生化反应工程微生物反应动力学

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1、第 三 章 微 生 物 反 应 动 力 学 3.1 微 生 物 的 基 本 概 念 3.1.1微 生 物 的 分 类 与 命 名 什 么 是 微 生 物 ？微 生 物 （ Microorganism， microbe） 是 对 那 些 肉 眼 不 能 直接 观 察 到 、 微 小 的 、 但 能 维 持 生 命 并 繁 殖 的 生 物 的 通 称 ，包 括 细 菌 、 放 线 菌 、 真 菌 、 藻 类 和 原 生 动 物 等 。 3.1.1.1 微 生 物 的 分 类根 据 微 生 物 分 类 学 分 类 ：界 （ Kingdom） 、 门 （ Phylum） 、 纲 （ Class） 、

2、目 （ Order） 、科 （ Family） 、 属 （ Genus） 、 种 （ Species） 。种 以 下 有 变 种 （ Variety） 、 型 （ Form） 、 品 系 （ Strain） 等 。根 据 微 生 物 不 同 的 进 化 水 平 和 性 状 上 的 明 显 差 别 可 分 为 ：原 核 微 生 物 ： 细 菌 、 放 线 菌 等 ；真 核 微 生 物 ： 霉 菌 、 酵 母 菌 等 ；非 细 胞 微 生 物 ： 病 毒 、 亚 病 毒 。 细 菌细 菌 是 一 类 细 胞 细 短 、 结 构 简 单 、 胞 壁 坚 韧 、 多 以 二 分 裂 方式 繁 殖 和

3、水 生 性 较 强 的 原 核 生 物 。 放 线 菌放 线 菌 是 一 类 主 要 呈 菌 丝 状 生 长 和 以 孢 子 繁 殖 的 陆 生 性 较 强的 原 核 生 物 。 酵 母 菌酵 母 菌 是 一 个 通 俗 名 称 ， 一 般 泛 指 能 发 酵 糖 类 的 各 种 单 细 胞真 菌 。 它 在 酒 类 酿 造 中 不 可 缺 少 。 霉 菌霉 菌 是 丝 状 真 菌 的 一 个 俗 称 ， 意 即 “ 会 引 起 物 品 霉 变 的 真菌 ” ， 通 常 指 那 些 菌 丝 体 较 发 达 又 不 产 生 大 型 肉 质 子 实 体 结构 的 真 菌 。 病 毒病 毒 是 一

4、类 由 核 酸 和 蛋 白 质 等 少 数 几 种 成 分 组 成 的 超 显 微“ 非 细 胞 生 物 ” ， 其 本 质 是 一 种 只 含 DNA或 RNA的 遗 传 因 子 ，它 们 能 以 感 染 态 和 非 感 染 态 存 在 。 烟 草 花 叶 病 毒 噬 菌 体 （ DNA病 毒 ） 3.1.1.2 微 生 物 的 命 名命 名 方 法 ： “ 双 名 法 ” 属 名 +种 名属 名 ： 大 写 字 母 开 头 ， 是 拉 丁 词 的 名 词 ， 用 以 描 述 微 生 物的 主 要 特 征 ；种 名 ： 小 写 字 母 打 头 ， 是 一 个 拉 丁 词 的 形 容 词 ，

5、用 以 描 述微 生 物 的 次 要 特 征 。 例 如 ： Staphylococcus aureus属 名 ： 葡 萄 球 菌 种 名 ： 金 黄 色 所 以 学 名 全 称 是 “ 金 黄 色 葡 萄 球 菌 ” 。 3.1.2 微 生 物 的 化 学 组 成 蛋 白 质 、 碳 水 化 合 物 、脂 肪 、 核 酸 、 维 生 素 和无 机 物 等 。 3.1.3 微 生 物 的 生 长 特 性由 于 微 生 物 各 类 各 异 ， 不 同 微 生 物 的 生 长 特 性 亦 有 很 大 差 别 。细 菌 以 分 裂 方 式 进 行 繁 殖 ；酵 母 菌 以 出 芽 繁 殖 、 裂 殖

6、 和 芽 裂 （ 如 同 菌 丝 生 长 ） 三 种 方式 ；霉 菌 的 生 长 特 性 是 菌 丝 伸 长 和 分 枝 ；病 毒 能 在 活 细 胞 内 繁 殖 ， 但 不 能 在 一 般 培 养 基 中 繁 殖 ； 3.2 微 生 物 反 应 的 基 本 概 念 3.2.1 微 生 物 反 应 的 概 念 及 其 优 缺 点微 生 物 反 应 是 指 以 微 生 物 细 胞 为 反 应 主 体 的 一 类 生 物 反 应 过程 。 优 点 ： 反 应 条 件 温 和 ； 原 料 丰 富 多 为 农 副 产 品 ； 易 于 生 产 高 分 子 化 合 物 及 光 学 活 性 物 质 ； 除

7、了 合 成 的 产 物 外 ， 细 胞 也 是 一 种 产 物 ； 菌 种 可 以 改 良 。 3.2.1 微 生 物 反 应 的 概 念 及 其 优 缺 点微 生 物 反 应 的 缺 点 ： 基 质 转 化 不 完 成 ， 副 产 物 的 产 生 ； 产 物 的 获 得 受 环 境 因 素 和 细 胞 内 因 素 的 双 重 影 响 ； 因 原 料 为 农 副 产 品 ， 价 格 波 动 大 ； 生 产 前 准 备 工 作 量 大 ， 花 费 高 ； 废 水 的 BOD值 较 高 ， 需 处 理 后 排 放 。 3.2.2 影 响 微 生 物 反 应 的 环 境 因 素一 、 营 养 物 质

8、主 要 包 括 ： 碳 源 、 氮 源 、 无 机 元 素 、 微 量 营 养 素 或 生 长 因 子等 。定 义 ： 是 指 可 构 成 微 生 物 细 胞 和 代 谢 产 物 中 碳 架 来 源 的 营 养物 质 。作 用 ： 是 构 成 细 胞 物 质 和 供 给 能 量 。举 例 ： 糖 类 、 淀 粉 、 油 脂 等 。特 例 ： 光 能 自 养 微 生 物 是 利 用 光 为 能 源 ， 二 氧 化 碳 为 主 要 碳 源 。 碳 源 定 义 ： 主 要 是 提 供 合 成 原 生 质 和 细 胞 其 它结 构 的 原 料 ， 一 般 不 提 供 能 量 。 举 例 ： 硫 氨 、

9、 尿 素 、 豆 饼 和 玉 米 浆 等 。3.2.2 影 响 微 生 物 反 应 的 环 境 因 素氮 源 功 能 ： 构 成 细 胞 的 组 成 成 分 ； 作 为 酶 的 组成 成 分 ； 维 持 酶 的 作 用 ； 调 节 细 胞 渗 透 压、 氢 离 子 浓 度 和 氧 化 还 原 电 位 等 。 大 量 ： 磷 、 硫 、 镁 、 铁 、 钾 、 钙 等 微 量 ： 锰 ， 钴 ， 铜 ， 锌 等 。无 机 元 素 作 用 ： 维 持 正 常 生 活 所 不 可 缺 少 的 ， 但 其需 要 量 又 不 大 。 举 例 ： 维 生 素 、 氨 基 酸 和 嘌 呤 、 嘧 啶 。3.

10、2.2 影 响 微 生 物 反 应 的 环 境 因 素生 长 因 子 3.2.2 影 响 微 生 物 反 应 的 环 境 因 素二 、 温 度温 度 影 响 微 生 物 生 长 和 繁 殖 的 最 重 要 的 因 素 之 一 。 3.2.2 影 响 微 生 物 反 应 的 环 境 因 素三 、 溶 解 氧 与 氧 化 还 原 电 位 Eh根 据 微 生 物 对 氧 需 求 性 的 不 同 ， 可 将 微 生 物 分 为 ：厌 氧 型 微 生 物 ： 如 产 甲 烷 菌 。好 氧 型 微 生 物 ： 如 霉 菌 。兼 性 厌 氧 型 微 生 物 ： 如 酵 母 。溶 解 氧 ： 溶 解 在 水

11、中 的 分 子 态 氧 。 3.2.2 影 响 微 生 物 反 应 的 环 境 因 素三 、 溶 解 氧 与 氧 化 还 原 电 位 Eh厌 氧 型 微 生 物 ： +0.1伏 ， +0.3+0.4为 宜 ；兼 性 厌 氧 型 微 生 物 ： 均 可 。当 溶 解 氧 浓 度 低 ， 溶 氧 电 极 无 法 检 出 时 ， 可 以培 养 基 的 氧 化 还 原 电 位 Eh作 为 定 量 表 示 厌 氧 程度 的 方 法 。 3.2.2 影 响 微 生 物 反 应 的 环 境 因 素四 、 pH微 酸 性 （ pH5-6)： 酵 母 、 霉 菌 等 ；中 性 或 微 碱 性 ： 细 菌 、 放

12、 线 菌 等 ；极 端 pH（ 10） ： 少 数 极 端 微 生 物 。不 同 微 生 物 有 其 最 适 生 长 的 pH值 范 围 。 3.2.2 影 响 微 生 物 反 应 的 环 境 因 素五 、 湿 度细 菌 ： 0.9-0.99；大 多 数 酵 母 ： 0.8-0.9； 真 菌 及 少 数 酵 母 ： 0.6-0.7。湿 度 主 要 针 对 固 态 培 养 而 言 。 通 常 以 水 活 度表 示 。水 活 度 = 湿 料 饱 和 蒸 汽 压相 同 温 度 下 纯 水 饱 和 蒸 汽 压各 类 微 生 物 生 长 水 活 度 范 围 ： 3.2.2 影 响 微 生 物 反 应 的

13、 环 境 因 素六 、 其 他 因 素渗 透 压 、 压 力 等 。 3.3 微 生 物 反 应 过 程 的 计 量 学 和 能 量 衡 算 3.3.1 微 生 物 反 应 过 程 计 量 学 OHCO 22 有 机 产 物菌 体氧氮 源碳 源 2232 fCOOeHNOdCHNOcCHbNHaOOCH wvuzyxnm CHON 对 各 元 素 做 元 素 平 衡 ， 得 到 如 下 方 程 组 ： wdzcbN fevdycanO eudxcbmH fdcC : 22: 23:1:方 程 中 有 a、 b、 c、 d、 e和 f六 个 未 知 数 ， 需 六 个 方 程 才 能 解 。 3

14、.3.1 微 生 物 反 应 过 程 计 量 学 2232 fCOOeHNOdCHNOcCHbNHaOOCH wvuzyxnm 3.3.1 微 生 物 反 应 过 程 计 量 学 22CORQ O 生 成 速 率消 耗 速 率 3.3.1 微 生 物 反 应 过 程 计 量 学 43/26 909.04.44 c 23/16 e 则 ：对 N元 素 平 衡 ， 有 ：对 H元 素 平 衡 ， 有 ： 782.086.0 ca dca 23.7312 855.3 2 909.03.7782.0312 2 3.7312 cad 对 O元 素 平 衡 ， 有 ： 所 以 ： a= 0.782， b=

15、1.473， c=0.909， d=3.855，e=2 edcb 22.126 473.1 2 622855.3909.02.1 2 622.1 edcb （ 2 ） 呼 吸 商 RQ的 计 算 358.1473.1 2OCO22 beRQ 的 消 耗 速 率的 生 成 速 率 3.3.2 微 生 物 反 应 过 程 的 得 率 系 数 SXY sx 消 耗 基 质 的 质 量生 成 细 胞 的 质 量/单 位 ： g细 胞 /g基 质 3.3.2 微 生 物 反 应 过 程 的 得 率 系 数 某 一 瞬 间 的 细 胞 得 率 称 为 微 分 细 胞 得 率 （ 或 瞬 时细 胞 得 率

16、） 式 中 ： rx是 微 生 物 细 胞 的 生 长 速 率 ； r s是 基 质 的 消 耗 速 率 。 dtdS dtdXrrdSdXY SXSX同 一 菌 种 ， 同 一 培 养 基 ， 好 氧 培 养 的 Yx/s比 厌 氧培 养 的 大 的 多 。 X SYATPYkJYX OY -aveY 3X NOY X HYX NY 2CO SY 2CO OY 部 分 菌 体 得 率 与 产 物 得 率 C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO23.3.2 微 生 物 反 应 过 程 的 得 率 系 数 葡 萄

17、糖细 胞 葡 萄 糖细 胞 )( g/g461.0180028.83 /molg028.831 34.91909.0 1 1486.0162.113.7124.4909.0/ SXY 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 为 细 胞 的 组 成 成 分 ， 其 余 部 分 被 异 化 分 解 为 CO2和代 谢 产 物 。 与 碳 元 素 相 关 的 细 胞 得 率 Yc可 由 下 式 表 示 式 中 Xc和 Sc分 别 为 单 位 质 量 细 胞 和 单 位 质 量 基 质 中 所 含 碳 元素 量 。 Yc值

18、一 般 小 于 1， 为 0.40.9。 CCSXC SXYY 基 质 含 碳 量基 质 消 耗 量 细 胞 含 碳 量细 胞 生 产 量 3.3.2 微 生 物 反 应 过 程 的 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 mol数 的 4倍 称为 该 基 质 的 有 效 电 子 数 。 定 义 式 ： 氧摩 尔 数基 质 完 全 燃 烧

19、所 需 氧 的 moleXY ave /av4 3.3.2 微 生 物 反 应 过 程 的 得 率 系 数 该 细 胞 得 率 表 示 微 生 物 细 胞 与 所 释 放 的 热 量 相 关 联 。 定 义 式 ： 由 能 ）（ 分 解 代 谢 所 释 放 的 自（ 细 胞 储 存 的 自 由 能 ） 细 胞 生 产 量 ）ba EE ( XEXYkJ3.3.2 微 生 物 反 应 过 程 的 得 率 系 数式 中 ： E消 耗 的 总 能 量 ； X细 胞 生 产 量 ； E a可 采 用 干 细 胞 的 燃 烧 热 计 算 ； Eb可 采 用 所 消 耗 的 碳 源 和代 谢 产 物 各

20、自 的 燃 烧 热 之 差 计 算 。多 数 微 生 物 在 好 氧 培 养 时 的 YKJ值 为 0.028g细 胞 /kJ，在 厌 氧 培 养 时 YKJ的 平 均 值 为 0.031g细 胞 /kJ。 对 于 光能 自 养 型 微 生 物 ， 如 藻 类 的 YKJ约 等 于 0.002 g细 胞 /kJ。 以 基 质 异 化 代 谢 产 生 ATP为 基 准 生 成 的 细 胞 量 的 细 胞 得 率 YATP的 定 义 式 ： ATPXYATP 3.3.2 微 生 物 反 应 过 程 的 得 率 系 数 2/ OXY OX 3.3.2 微 生 物 反 应 过 程 的 得 率 系 数S

21、PY SP / SCOY SCO 2/2 2/ OPOPY RQOY OCO 22/ OC2 XP / XPY C2H5OH+0.085NH3+2.394O2 0.564(CH1.75N0.15O0.5)+2.634H2O+1.436CO2X/S X/O C ave-。 )g/g(292.046 85.23564.0 1116115122 165.01415.0175.112564.0 1/ 乙 醇细 胞 )( SXY )g/g(176.032394.2 85.23564.0 394.2564.0O/ 氧细 胞氧 的 分 子 量细 胞 的 分 子 量 XY )g/g(282.0 )111611

22、5122/122 165.01415.0175.112/12292.0 11C 碳 元 素细 胞 （ )( CCSX SXYY )ave/g(12.112 46292.0 细 胞有 效 电 子 数XYave 1mol乙 醇 完 全 燃 烧 需 要 的 氧 为 3mol， 有 效 电 子 数 为 12。 3.3.3 微 生 物 反 应 过 程 中 的 能 量 衡 算微 生 物 反 应 是 放 热 反 应 。储 存 于 碳 源 中 能 源 ， 在 好 氧 反 应 中 约 有 40% 50%的 能 量 转 化 为 ATP， 其 余 能 量 作 为 热 量 排 放 。能 量 衡 算 的 必 要 性 ：

23、基 质 分 解所 产 生 的能 量 及 其消 耗 途 径 维 持 能 （ 不用 于 细 胞 合成 ） 合 成 反 应 维 持 细 胞 的 活 性 保 持 细 胞 内 外 的 浓 度 梯 度 用 于 细 胞 内 各 类 转 化 反 应ATP 热 能 （ 释 放 到 环 境 ） 3.3.3 微 生 物 反 应 过 程 中 的 能 量 衡 算葡 萄 糖 、 酒 精 和 乳 酸 完 全 燃 烧 时 ， 1mol葡 萄 糖 在 酒 精 发 酵 或 乳 酸 发 酵 中 产 生 的 反 应 热 分 别为 136kJ和 197kJ。 酒 精 发 酵 ： 2871kJ-136kJ=2735kJ= 1368(酒

24、精 燃 烧 热) 2转 移 到 酒 精 中 保 留 。 乳 酸 发 酵 ： 2871kJ-197kJ=2674kJ= 1337(乳 酸 燃 烧 热) 2转 移 到 乳 酸 中 保 留 。 kJOHCOOOHC 2871666 2226126 kJOHCOOOHHC 1368333 22252 kJOHCOOCHOHCOOHCH 1337333 2223 例 ： 以 葡 萄 糖 为 营 养 源 ， 发 酵 生 产 酒 精 或 乳 酸 3.3.3 微 生 物 反 应 过 程 中 的 能 量 衡 算能 量 利 用 率 ：好 氧 发 酵 ： 1mol葡 萄 糖 产 生 38molATP；31 38/2

25、871=41%厌 氧 发 酵 ： 1mol葡 萄 糖 产 生 2molATP31 2/2871=2.2%厌 氧 培 养 中 Y ATP约 为 10.5g细 胞 /molATP;好 氧 培 养 中 YATP为 6 29g细 胞 /molATP 。 kJ cXY H X H （ ） +（ - ）H cH c S PH H S H P sH pH 3.3.3 微 生 物 反 应 过 程 中 的 能 量 衡 算 3.3.3 微 生 物 反 应 过 程 中 的 能 量 衡 算 )()()( PHSHXH XY PSakJ S SPPSSXa SXkJ YHHYH YY / / )()()( 干 酪 乳

26、杆 菌 在 蛋 白 胨 、 牛 肉 膏 为 主 要 成 分 的 复 合 培 养 基 中 ， 分 别 以 葡 萄 糖 和 甘 露 醇 为 能 源 厌 氧 培 养 ， 结 果 如 下 表 ， 试 计 算 YkJ。 能 源 YP/S(mol/mol)以 产 物 /基 质计 YX/S(g/mol)(以 细 胞 /基 质计 )乳 酸 乙 酸 乙 醇 甲 醇葡 萄 糖 0.05 1.05 0.94 1.76 62.0甘 露 糖 0.4 0.22 1.29 1.6 40.5由 化 工 手 册 可 知 ： H 葡 萄 糖 =-2816kJ/mol, Ha=-22.15kJ/g, H乳 酸 =-1363kJ/m

27、ol, H乙 酸 =-870kJ/mol, H乙 醇 =-1368kJ/mol, H甲 醇 =-264kJ/mol, H甘 露 醇 =-3038kJ/mol 以 葡 萄 糖 作 为 能 源 时 ： =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) SPP YH /)( SPPSSXa SXkJ YHHYH YY / / )()()( 以 甘 露 醇 作 为 能 源 时 ： =2925(kJ/mol) 0.041(g/kJ) SPP YH /)( SPPSSXa

28、SXkJ YHHYH YY / / )()()( 当 采 用 葡 萄 糖 为 唯 一 碳 源 的 基 本 培 养 基 进 行 微 生 物的 好 氧 培 养 时 ， 葡 萄 糖 既 作 为 能 源 ， 又 作 为 构 成 细胞 的 材 料 。 反 应 过 程 可 表 示 为 厌 氧 培 养 中 ， P62页 。 22 COPXOS 2COPXS 3.3.3 微 生 物 反 应 过 程 中 的 能 量 衡 算 一 般 规 律 ：能 量 生 长 偶 联 型 生 长 YkJ值 较 大 ， 能 量 利 用 率 较 高 ；能 量 生 长 非 偶 联 型 生 长 YkJ值 较 小 ， 能 量 利 用 率 较

29、 低 。3.3.3 微 生 物 反 应 过 程 中 的 能 量 衡 算能 量 生 长 非 偶 联 型 ： 缺 少 合 成 菌 体 的 材 料 或 存 在 生 长 抑制 物 质 ， 这 时 的 生 长 取 决 于 合 成 菌 体 材 料 的 供 应 或 合 成反 应 的 进 程 。在 微 生 物 生 长 过 程 中 ， 依 靠 ATP中 高 能 键 释 放 的 能 量 将 菌 体 构 成 材 料 合成 细 胞 高 分 子 物 质 如 蛋 白 质 、 DNA、 RNA、 脂 类 以 及 多 糖 的 需 要 。能 量 生 长 偶 联 型 ： 有 大 量 合 成 菌 体 材 料 存 在 时 ， 微 生

30、 物 生长 取 决 于 ATP的 供 能 。 反 应 热 (代 谢 热 、 发 酵 热 ) 反 应 热 Hh是 由 培 养 基 生 成 菌 体 x和 代 谢产 物 P 的 反 应 过 程 中 形 成 ， 故 可 由 下 式计 算 ： 3.3.3 微 生 物 反 应 过 程 中 的 能 量 衡 算微 生 物 反 应 中 不 可 避 免 地 要 产 生 热 ， 这 种 热 称 为 反 应 热或 代 谢 热 。 )( PHXHSHH PXSh )( PHXHSHH PXSh ave- 3.4 微 生 物 反 应 动 力 学 微 生 物 反 应 动 力 学 研 究 的 目 的 及 主 要 方 法 3.

31、4.1 细 胞 反 应 过 程 动 力 学 模 型微 生 物 反 应 是 指 以 微 生 物 细 胞 为 反 应 主 体 的 一 类 生 物 反 应 过程 。 3.4.1.1 动 力 学 模 型 的 简 化细 胞 的 生 长 、 繁 殖 和 代 谢 是 一 个 复 杂 的 生 物 化 学 过 程 。 胞 内 的 反 应 胞 内 与 胞 外 物 质 的 交 换 胞 外 物 质 的 传 递 与 反 应特 点 ： 多 相 、 多 组 分 和 非 线 性 。因 此 ， 对 这 样 一 个 复 杂 的 体 系 进 行 精 确 的 描 述 几 乎 是 不 可 能的 。 为 了 工 程 上 的 应 用 ，

32、首 先 要 进 行 合 理 的 简 化 ， 在 简 化 的基 础 上 建 立 过 程 的 物 理 模 型 ， 再 据 此 推 出 数 学 模 型 。 3.4.1.1 动 力 学 模 型 的 简 化简 化 的 主 要 内 容 ：第 一 ， 细 胞 反 应 动 力 学 是 对 细 胞 群 体 的 动 力 学 行 为 的 描 述 ，而 不 是 对 单 一 细 胞 进 行 描 述 。第 二 ， 是 否 考 虑 细 胞 个 体 之 间 的 差 异 。第 三 ， 是 否 考 虑 细 胞 内 的 组 成 结 构 。第 四 ， 是 否 将 细 胞 作 为 与 培 养 液 分 离 的 生 物 相 处 理 。确

33、定 论 ： 不 考 虑 细 胞 之 间 的 差 别 ， 取 其 性 质 的 平 均 值 ；概 率 论 ： 考 虑 每 个 细 胞 之 间 的 差 别 。结 构 模 型 ： 考 虑 细 胞 组 成 变 化 的 基 础 上 建 立 的 模 型 ， 它 可以 从 机 制 上 描 述 细 胞 的 动 态 行 为 ；非 结 构 模 型 ： 将 细 胞 视 为 单 组 分 ， 忽 略 环 境 的 变 化 对 细 胞组 成 的 影 响 。分 离 化 模 型 ： 细 胞 与 培 养 液 相 分 离 ；均 一 化 模 型 ： 将 细 胞 一 培 养 液 视 为 一 相 。 3.4.1.2 细 胞 生 长 过 程

34、 的 速 率 与 比 速 率dtdCr X X 速 率 ： 单 位 时 间 、 单 位 反 应 体 积 某 一 组 分 的 变 化 量 。 dtdCr SS dtdCr OO 3.4.1.2 细 胞 生 长 过 程 的 速 率 与 比 速 率 dtdCr PP dtdCr COCO 22 3.4.1.2 细 胞 生 长 过 程 的 速 率 与 比 速 率 dtdCr HH 3.4.1.2 细 胞 生 长 过 程 的 速 率 与 比 速 率 3.4.1.2 细 胞 生 长 过 程 的 速 率 与 比 速 率比 速 率 ： 以 单 位 浓 度 细 胞 （ 或 单 位 质 量 菌 体 ） 为 基 准

35、 而 表 示的 各 个 组 分 变 化 速 率 。 dtdCC XX 1： 表 示 单 位 细 胞 浓 度 为 基 础 的 细 胞 增 殖 速 率 ， 例 如 每 克 菌体 在 1h内 菌 体 质 量 增 加 的 克 数 。并 非 常 数 ， 遗 传 因 素 是 大 小 的 决 定 因 素 ， 越 是 高 等 生 物 ，越 小 。 dtdCCq SXS 1 dtdCCq OXO 1 dtdCCq PXP 1 3.4.1.2 细 胞 生 长 过 程 的 速 率 与 比 速 率 dtdCCq COXCO 22 1 dtdCCq HXH 13.4.1.2 细 胞 生 长 过 程 的 速 率 与 比

36、速 率 3.4.2 微 生 物 生 长 动 力 学分 批 培 养 ： 在 封 闭 系 统 中 对 微 生 物 进 行 的 培 养 ， 既 不 补 充 营养 物 质 也 不 移 去 培 养 物 质 ， 保 持 整 个 培 养 液 体 积 不 变 的 培 养方 式 。 分 批 培 养 的 生 长 曲 线 5个 生 长 时 期 ：迟 滞 期对 数 生 长 期减 速 生 长 期稳 定 生 长 期衰 亡 期 0 dtdCr XX 01 dtdCC XX3.4.2 微 生 物 生 长 动 力 学 XXX CdtdCr max tCCXX max0ln 3.4.2 微 生 物 生 长 动 力 学 2/ 0

37、XX CCd tt3.4.2 微 生 物 生 长 动 力 学 tCCXX max0ln dd tt 693.02lnmax 0)( XdXX CkdtdCr 3.4.2 微 生 物 生 长 动 力 学 dk 0)( XdXX CkdtdCr dk3.4.2 微 生 物 生 长 动 力 学 0)( XdXX CkdtdCr 3.4.2 微 生 物 生 长 动 力 学 dk SS SCK C max3.4.3细 胞 生 长 的 Monod方 程 CS KS max max /2 3.4.3细 胞 生 长 的 Monod方 程 Monod方 程 的 基 本 假 设 ：第 一 ， 细 胞 生 长 为

38、均 衡 式 生 长 ， 因 此 描 述 细 胞 生 长 的 惟 一 变 量是 细 胞 浓 度 。第 二 ， 培 养 基 中 只 有 一 种 生 长 限 制 性 底 物 ， 而 其 它 组 分 过 量 ，不 影 响 细 胞 生 长 。第 三 ， 细 胞 的 生 长 视 为 简 单 的 单 一 反 应 ， 细 胞 得 率 为 一 常 数 。因 此 ， Monod方 程 仅 适 用 于 细 胞 生 长 较 慢 和 细 胞 密 度 较 低 的 环境 下 ， 只 有 这 样 ， 细 胞 的 生 长 才 能 与 底 物 浓 度 呈 简 单 关 系 。 3.4.3细 胞 生 长 的 Monod方 程 SSS

39、S S CKCK C maxmax XSSXXX CCKCdtdCr max 讨 论 ： 3.4.3细 胞 生 长 的 Monod方 程 讨 论 ： maxmax SS SCK C XXXX CCdtdCr max SS CK 111 maxmax 3.4.3细 胞 生 长 的 Monod方 程 maxmax SSS CKC 3.4.3细 胞 生 长 的 Monod方 程 SS CK max max和 KsS/(g/L) 0.4 0.33 0.18 0.1 0.071 0.049 0.038 0.02 0.014/(h-1) 0.161 0.169 0.169 0.149 0.133 0.13

40、5 0.112 0.0909 0.0735 max maxmax h-1 3.4.4其 它 的 微 生 物 生 长 速 率 模 型 见 教 材 P68， 表 4-5。 3.4.5 有 抑 制 的 微 生 物 生 长 动 力 学 在 高 底 物 、 产 物 浓 度 情 况 下 或 培 养 基 中 出 现 抑 制 性 物 质 时， 细 胞 生 长 会 受 到 抑 制 ， 其 比 生 长 速 率 会 下 降 。 原 因 ： 改 变 细 胞 渗 透 性 ； 影 响 了 酶 的 合 成 ； 影 响 了 酶 的 活 力 等 。 分 类 ： 底 物 抑 制 微 生 物 生 长 动 力 学 ； 产 物 抑 制

41、 微 生 物 生 长 动 力 学 ； 有 害 物 质 抑 制 微 生 物 生 长 动 力 学 。 3.4.5.1 底 物 抑 制 微 生 物 生 长 动 力 学 当 细 胞 内 单 底 物 的 酶 催 化 反 应 是 影 响 生 长 速 率 的 限 制 性 步骤 时 ， 细 胞 生 长 的 抑 制 和 酶 反 应 的 抑 制 具 有 相 同 模 式 。 竞 争 性 抑 制 时 ， 生 长 动 力 学 符 合 ： 非 竞 争 性 抑 制 时 ， 生 长 动 力 学 符 合 ： SISS S CKCK C )1( max )1)(1( max ISSS KCCK 3.4.5.1 底 物 抑 制 微

42、 生 物 生 长 动 力 学 底 物 抑 制 举 例 ： 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 醋 酸 浓 度 CS0 (g acetate/L) 比 生 长 速 率 ( 1/ h) 3.4.5.2 产 物 抑 制 微 生 物 生 长 动 力 学 竞 争 性 抑 制 ： 非 竞 争 性 抑 制 时 ， 生 长 动 力 学 符 合 ： Spp SS CKC KC )1( max )1)(1( max ppSS KCCK 3.4.5.2 产 物 抑 制 微 生 物

43、生 长 动 力 学 产 物 抑 制 举 例 ： 酵 母 利 用 葡 萄 糖 生 产 乙 醇 。 乙 醇 浓 度 高 于 5%时 就 会 有 明 显 的 抑 制 作 用 。 可 能 的 作 用 部 位 ： 细 胞 膜 、 核 膜 、 液 泡 膜 、 线 粒 体 膜 、 疏水 性 蛋 白 、 亲 水 性 蛋 白 、 内 质 网 等 。 3.4.5.3 有 害 物 质 抑 制 微 生 物 生 长 动 力 学 与 酶 反 应 一 样 ， 有 害 物 质 对 细 胞 生 长 的 抑 制 可 分 为 ：竞 争 抑 制 、 非 竞 争 抑 制 、 反 竞 争 抑 制 。 特 例 ： max dSS S kC

44、K C 当 有 害 物 质 的 出 现 可 能 导 致 细 胞 生 长 停 止 或 死 亡 ，其 反 应 动 力 学 可 表 示 为 ：dk其 中 ： 为 死 亡 速 率 常 数 3.4.6 多 底 物 生 长 动 力 学 多 底 物 对 生 长 的 不 同 影 响 ： 多 种 底 物 对 生 长 均 必 需 ， 同 时 作 为 限 制 性 底 物 对细 胞 的 生 长 起 限 制 作 用 ， 如 葡 萄 糖 和 NH3。 多 种 底 物 相 互 间 可 替 代 ， 且 可 以 同 时 被 利 用 ； 多 种 底 物 按 一 定 顺 序 逐 个 被 消 耗 ， 即 有 的 底 物 具有 优 先

45、 权 ， 如 啤 酒 酿 造 中 ， 葡 萄 糖 、 麦 芽 糖 、 麦芽 三 糖 依 次 被 利 用 。 原 因 ： 与 细 胞 的 代 谢 组 成 和 相 应 的 酶 的 合 成 的 控 制 有 关 。 3.4.6 多 底 物 生 长 动 力 学 一 般 认 为 ， 对 于 多 重 底 物 限 制 的 情 况 ， 比 生 长 速 率 可 以 采用 多 个 单 底 物 比 生 长 速 率 表 达 式 的 乘 积 表 示 。 22 211 1max SS SSS S CK CCK C 如 果 两 种 底 物 可 以 相 互 替 代 ， 并 且 可 以 被 同 时 利 用 ， 则 总的 比 生

46、长 速 率 可 以 表 示 为 ： 22 22max11 11max SS SSS S CK CCK C 3.4.7 底 物 （ 基 质 ） 消 耗 动 力 学 底 物 的 作 用 ： 合 成 新 的 细 胞 物 质 ； 合 成 代 谢 产 物 ； 提 供 能 量 。 因 此 底 物 的 消 耗 与 细 胞 的 生 长 、 维 持 和 产 物 的 生 成 有 密 切关 系 。 3.4.7.1 底 物 的 消 耗 速 率 与 比 消 耗 速 率底 物 的 消 耗 速 率 可 通 过 细 胞 得 率 与 细 胞 生 长 速 率 相 关 联 ：dtdCr SS 消 耗 速 率 ： XSS SSXXS

47、XXSXSS CCK CYCYrYdtdCr max/ 111 3.4.7.2 底 物 的 比 消 耗 速 率底 物 的 比 消 耗 速 率 与 细 胞 得 率 与 细 胞 生 长 速 率 相 关 联 ：dtdCCq SXS 1比 消 耗 速 率 ： 相 对 单 位 质 量 细 胞 在 单 位 时 间 内 的 底 物 消 耗量 。 SS SSXSXXSXXSXS CK CYYrYCrCq max/ 11111 3.4.7.2 底 物 的 比 消 耗 速 率则 有 ：定 义 底 物 的 最 大 比 消 耗 速 率 为 ： max/max, 1 SXS Yq SS SSS CK Cqq max,

48、3.4.7.3 包 括 维 持 能 的 底 物 消 耗 动 力 学底 物 消 耗 速 率 为 ：当 底 物 既 是 能 源 又 是 碳 源 时 ， 应 考 虑 维 持 能 所 消 耗 的 底 物 。 维 持 能 ： 用 于 维 持 细 胞 渗 透 压 ， 修 复 DNA、 RNA和 其 它 大 分子 ， 维 持 细 胞 的 结 构 和 生 命 活 性 。 XXSXS mCrYr */1*/SXY式 中 ： 为 生 成 细 胞 干 重 与 完 全 消 耗 于 细 胞 生 长 的 底 物 的 质 量 之比 ， 它 表 示 在 无 维 持 代 谢 时 的 细 胞 得 率 ， 可 称 为 最 大 细

49、胞 得 率 。 m为 细 胞 维 持 系 数 ， g/(g.s) 3.4.7.3 包 括 维 持 能 的 底 物 消 耗 动 力 学 细 胞 维 持 系 数 m的 定 义 ： 单 位 质 量 干 细 胞 在 单 位 时 间 内， 因 维 持 代 谢 所 消 耗 底 物 的 量 。 m是 微 生 物 菌 株 的 一 种 特 性 值 ， 对 于 特 定 的 菌 株 、 底 物和 环 境 条 件 ， 它 是 常 数 。 维 持 系 数 越 低 ， 细 胞 的 能 量 代 谢 效 率 越 高 。 XXSXS mCrYr */1 3.4.7.3 包 括 维 持 能 的 底 物 消 耗 动 力 学 内 源

50、 代 谢 ： 又 称 内 源 呼 吸 ， 当 底 物 浓 度 低 ， 生 长 速 率 可能 等 于 0。 若 底 物 浓 度 进 一 步 降 低 至 不 足 以 满 足 细 胞 维 持能 所 需 时 ， 细 胞 会 消 耗 一 部 分 细 胞 内 含 物 以 满 足 维 持 生理 活 性 的 要 求 。 此 时 的 比 生 长 速 率 可 表 示 为 ： eSS S KCK C max 式 中 ： Ke为 内 源 代 谢 速 率 常 数 。 3.4.7.3 包 括 维 持 能 的 底 物 消 耗 动 力 学底 物 消 耗 速 率 方 程 两 边 均 除 Cx， 即 得 底 物 比 消 耗 速

51、率 ：m Yq SXS */1 XXSXS mCrYr */1 3.4.7.4 包 括 产 物 生 成 的 底 物 消 耗 动 力 学 当 底 物 的 消 耗 量 取 决 于 细 胞 的 生 长 量 、 产 物 的 生 成 量 及维 持 代 谢 三 个 因 素 时 ， 底 物 的 消 耗 速 率 表 示 为 。 PSPXXSXS rYCmrYr /*/ 11 P SPSXS qYmYq /*/ 11 底 物 消 耗 速 率 方 程 两 边 均 除 Cx， 即 得 底 物 比 消 耗 速 率 ： 3.4.7.5 氧 的 消 耗 动 力 学 氧 气 在 好 氧 微 生 物 反 应 过 程 起 着

52、举 足 轻 重 的 作 用 ， 它 是一 种 特 殊 的 底 物 ， 在 传 质 良 好 且 满 足 微 生 物 生 长 条 件 下， 其 消 耗 动 力 学 符 合 一 般 底 物 动 力 学 。 XOXOO rYdtdCr /1考 虑 维 持 能 时 ： XOXOXO CmrYr 2/1 3.4.7.5 氧 的 消 耗 动 力 学考 虑 维 持 能 时 ：氧 的 比 消 耗 速 率 ： OXOXO YdtdCCq /11 2/1 OOXO mYq YX/O和 mo/(h-1) 0.020 0.055 0.095 0.115 0.119qo/g/(gh) 0.0278 0.0589 0.09

53、09 0.111 0.115和 qo YX/O mo g/(g h)YX/O 2/1 OOXO mYq 3.4.7.6 底 物 消 耗 动 力 学 分 析碳 源 、 能 源物 质 简 单 化 合 物分 解（ 底 物 水 平 磷 酸 化 ） 释 放 的 CO2和水氧 化（ 氧 化 磷 酸 化 ）能 量 化 合物 释 放 到 胞 外小 分 子 产 物细 胞 组 成 的前 体 物 质 合 成 胞 外 复杂 化 合 物维 持 能 细 胞 分 解 底 物 产 能 和 合 成 产 物 的 示 意 图 3.4.7.6 底 物 消 耗 动 力 学 分 析 底 物 消 耗 与 产 物 合 成 的 关 系底 物维

54、 持 能 细 胞 物 质产 物 、 CO2、 水 底 物维 持 能 细 胞 物 质CO2水 CO2水产 物产 物 合 成 直 接 与 能 量 产 生 相 联 系 。产 物 为 小 分 子 ， 如 乙 醇 。 底 物 部 分 或 全 部 用 于 生 成 产 物 ，能 量 代 谢 不 与 产 物 相 关 联 ， 如 胞外 多 糖 、 酶 等 。 max YX/S时 间 /h 0 2 4 8 10 12 14 16 18X(g/L) 0.2 0.211 0.305 0.98 1.77 3.2 5.6 6.15 6.2S(g/L） 9.23 9.21 9.07 8.03 6.8 4.6 0.92 0.

55、077 0 Cx Cs平 均 值 Cx平 均 值 Vx Cx/Vx 1/Cs0.011 9.220 0.206 0.005 37.364 0.108 0.094 9.140 0.258 0.047 5.489 0.109 0.675 8.550 0.643 0.169 3.807 0.117 0.790 7.415 1.375 0.395 3.481 0.135 1.430 5.700 2.485 0.715 3.476 0.175 2.400 2.760 4.400 1.200 3.667 0.362 0.550 0.499 5.875 0.275 21.364 2.006 0.050 0.

56、039 6.175 0.025 247.000 25.974 SS CK 111 maxmax SS SCK C max max maxmax h-1YX/S max 1152.08.6257.1 8.6*1365.0 max SS SCK C h-1 3.4.8 代 谢 产 物 生 成 动 力 学 3.4.8.1相 关 模 型 （ 生 长 偶 联 型 ） XXPXXPPP CYrYdtdCr / XPP Yq / 3.4.8.1相 关 模 型 （ 生 长 偶 联 型 ） 3.4.8.2部 分 相 关 模 型 （ 半 生 长 偶 联 型 ） XXP Crr Pq 3.4.8.2部 分 相 关

57、模 型 （ 半 生 长 偶 联 型 ） 3.4.8.3非 相 关 模 型 （ 非 生 长 偶 联 型 ） XP Cr Pq 3.4.8.3非 相 关 模 型 （ 非 生 长 偶 联 型 ） 以 上 三 种 型 式 可 统 一 表 示 为 ： 或A 0、 B 0为 相 关 模 型 ；A 0， B 0为 非 相 关 模 型 ；A 0且 B 0为 部 分 相 关 模 型 。 dtdXBAXdtdPrP BAqP 反 应 类 型 方 程 注 释葡 萄 糖 乳糖 k1和 k2分 别 为 与 mA和 1/YATP相 对 应 的常 数 。乙 醇 乙 酸 k1是 包 含 维 持 常 数 的 常 数 ； k2是

58、 包 含得 率 常 数 的 常 数 。葡 萄 糖 谷氨 酸 kA和 kB为 实 验 常 数萘 水 杨 酸 和 为 常 数葡 萄 糖 金霉 素 a和 b为 常 数 ， k为 比 例 系 数21 kkqP 21 kkqP BAP kkq Pq kbkqP 一 些 符 合 qP为 的 一 次 函 数 关 系 的 微 生 物 反 应 3. 5 本 章 小 结v 微 生 物 的 基 本 概 念 ： 分 类 、 命 名 、 化 学 组 成 、 生 长 特 性 ；v 微 生 物 反 应 的 基 本 概 念 ： 定 义 、 优 缺 点 、 影 响 因 素 ；v 微 生 物 反 应 过 程 的 计 量 学 和

59、能 量 衡 算 ： 反 应 平 衡 式 的 求 取 、呼 吸 熵 、 细 胞 利 率 YX/S、 YkJ、 YX/O等 、 反 应 热 ；v 细 胞 生 长 动 力 学 ： 动 力 学 模 型 的 简 化 、 速 率 与 比 速 率 、 微 生物 生 长 的 5个 生 长 时 期 、 Monod方 程 ； v 底 物 消 耗 动 力 学 ： 维 持 能 、 产 物 生 成 ；v 产 物 生 成 动 力 学 ： 相 关 模 型 、 部 分 相 关 模 型 、 非 相 关 模 型 。 习 题 ：v 某 细 菌 的 经 验 分 子 式 为 CH1.7O0.46N0.18， 以 葡 萄 糖 为 基 质 好 氧培 养 时 ， 菌 体 利 率 YX/S为 85g/mol， YX/O2为 39g/mol， 且 在 培养 中 除 CO2和 H2O外 没 有 代 谢 产 物 生 成 。 请 解 答 以 下 问 题 ： 1、列 出 该 反 应 平 衡 式 ； 2、 在 分 批 培 养 时 ， 初 始 条 件 下 系 统 中含 有 0.01g菌 体 (CDW)和 20mmol葡 萄 糖 。 过 夜 培 养 至 稳 定 期后 ， 系 统 中 总 的 菌 体 量 为 0.1g(CDW)。 求 最 终 培 养 基 中 剩 余多 少 葡 萄 糖 。v 书 本 P73， 第 2， 4， 19题 。 谢 谢 ！