生化工程第五章微生物培养及发酵动力学_1701.ppt

乳酸 乙酸
乙醇
甲醇
）(以细胞 /基质计)
葡萄糖 甘露醇
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0.05 0.4
YCO2/O消耗1mol O2产生的CO2的摩尔数，mol /mol
YATP2/02S1消/3/30耗1mol基质获得的ATP的摩尔数，mol
/mol
－
细胞得率（生长得率）: YX/S＝生产细胞的质量g / 消耗基质的质量g
＝ΔX/（-ΔS） 碳元素的细胞得率: YC ＝ 细胞生产量×细胞含碳量/基质消耗量
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பைடு நூலகம்
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例题：(选自贾士儒48－69页)
1.葡萄糖为基质进行面包酵母（S.cereviseae）
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。 反应式为： C6H12O6＋3O2＋aNH3 →bC6H10 NO3(面包酵母)＋ cH2O＋dCO2
ΔHa :菌体X的燃烧热为基准的焓变，因菌体不同，一般 取值ΔHa＝－22.15kJ/g
ΔHc :所消耗基质的焓变与代谢产物焓变之差， －ΔHc ＝(-ΔHs)(-Δ[S])- ∑(-ΔHp)( Δ[P])
＝(-ΔH0*)(-Δ[O2]) ΔHs :碳源氧化的焓变，kJ/mol；
ΔHp :产物氧化的焓变，kJ/mol； ΔH0*:为呼吸反应焓变＝－444 kJ/mol-[O2]
第二节 微生物反应过程的得率系数
研究得率系数的意义： 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。 分为以下几类：
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部分菌体得率与产物得率
得率
定义单位
YX/S消耗1g或1mol基质获得的干菌体克数，g/g, g/mol
YATP消耗1molATP获得的干菌体克数，g/mol
生化工程第五章微生物培养及发酵动力学
内容
1 基本概念 2 微生物反应的物料衡算 3 微生物反应的能量衡算 4 微生物反应动力学
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微生物生长的基质
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微生物反应的特点
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二 微生物反应过程的质量衡算
ΔH葡萄糖＝－2816 kJ/mol，ΔH乙酸＝－870 kJ/mol，
ΔH乙醇＝－1368 kJ/mol，
ΔH甲醇＝－264 kJ/mol，ΔH乳酸＝－1363 kJ/mol，
ΔH甘露醇＝－3038 kJ/mol，
ΔHa＝－22.15 kJ/mol
能源
Yp/s（mol/mol）(以产物/基质计)
Yx/s（g/mol
• 从反应热的角度考虑反应过程中的能量代谢 ，进行能量衡算。
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一 菌体得率
1．YKJ ：微生物对能量的利用(消耗1KJ热量获得的干 菌体克数， g/KJ)
YKJ＝
ΔX (细胞生产量)
Ea(细胞贮存自由能)+Eb(分解代谢释放自由能)
＝(-ΔHa)(ΔX)+(-ΔHc)
C: 6=4.4c＋e
H: 12+3b=7.3c+2d
O: 6+2a=2.2c+d +2e
N: b=0.86c
由 于 1mol 葡 萄 糖 中 含 碳 72g, 转 化 为 细 胞 内 的 碳 为 72×2/3=48(g)
故：（4.4×12）c=48 2021/3/30
转化为CO2的碳为72－48＝24（g）
3.12CO2
练习 1．葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行酿酒酵母
发酵。呼吸商1.04。消耗100mol葡萄糖和 48mol NH3 生 产 了 48 mol 菌 体 、 312 mol CO2和432molH2O。求氧的消耗量和酵母菌 体的化学组成。（呼吸商RQ＝CO2 生成速 率/O2消耗速率）
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解：据平衡方程式,可得：
C: 6=6b+d
H: 12+3a=10b+2c
O: 6+6=3b+c+2d
N: a=b
方程联立求解为：a=b＝0.48
c=4.32
d=3.12
上述反应计量关系式为:
C6H12O6＋3O2＋0.48NH3 → 0.48C6H10NO3＋4.32H2O ＋
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YKJ消耗1KJ热量获得的干菌体克数， g/KJ
YX/O消耗1gO2获得的干菌体克数，g/g
YX/H 1mol氢受体产生的干菌体克数，g/mol
YX/N 消耗1g氮产生的干菌体克数，g/mol
YX/NO3-消耗1mol NO3－获得的干菌体克数，g/mol
YCO2/S消耗1mol基质产生的CO2的摩尔数，mol /mol
YX/2O0＝21/3/8303.1/（1.47×32）＝1.77(g/g)(以细胞/氧计)
第三节 微生物反应过程的能量衡算
微生物反应是放热过程。 微生物利用碳源，通过呼吸（有氧）或发酵 （无氧）将能量转化为ATP，供微生物生长、 代谢，其余能量作为热量排出，进行微生物 优化培养时，必须进行适宜的温度控制。
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故总表达式可写为：
YKJ ＝ (-ΔHa)(ΔX)+
Δ[P])
(-ΔHs)(-Δ[S])-
ΔX ∑(-ΔHp)(
＝
Yx/s
(-ΔHa) Yx/s + (-ΔHs) - ∑(-ΔHp) Yp/s
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干酪乳杆菌在蛋白胨、牛肉膏为主要成分的复合培养基
中，分别以葡萄糖、甘露醇为能源进行培养，计算YKJ 由化工手册查知：
故： 12e=24
e=2
解平衡方程中其他未知数，得：
b=0.78; d=3.85; a=1.47
故平衡方程为：
C6H12O6＋1.47O2＋0.78NH3 →0.91(C4.4OH7.3N0.86O1.2)＋3.85H2O＋2CO2
YX/S＝0.91×（12×4.4＋16＋7.3＋14×0.86＋16×1.2） / 180＝0.46(g/g)(以细胞/葡萄糖计)
×基质含碳量 ＝YX/S×(Xc/Sc)
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1．葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行某细菌的好氧培养 。消耗的葡萄糖有2/3的碳源转化为细胞中的碳。反 应式为：
C6H12O6＋aO2＋bNH3 →c(C4.4OH7.3N0.86O1. 2)＋dH2O＋ eCO2
计算上述反应中的得率系数YX/S 和YX/O 解：据平衡方程式,可得：