第4章 微生物反应动力学

4.1 基本概念
4.1.1 微生物的分类和命名
微生物(microorganism)是对那些肉眼不能直接观察到的、微小的，但具有 生命并能够繁殖的生物的通称。 微生物根据其不同的进化水平和性状上的明显差别可分为： 原核微生物，真核微生物和非细胞微生物三大类群。 原核微生物主要有六类：细、放、支、立、衣、蓝。 真核微生物：真菌，显微藻类，原生动物 酵母菌、丝状真菌－霉菌、大型真菌
由(4 − 4)式与例题4 − 2中数据，有 C2 H 5OH + 2.394O2 + 0.085NH3 → 0.564(CH1.75 N0.15O0.5 ) + 1.436CO2 + 2.634H 2O 0.564⋅ (1×12 + 1.75×1 + 0.15×14 + 0.5 ×16) Yx / s = 2 ×12 + 6 ×1 + 1×16 0.564× 23.85 = = 0.292( Kg / Kg)(以细胞/ 乙醇计) 46 0.564× 菌体的分子质量 0.564× 23.85 Yx / o = ＝ 2.394× 氧的分子质量 2.394× 32 ＝0.176( Kg / Kg)(以细胞/ 氧计)
第四章 细胞反应过程动力学
4.2 细胞反应过程的质量和能量衡算
4.2.1 细胞反应过程的质量衡算 4.2.2 细胞反应过程的得率系数 4.2.3 细胞反应过程的能量衡算
第四章 细胞反应过程动力学
4.3 细胞生长的非结构动力学
4.3.1 细胞生长动力学的描述方法 4.3.2 分批培养时细胞生长动力学 4.3.3 无抑制的细胞生长动力学 4.3.4 有抑制的细胞生成动力学
[例题]4-4
求例题4-2中酵母细胞（CH 1.75 N 0.15 O 0.5）培养的Y x/s和Y x/o [例题4-2] 乙醇为基质，好氧培养酵母，反应方程式为
C 2 H 5OH + aO2 + bNH 3 → c (CH 1.75 N 0.15 O0.5 ) + dCO 2 + eH 2O
呼吸商RQ=0.6。求各系数a,b,c,d,e
4.1. 基质不可能全部转化成目的产物，副产物的产生不可避免。 2. 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，菌体会发生遗传变异。因此，实际控制有一定难度。 3. 生产前的准备工作量大，且花费高；相对化学反应器而言效 率低。
4.1.6 细胞反应的主要特征
4.1.5 细胞反应的特点
优点：
1. 细胞反应是生物化学反应，通常是在常温常压下进行； 2. 细胞的生长速率快，微生物的代谢产率较高。 3. 原料多为农产品，来源丰富。 4. 易于生产复杂的高分子化合物和光学活性物质。 5. 除生产产物外，菌体自身也可是一种产物。 6. 微生物反应是自催化(autocatalytic)反应。
[例题4-3]
葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行酵母厌氧培养。培养中 分析结果表明，消耗100mol葡萄糖和12molNH3生成了57mol 菌体、43mol甘油、130mol乙醇、154molCO2和3.6molH2O,求 酵母的经验分子式。
【解】由题意写出相应 的反应方程式为 100 C 6 H 12 O6 + 12 NH 3 → 57 C w H x N y O z + 43C 3 H 5 ( OH )3 + 154 CO 2 + 130 C 2 H 5OH + 3.6 H 2O 各元素平衡式为 C : 600 = 57 w + 43 × 3 + 154 + 130 × 2，则 w = 1 H : 1200 + 12 × 3 = 57 x + 43 × 8＋130 × 6＋3.6 × 2，则 x = 1.84 N : 12 = 57 y , 则 y = 0.21 O : 600 = 57 z + 43 × 3 + 154 × 2 + 130 + 3.6 , 则 z = 0.52 由以上结果可知，酵母 细胞的化学结构为 CH 1.84 N 0.21O0.52。
由于微生物种类各异，不同微生物的生长特性也有很大差别。 细菌以分裂方式进行繁殖。 酵母菌的生长方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂(如同菌丝生长）三 种。 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。 藻类含有丰富的脂肪和蛋白质，在其培养中，需要足够的光、 必需的无机盐及适量的CO2 。 原生动物细胞的分裂形式多是沿纵轴一分为二， 一个世代时间大约为10h.
【解】根据元素平衡式 ( 4 − 2 )有 C : 2 = c + d (1) H : 6 + 3b = 1 .75 c + 2 e ( 2 ) O : 1 + 2 a = 0 . 5 c + 2 d + e ( 3) N : b = 0 .15 c ( 4 ) 已知 RQ = 0 .6, 即 d = 0 .6 a (5) 用(1) ~ (5)式联立求解 a = 2 .394 , b = 0 .085 , c = 0 .564 , d = 1 .436， e = 2 .634 所以，反应式为 C 2 H 5 OH + 2 .394 O 2 + 0 .085 NH 3 → 0 .564 (CH 1.75 N 0.15 O0.5 ) + 1 .436 CO 2 + 2 .634 H 2 O
4.2.2 细胞反应过程的得率系数
得率系数：对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量 评价的重要参数。消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或 称生长得率Yx/s(cell yield或growth yield)。其定义式：
Yx / s 生成细胞的质量 ∆X ( 4 − 4) = = 消耗基质的质量 − ∆S
4.2.2 细胞反应过程的得率系数
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(assimilate or anabolism)为细胞的组成成分，其余部 分被异化(dissimilate or catabolism)分解为CO2和代谢产物。如果 从碳源到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率Yc可由 下式表示：
细胞得率的单位是(以细胞/基质计)g/g 某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率(或瞬时细胞得率),其 定义式为：
Yx / s = r dX dX / dt = x (= )( 4 − 5 ) dC S rs dC S / dt 式中： rx — 微生物细胞的生长速率 rs — 基质的消耗速率
4.2.2 细胞反应过程的得率系数
第四章 细胞反应过程动力学
4.1 基本概念 4.2 细胞反应过程中的质量和能量衡算 4.3 细胞生长的非结构动力学 4.4 基质消耗与产物生成动力学
第四章 细胞反应过程动力学
4.1 基本概念
4.1.1 微生物的分类与命名 4.1.2 微生物的化学组成 4.1.3 生长特性 4.1.4 影响微生物反应的环境因素 4.1.5 细胞反应的特点
4.2.1 细胞反应过程中的质量衡算
CHmOn＋aO2＋bNH3
c CHαOβNδ ＋dCHxOyNz＋eH2O+fCO2
(4-7)
式中：CH m On — 碳源的元素组成 CHα Oβ N δ — 细胞的元素组成 CH x O y N z — 产物的元素组成 对各元素做元素平衡，得到如下方程式： C :1 = c + d + f H : m + 3b = cα + dx + 2e O : n + 2a = cβ + dy + e + 2 f N : b = cδ + dz 方程( 4 − 1 )中有a , b , c , d , e和f这6个未知数，需6个方程才能解。
4.1.4 影响微生物反应的环境因素
(1) 营养物质：碳源、氮源、无机元素、微量营养元素或生长因子 (2) 温度：影响微生物生长和繁殖的最重要的因素之一。 (3) 溶解氧与氧化还原电位： 氧在溶解状态下被微生物利用的，当溶解氧浓度较低时， 氧电极无法检测。此时，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： 此外，PH低时氧化还原电位高；PH高时氧化还原电位低。当 PH一定时，溶氧水溶液的Eh与溶解氧浓度(DO)的对数成正比。 (4) 湿度：微生物固态培养的重要参数。
4.1.2 微生物的化学组成
从化学上看，微生物菌体的80%左右是水分。 由微生物细胞的元素分析可知，细胞中元素(除碳、氧、氮 和氢外)的含量，一般以磷、钾为多。其次是钙、镁、硫、 钠、氯、铁、锌、硅等，另外，还含有微量的铝、铜、锰、 钴等。在微生物培养中，这些元素必须保证供应。
4.1.3 生长特性
σc 细胞生产量 × 细胞含碳量 Yc = ( 4 − 21 ) ＝Y x / s ⋅ σS 基质消耗量 × 基质含碳量
式中： σ c 和σ S — 单位质量细胞和单位质 量基质中所含碳元素量 。 Yc 值一般小于1，为0.4 ~ 0.9。
由于YC仅考虑机制与细胞的共同项-碳，可以认 为比YX/S更合理。
4.2.1 细胞反应过程中的质量衡算
配平细胞反应方程式时，一部分系数是由实验测得的，另 一部分系数需计算获得。一般基质和产物的分子式是已知的。 细胞的元素组成可通过元素分析方法测定。 通过测定 O2 的消耗速率与CO2的生成速率来确定好氧培 养中评价细胞生物代谢机理的重要指标之一呼吸商： (respiratory quotient,RQ)
[例题4-1]
葡萄糖为基质进行面包酵母(S.cerevisiae)培养，培养的反应 式可用下式表达，求计量关系中的系数a,b,c,d.
C 6 H 12 O6 + 3O 2 + aNH 3 → bC 6 H 10 NO 3 (面包酵母 ) + cH 2 O + dCO 2