得到如下方程組：方程中有a、b、c、d、e和f六個未知數(shù)，需六個方程才能解。3.3.1微生物反應(yīng)過程計量學(xué)27生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.3.1微生物反應(yīng)過程計量學(xué)呼吸商：通過測定O2的消耗速率與CO2的生成速率來確定。是好氧培養(yǎng)中評價微生物生物代謝機能的重要指標(biāo)之一。呼吸商（RQ），其定義式為：28生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)例：某以葡萄糖為底物的微生物細(xì)胞培養(yǎng)過程，有2/3的碳轉(zhuǎn)化為細(xì)胞。其細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)方程為C6H12O6+aNH3+bO2=cC4.4H7.3O1.2N0.86+dH2O+eCO2

葡萄糖微生物細(xì)胞（1）試確定計量系數(shù)a、b、c、d、e；（2）試計算呼吸商RQ。3.3.1微生物反應(yīng)過程計量學(xué)29生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)解：（1）細(xì)胞反應(yīng)的方程式系數(shù)的計算根據(jù)題意2/3葡萄糖轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞的C元素為：

則有：轉(zhuǎn)化為CO2的C元素為：

30生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)則：對N元素平衡，有：對H元素平衡，有：

31生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)對O元素平衡，有：

所以：

a=0.782，b=1.473，c=0.909，d=3.855，e=232生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)（2）呼吸商RQ的計算33生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.3.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)單位：g細(xì)胞/g基質(zhì)消耗1g基質(zhì)生成細(xì)胞的克數(shù)稱為細(xì)胞得率或生長的得率YX/S，其定義為：得率系數(shù)：是對碳源等物質(zhì)生成細(xì)胞或其他產(chǎn)物的潛力進行定量評價的重要參數(shù)。3.3.2.1基于基質(zhì)的細(xì)胞得率34生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.3.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)某一瞬間的細(xì)胞得率稱為微分細(xì)胞得率（或瞬時細(xì)胞得率）式中：rx是微生物細(xì)胞的生長速率；rs是基質(zhì)的消耗速率。同一菌種，同一培養(yǎng)基，好氧培養(yǎng)的Yx/s比厭氧培養(yǎng)的大的多。35生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)得率定義及單位消耗1g或1mol基質(zhì)所得的干菌體克數(shù)，g/g或g/mol

消耗1molATP所獲的干菌體克數(shù)，g/mol消耗1kJ熱量所獲得的干菌體克數(shù)，g/kJ消耗1g氧所獲得的干菌體克數(shù)，g/g消耗一個有效電子所獲得的干菌體克數(shù)，g/ave-消耗1molNO3-所獲得的干菌體克數(shù)，g/mol1mol氫受體所產(chǎn)生的干菌體克數(shù)，g/mol消耗1g氮所獲得的干菌體克數(shù)，g/g

消耗1mol基質(zhì)所產(chǎn)生二氧化碳的摩爾數(shù)，mol/mol消耗1mol氧所產(chǎn)生二氧化碳的摩爾數(shù)，mol/mol部分菌體得率與產(chǎn)物得率36生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)例1：某以葡萄糖為底物的微生物細(xì)胞培養(yǎng)過程，有2/3的碳轉(zhuǎn)化為細(xì)胞。其細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)方程為C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO2

試計算其底物對細(xì)胞的得率YX/S

。3.3.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)37生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)例2.葡萄糖為碳源進行釀酒酵母培養(yǎng)，呼吸商為1.04，氨為氮源。消耗100mol葡萄糖和48mol氨，生成菌體48mol、二氧化碳312mol和水432mol。求氧的消耗量和酵母菌體的化學(xué)組成。38生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)例3.在啤酒酵母的生長試驗中，消耗了0.2kg葡萄糖和0.0672kgO2，生成0.0746kg酵母細(xì)胞和0.121kgCO2,請寫出該反應(yīng)的質(zhì)量平衡式，并計算酵母得率YX/S和呼吸商QR。39生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)當(dāng)基質(zhì)為碳源，無論是好氧培養(yǎng)還是厭氧培養(yǎng)，碳源的一部分被同化為細(xì)胞的組成成分，其余部分被異化分解為CO2和代謝產(chǎn)物。與碳元素相關(guān)的細(xì)胞得率Yc可由下式表示式中Xc和Sc分別為單位質(zhì)量細(xì)胞和單位質(zhì)量基質(zhì)中所含碳元素量。Yc值一般小于1，為0.4—0.9。3.3.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)3.3.2.2基于碳的細(xì)胞得率40生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)微生物反應(yīng)的特點之一是通過呼吸鏈（電子傳遞）氧化磷酸化生成ATP。在氧化過程中，可通過有效電子數(shù)來推算碳源的能量。當(dāng)1mol碳源完全氧化時，所需要氧的mol數(shù)的4倍稱為該基質(zhì)的有效電子數(shù)。定義式：3.3.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)3.3.2.3基于有效電子數(shù)的細(xì)胞得率41生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)該細(xì)胞得率表示微生物細(xì)胞與所釋放的熱量相關(guān)聯(lián)。定義式：3.3.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)3.3.2.4基于能量的細(xì)胞得率式中：E——消耗的總能量；X——細(xì)胞生產(chǎn)量；Ea可采用干細(xì)胞的燃燒熱計算；Eb可采用所消耗的碳源和代謝產(chǎn)物各自的燃燒熱之差計算。多數(shù)微生物在好氧培養(yǎng)時的YKJ值為0.028g細(xì)胞/kJ，在厭氧培養(yǎng)時YKJ的平均值為0.031g細(xì)胞/kJ。對于光能自養(yǎng)型微生物，如藻類的YKJ約等于0.002g細(xì)胞/kJ。42生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)以基質(zhì)異化代謝產(chǎn)生ATP為基準(zhǔn)生成的細(xì)胞量的細(xì)胞得率YATP的定義式：3.3.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)3.3.2.5基于ATP的細(xì)胞得率43生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.3.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)3.3.2.5其它的細(xì)胞得率44生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)例4.乙醇為基質(zhì)好氧培養(yǎng)酵母，反應(yīng)式為：C2H5OH+0.085NH3+2.394O2→0.564(CH1.75N0.15O0.5)+2.634H2O+1.436CO2

求YX/S、YX/O、YC、Yave-。45生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)1mol乙醇完全燃燒需要的氧為3mol，有效電子數(shù)為12。46生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.3.3微生物反應(yīng)過程中的能量衡算微生物反應(yīng)是放熱反應(yīng)。儲存于碳源中能源，在好氧反應(yīng)中約有40%～50%的能量轉(zhuǎn)化為ATP，其余能量作為熱量排放。能量衡算的必要性：基質(zhì)分解所產(chǎn)生的能量及其消耗途徑維持能（不用于細(xì)胞合成）①合成反應(yīng)②維持細(xì)胞的活性③保持細(xì)胞內(nèi)外的濃度梯度④用于細(xì)胞內(nèi)各類轉(zhuǎn)化反應(yīng)ATP⑤熱能（釋放到環(huán)境）47生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.3.3微生物反應(yīng)過程中的能量衡算葡萄糖、酒精和乳酸完全燃燒時，1mol葡萄糖在酒精發(fā)酵或乳酸發(fā)酵中產(chǎn)生的反應(yīng)熱分別為136kJ和197kJ。

酒精發(fā)酵：2871kJ-136kJ=2735kJ[=1368(酒精燃燒熱)×2]轉(zhuǎn)移到酒精中保留。

乳酸發(fā)酵：2871kJ-197kJ=2674kJ[=1337(乳酸燃燒熱)×2]轉(zhuǎn)移到乳酸中保留。例：以葡萄糖為營養(yǎng)源，發(fā)酵生產(chǎn)酒精或乳酸48生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.3.3微生物反應(yīng)過程中的能量衡算能量利用率：好氧發(fā)酵：1mol葡萄糖產(chǎn)生38molATP；31×38/2871=41%厭氧發(fā)酵：1mol葡萄糖產(chǎn)生2molATP31×2/2871=2.2%厭氧培養(yǎng)中YATP約為10.5g細(xì)胞/molATP;好氧培養(yǎng)中YATP為6～29g細(xì)胞/molATP。49生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)利用YkJ表示為生物反應(yīng)過程對能量利用，有：式中：—

以菌體X的燃燒熱為基準(zhǔn)的焓變，

—

所消耗基質(zhì)的焓變與代謝產(chǎn)物的焓變之差，其由下式給出：其中：—

碳源氧化的焓變，kJ/mol；

—

產(chǎn)物氧化的焓變，

kJ/mol。3.3.3微生物反應(yīng)過程中的能量衡算50生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.3.3微生物反應(yīng)過程中的能量衡算同除：得：51生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)例5：干酪乳桿菌在蛋白胨、牛肉膏為主要成分的復(fù)合培養(yǎng)基中，分別以葡萄糖和甘露醇為能源厭氧培養(yǎng)，結(jié)果如下表，試計算YkJ。能源YP/S(mol/mol)以產(chǎn)物/基質(zhì)計YX/S(g/mol)(以細(xì)胞/基質(zhì)計)乳酸乙酸乙醇甲醇葡萄糖0.051.050.941.7662.0甘露糖0.40.221.291.640.5由化工手冊可知：△H葡萄糖=-2816kJ/mol,△Ha=-22.15kJ/g,△H乳酸=-1363kJ/mol,△H乙酸=-870kJ/mol,△H乙醇=-1368kJ/mol,△H甲醇=-264kJ/mol,△H甘露醇=-3038kJ/mol52生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)以葡萄糖作為能源時：=1363×0.05+870×1.05+1368×0.94+264×1.76=2732(kJ/mol)所以：

6222.15

×62+2816-2732

＝0.043(g/kJ)

＝53生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)以甘露醇作為能源時：

=2925(kJ/mol)＝0.041(g/kJ)54生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)當(dāng)采用葡萄糖為唯一碳源的基本培養(yǎng)基進行微生物的好氧培養(yǎng)時，葡萄糖既作為能源，又作為構(gòu)成細(xì)胞的材料。反應(yīng)過程可表示為厭氧培養(yǎng)中，P62頁。3.3.3微生物反應(yīng)過程中的能量衡算55生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)一般規(guī)律：能量生長偶聯(lián)型生長YkJ值較大，能量利用率較高；能量生長非偶聯(lián)型生長YkJ值較小，能量利用率較低。3.3.3微生物反應(yīng)過程中的能量衡算能量生長非偶聯(lián)型：缺少合成菌體的材料或存在生長抑制物質(zhì)，這時的生長取決于合成菌體材料的供應(yīng)或合成反應(yīng)的進程。在微生物生長過程中，依靠ATP中高能鍵釋放的能量將菌體構(gòu)成材料合成細(xì)胞高分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、DNA、RNA、脂類以及多糖的需要。能量生長偶聯(lián)型：有大量合成菌體材料存在時，微生物生長取決于ATP的供能。56生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)熱(代謝熱、發(fā)酵熱)反應(yīng)熱△Hh是由培養(yǎng)基生成菌體△x和代謝產(chǎn)物△P的反應(yīng)過程中形成，故可由下式計算：

3.3.3微生物反應(yīng)過程中的能量衡算微生物反應(yīng)中不可避免地要產(chǎn)生熱，這種熱稱為反應(yīng)熱或代謝熱。57生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)例6：葡萄糖為唯一碳源進行酵母培養(yǎng)，反應(yīng)式為1.11C6H12O6+2.10O2C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O求(1)YX/S;(2)生成1kg細(xì)胞量時的△Hh。已知酵母細(xì)胞和葡萄糖的燃燒熱分別為1.50×104kJ/kg和1.59×104kJ/kg。58生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)解：YX/S=酵母細(xì)胞分子質(zhì)量1.11×葡萄糖分子質(zhì)量=84.58/199.8=0.42(kg/kg)每生成1kg(1/84.58=0.0118mol)酵母細(xì)胞，要消耗葡萄糖1.11×0.0118=0.0131mol，0.0131×180=2.36(kg)，所以，=1.59×104×2.36-1.50×104=2.25×104(kJ)59生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)例7：釀酒酵母在復(fù)合培養(yǎng)基中以葡萄糖為能源厭氧培養(yǎng)，反應(yīng)平衡式為：C6H12O6+1.002O2+0.284NH31.670CH1.83O0.50N0.17+1.065C2H6O+2.196CO2+1.65H2O求(1)YX/S

、YkJ、Yave-

(2)生成1kg細(xì)胞量時的△Hh。已知酵母細(xì)胞、C6H12O6、C2H6O的燃燒熱分別為22.93kJ/mol、2815kJ/mol、1366.1kJ/mol。60生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4微生物反應(yīng)動力學(xué)61生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)目的：在細(xì)胞水平上，通過對細(xì)胞生長、底物消耗、產(chǎn)物合成等動力學(xué)特性進行定量描述，反映微生物生長、代謝的規(guī)律，為微生物反應(yīng)過程優(yōu)化與控制、反應(yīng)過程設(shè)計研究提供依據(jù)。主要研究方法：在生物反應(yīng)計量學(xué)的基礎(chǔ)上，圍繞微生物過程的速率問題，通過構(gòu)建模型對細(xì)胞生長、底物消耗和產(chǎn)物生成的定量化分析進行討論。微生物反應(yīng)動力學(xué)研究的目的及主要方法62生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)微生物反應(yīng)具有如下的特點：微生物細(xì)胞是反應(yīng)過程的主體；微生物反應(yīng)的本質(zhì)是復(fù)雜的酶催化反應(yīng)體系；微生物反應(yīng)與酶催化反應(yīng)有著明顯的不同。

3.4.1細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)模型微生物反應(yīng)是指以微生物細(xì)胞為反應(yīng)主體的一類生物反應(yīng)過程。63生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.1.1動力學(xué)模型的簡化細(xì)胞的生長、繁殖和代謝是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程。胞內(nèi)的反應(yīng)胞內(nèi)與胞外物質(zhì)的交換胞外物質(zhì)的傳遞與反應(yīng)特點：多相、多組分和非線性。因此，對這樣一個復(fù)雜的體系進行精確的描述幾乎是不可能的。為了工程上的應(yīng)用，首先要進行合理的簡化，在簡化的基礎(chǔ)上建立過程的物理模型，再據(jù)此推出數(shù)學(xué)模型。64生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.1.1動力學(xué)模型的簡化簡化的主要內(nèi)容：第一，細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)是對細(xì)胞群體的動力學(xué)行為的描述，而不是對單一細(xì)胞進行描述。第二，是否考慮細(xì)胞個體之間的差異。第三，是否考慮細(xì)胞內(nèi)的組成結(jié)構(gòu)。第四，是否將細(xì)胞作為與培養(yǎng)液分離的生物相處理。確定論：不考慮細(xì)胞之間的差別，取其性質(zhì)的平均值；概率論：考慮每個細(xì)胞之間的差別。結(jié)構(gòu)模型：考慮細(xì)胞組成變化的基礎(chǔ)上建立的模型，它可以從機制上描述細(xì)胞的動態(tài)行為；非結(jié)構(gòu)模型：將細(xì)胞視為單組分，忽略環(huán)境的變化對細(xì)胞組成的影響。分離化模型：細(xì)胞與培養(yǎng)液相分離；均一化模型：將細(xì)胞一培養(yǎng)液視為一相。65生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)結(jié)構(gòu)模型動力學(xué)模型的簡化細(xì)胞間無差異，各細(xì)胞均一；細(xì)胞由多組分組成各細(xì)胞生長不均一；不考慮細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)。平均細(xì)胞的近似平均細(xì)胞的近似均衡生長均衡生長非結(jié)構(gòu)模型最理想的情況：不考慮細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)；細(xì)胞間無差異，各細(xì)胞均一；細(xì)胞群體作為一種溶質(zhì)。實際情況：細(xì)胞由多組分組成；各細(xì)胞生長不均一；概率論模型

確定論模型

66生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.1.2細(xì)胞生長過程的速率與比速率

①細(xì)胞生長速率式中CX——細(xì)胞濃度，（g/L）

t——時間，（h）細(xì)胞濃度通常用單位體積的培養(yǎng)液中的細(xì)胞（或菌體）的干重表示。細(xì)胞濃度一般用質(zhì)量單位表示，很難用摩爾單位表示。

速率：單位時間、單位反應(yīng)體積某一組分的變化量。67生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)②底物消耗速率式中CS——底物濃度，（g/L）或（mol/L）③氧消耗速率

式中CO——單位體積的培養(yǎng)液中O2的消耗量，（g/L）或（mol/L）3.4.1.2細(xì)胞生長過程的速率與比速率68生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)④產(chǎn)物生成速率

式中CP——產(chǎn)物濃度，（g/L）或（mol/L）⑤CO2生成速率式中CCO2——單位體積的培養(yǎng)液中CO2生成量，（g/L）或（mol/L）3.4.1.2細(xì)胞生長過程的速率與比速率69生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)⑥熱量的生成速率

式中CH——單位體積的培養(yǎng)液中熱量的生成量，（kJ/L）3.4.1.2細(xì)胞生長過程的速率與比速率70生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.1.2細(xì)胞生長過程的速率與比速率比速率：以單位濃度細(xì)胞（或單位質(zhì)量菌體）為基準(zhǔn)而表示的各個組分變化速率。在細(xì)胞反應(yīng)中主要的反應(yīng)的比速率有：①細(xì)胞的比生長速率（1/h）μ：表示單位細(xì)胞濃度為基礎(chǔ)的細(xì)胞增殖速率，例如每克菌體在1h內(nèi)菌體質(zhì)量增加的克數(shù)。μ并非常數(shù)，遺傳因素是μ大小的決定因素，越是高等生物，μ越小。71生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)

②底物的比消耗速率

（1/h）或（mol/g·h）

③氧的比消耗速率

（1/h）或（mol/g·h）

④產(chǎn)物的比生成速率

（1/h）或（mol/g·h）3.4.1.2細(xì)胞生長過程的速率與比速率72生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)⑤CO2的比生成速率

（1/h）或（mol/g·h）⑥熱量的比生成速率

（kJ/g·h）3.4.1.2細(xì)胞生長過程的速率與比速率73生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.2微生物生長動力學(xué)分批培養(yǎng)：在封閉系統(tǒng)中對微生物進行的培養(yǎng)，既不補充營養(yǎng)物質(zhì)也不移去培養(yǎng)物質(zhì)，保持整個培養(yǎng)液體積不變的培養(yǎng)方式。分批培養(yǎng)的生長曲線5個生長時期：遲滯期對數(shù)生長期減速生長期穩(wěn)定生長期衰亡期74生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)①遲滯期菌種接入新的環(huán)境中即進入遲滯期。

微生物細(xì)胞培養(yǎng)在遲滯生長期內(nèi)的生長速率為

微生物細(xì)胞培養(yǎng)在遲滯生長期內(nèi)的比生長速率為

3.4.2微生物生長動力學(xué)75生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)②對數(shù)生長期

在對數(shù)生長期內(nèi)的微生物細(xì)胞的生長速率為以t=0，CX=CX0，t=t，CX=CX為邊界條件對上式積分，有3.4.2微生物生長動力學(xué)76生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)

倍增時間定義：細(xì)胞數(shù)量（質(zhì)量）增大1倍所需要的時間，用td表示。3.4.2微生物生長動力學(xué)

根據(jù)得到77生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)

③減速生長期

由對數(shù)生長期到穩(wěn)定生長期的過渡，是由于一種或多種營養(yǎng)物質(zhì)的完全消耗或由于有害物質(zhì)的積累導(dǎo)致。

式中kd——細(xì)胞的比死亡速率則

3.4.2微生物生長動力學(xué)78生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)

④

穩(wěn)定生長期穩(wěn)定期微生物細(xì)胞的生長和微生物細(xì)胞的死亡是平衡的。即3.4.2微生物生長動力學(xué)穩(wěn)定生長期的活細(xì)菌數(shù)量最高并維持穩(wěn)定，初級代謝產(chǎn)物減少，次級代謝產(chǎn)物開始產(chǎn)生（如抗生素）。79生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)⑤衰亡期

營養(yǎng)物質(zhì)耗盡和有毒代謝產(chǎn)物的大量積累，細(xì)菌死亡速率逐步增加和活細(xì)菌逐漸減少，標(biāo)志細(xì)菌的群體生長進入衰亡期。

即

3.4.2微生物生長動力學(xué)80生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)1942年Monod在歸納大量的試驗的基礎(chǔ)上提出細(xì)胞的比生長速率與限制性底物濃度的關(guān)系為式中

max——細(xì)胞的最大比生長速率，（1/h）

KS——飽和常數(shù)，（g/L）或（mol/L）KS的意義：為微生物細(xì)胞的比生長速率達到最大比生長速率的1/2時的底物濃度。

3.4.3細(xì)胞生長的Monod方程81生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.3細(xì)胞生長的Monod方程Monod方程的基本假設(shè)：第一，細(xì)胞生長為均衡式生長，因此描述細(xì)胞生長的惟一變量是細(xì)胞濃度。第二，培養(yǎng)基中只有一種生長限制性底物，而其它組分過量，不影響細(xì)胞生長。第三，細(xì)胞的生長視為簡單的單一反應(yīng)，細(xì)胞得率為一常數(shù)。因此，Monod方程僅適用于細(xì)胞生長較慢和細(xì)胞密度較低的環(huán)境下，只有這樣，細(xì)胞的生長才能與底物濃度呈簡單關(guān)系。82生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.3細(xì)胞生長的Monod方程

當(dāng)?shù)孜餄舛菴S遠(yuǎn)小于飽和常數(shù)KS時，Monod方程可簡化為此時的細(xì)胞生長速率為關(guān)于底物濃度的一級動力學(xué)關(guān)系討論：83生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.3細(xì)胞生長的Monod方程討論：

當(dāng)?shù)孜餄舛菴S遠(yuǎn)大于飽和常數(shù)KS時，Monod方程可簡化為

此時的細(xì)胞生長速率為關(guān)于底物濃度的零級動力學(xué)關(guān)系84生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)Monod方程參數(shù)估計對Monod方程參數(shù)估計可用Lineweaver-Burk法、Hanes-Woolf法、Eadie-Hofstee法及積分法等確定。（1）Lineweaver-Burk法（簡稱L-B法）對Monod方程式取倒數(shù)，得到

3.4.3細(xì)胞生長的Monod方程

（2）Hanes-Woolf法（簡稱H-W法）對L-B法式子的等式兩端同乘CS

，此種方法減少了CS值過大或過小所帶來的測量誤差。

85生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)Monod方程參數(shù)估計3.4.3細(xì)胞生長的Monod方程

（3）Eadie-Hofstee法（簡稱E-H法）將Monod方程重排得到

（4）積分法用不同反應(yīng)的時間t與其反應(yīng)過程相對應(yīng)的底物濃度之間的函數(shù)關(guān)系通過作圖或回歸的方法確定細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。86生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)例8：乙醇為唯一碳源進行面包酵母培養(yǎng)，獲得如下數(shù)據(jù)：求μmax和Ks。[S]/(g/L)0.40.330.180.10.0710.0490.0380.020.014μ/(h-1)0.1610.1690.1690.1490.1330.1350.1120.09090.0735解：

取倒數(shù)，作圖。由圖可知：1/μmax=5.638，Ks/μmax=0.11因此μmax=0.18h-1，Ks=0.02kg/m387生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.4其它的微生物生長速率模型見教材P68，表4-5。88生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.5有抑制的微生物生長動力學(xué)在高底物、產(chǎn)物濃度情況下或培養(yǎng)基中出現(xiàn)抑制性物質(zhì)時，細(xì)胞生長會受到抑制，其比生長速率會下降。

原因：改變細(xì)胞滲透性；影響了酶的合成；影響了酶的活力等。

分類：底物抑制微生物生長動力學(xué)；產(chǎn)物抑制微生物生長動力學(xué)；有害物質(zhì)抑制微生物生長動力學(xué)。89生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.5.1底物抑制微生物生長動力學(xué)當(dāng)細(xì)胞內(nèi)單底物的酶催化反應(yīng)是影響生長速率的限制性步驟時，細(xì)胞生長的抑制和酶反應(yīng)的抑制具有相同模式。競爭性抑制時，生長動力學(xué)符合：非競爭性抑制時，生長動力學(xué)符合：90生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.5.1底物抑制微生物生長動力學(xué)底物抑制舉例：底物為醋酸，以假絲酵母（Candididautlis）生產(chǎn)微生物蛋白。91生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.5.2產(chǎn)物抑制微生物生長動力學(xué)競爭性抑制：非競爭性抑制時，生長動力學(xué)符合：92生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.5.2產(chǎn)物抑制微生物生長動力學(xué)產(chǎn)物抑制舉例：酵母利用葡萄糖生產(chǎn)乙醇。乙醇濃度高于5%時就會有明顯的抑制作用。可能的作用部位：細(xì)胞膜、核膜、液泡膜、線粒體膜、疏水性蛋白、親水性蛋白、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等。93生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.5.3有害物質(zhì)抑制微生物生長動力學(xué)與酶反應(yīng)一樣，有害物質(zhì)對細(xì)胞生長的抑制可分為：競爭抑制、非競爭抑制、反競爭抑制。特例：當(dāng)有害物質(zhì)的出現(xiàn)可能導(dǎo)致細(xì)胞生長停止或死亡，其反應(yīng)動力學(xué)可表示為：其中：為死亡速率常數(shù)94生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.6多底物生長動力學(xué)多底物對生長的不同影響：多種底物對生長均必需，同時作為限制性底物對細(xì)胞的生長起限制作用，如葡萄糖和NH3。多種底物相互間可替代，且可以同時被利用；多種底物按一定順序逐個被消耗，即有的底物具有優(yōu)先權(quán)，如啤酒釀造中，葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖依次被利用。原因：與細(xì)胞的代謝組成和相應(yīng)的酶的合成的控制有關(guān)。95生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.6多底物生長動力學(xué)一般認(rèn)為，對于多重底物限制的情況，比生長速率可以采用多個單底物比生長速率表達式的乘積表示。如果兩種底物可以相互替代，并且可以被同時利用，則總的比生長速率可以表示為：96生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7底物（基質(zhì)）消耗動力學(xué)底物的作用：合成新的細(xì)胞物質(zhì)；合成代謝產(chǎn)物；提供能量。因此底物的消耗與細(xì)胞的生長、維持和產(chǎn)物的生成有密切關(guān)系。97生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.1底物的消耗速率與比消耗速率底物的消耗速率可通過細(xì)胞得率與細(xì)胞生長速率相關(guān)聯(lián)：消耗速率：CS——底物濃度，（g/L）或（mol/L）98生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.2底物的比消耗速率底物的比消耗速率與細(xì)胞得率與細(xì)胞生長速率相關(guān)聯(lián)：比消耗速率：相對單位質(zhì)量細(xì)胞在單位時間內(nèi)的底物消耗量。99生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.2底物的比消耗速率則有：定義底物的最大比消耗速率為：100生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.3包括維持能的底物消耗動力學(xué)底物消耗速率為：當(dāng)?shù)孜锛仁悄茉从质翘荚磿r，應(yīng)考慮維持能所消耗的底物。維持能：用于維持細(xì)胞滲透壓，修復(fù)DNA、RNA和其它大分子，維持細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和生命活性。式中：為生成細(xì)胞干重與完全消耗于細(xì)胞生長的底物的質(zhì)量之比，它表示在無維持代謝時的細(xì)胞得率，可稱為最大細(xì)胞得率。

m為細(xì)胞維持系數(shù)，g/(g.s)

101生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.3包括維持能的底物消耗動力學(xué)細(xì)胞維持系數(shù)m的定義：單位質(zhì)量干細(xì)胞在單位時間內(nèi)，因維持代謝所消耗底物的量。m是微生物菌株的一種特性值，對于特定的菌株、底物和環(huán)境條件，它是常數(shù)。維持系數(shù)越低，細(xì)胞的能量代謝效率越高。102生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.3包括維持能的底物消耗動力學(xué)內(nèi)源代謝：又稱內(nèi)源呼吸，當(dāng)?shù)孜餄舛鹊?，生長速率可能等于0。若底物濃度進一步降低至不足以滿足細(xì)胞維持能所需時，細(xì)胞會消耗一部分細(xì)胞內(nèi)含物以滿足維持生理活性的要求。

此時的比生長速率可表示為：

式中：Ke為內(nèi)源代謝速率常數(shù)。103生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.3包括維持能的底物消耗動力學(xué)底物消耗速率方程兩邊均除Cx，即得底物比消耗速率：104生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.4包括產(chǎn)物生成的底物消耗動力學(xué)當(dāng)?shù)孜锏南牧咳Q于細(xì)胞的生長量、產(chǎn)物的生成量及維持代謝三個因素時，底物的消耗速率表示為。底物消耗速率方程兩邊均除Cx，即得底物比消耗速率：105生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.5氧的消耗動力學(xué)氧氣在好氧微生物反應(yīng)過程起著舉足輕重的作用，它是一種特殊的底物，在傳質(zhì)良好且滿足微生物生長條件下，其消耗動力學(xué)符合一般底物動力學(xué)?？紤]維持能時：106生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.5氧的消耗動力學(xué)考慮維持能時：氧的比消耗速率：107生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.6底物消耗動力學(xué)分析碳源、能源物質(zhì)簡單化合物分解（底物水平磷酸化）釋放的CO2和水氧化（氧化磷酸化）能量化合物釋放到胞外小分子產(chǎn)物細(xì)胞組成的前體物質(zhì)合成胞外復(fù)雜化合物維持能細(xì)胞分解底物產(chǎn)能和合成產(chǎn)物的示意圖109生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)3.4.7.6底物消耗動力學(xué)分析底物消耗與產(chǎn)物合成的關(guān)系底物維持能細(xì)胞物質(zhì)產(chǎn)物、CO2、水底物維持能細(xì)胞物質(zhì)CO2水CO2水產(chǎn)物產(chǎn)物合成直接與能量產(chǎn)生相聯(lián)系。產(chǎn)物為小分子，如乙醇。底物部分或全部用于生成產(chǎn)物，能量代謝不與產(chǎn)物相關(guān)聯(lián)，如胞外多糖、酶等。110生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)例10：以甲醇為基質(zhì)，進行某種微生物好氧分批培養(yǎng)，獲得如下數(shù)據(jù)：：求μmax；YX/S；倍增時間td；飽和常數(shù)Ks；t=10h時微生物細(xì)胞的比生長速率。時間/h02481012141618X(g/L)0.20.2110.3050.981.773.25.66.156.2S(g/L）9.239.219.078.036.84.60.920.0770111生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)△CxCs平均值Cx平均值VxCx/Vx1/Cs0.0119.2200.2060.00537.3640.1080.0949.1400.2580.0475.4890.1090.6758.5500.6430.1693.8070.1170.7907.4151.3750.3953.4810.1351.4305.7002.4850.7153.4760.1752.4002.7604.4001.2003.6670.3620.5500.4995.8750.27521.3642.0060.0500.0396.1750.025247.00025.974解：根據(jù)題義可得如下數(shù)據(jù)

由得

112生化反應(yīng)工程微生物反應(yīng)動力學(xué)作圖可得：y=9.211x+7.331/μmax=7.33，Ks/μmax=9.211因此μmax=0.1364h-1，Ks=1.257kg/m3YX/S=△X/△S=(6.2-0.2)/(9.23-0)=0.65g/gtd=ln2/μmax=0.693/0.1364=5.08ht

=10h時，h