生物反应工程生物工程反应
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D. 电子受体分子态氧（O2） E：细胞的一碳反应摩尔质量定义为含有1mol碳原子的细
胞质量。
方程：
碳源+氧+氮源=菌体+有机化合物+CO2+H2O CHmOn+aO2+bNH3=cCHXOYNZ+dCHUOVNW + eH2O
+fCO2
原则：
A. 平均分子式：
B. 元素：C、N、H、O平衡
具有较高的BOD值，需进行处理。
3.1细胞反应过程计量学 ——含细胞的体系作为暗箱
3.1.1 微生物反应过程的质量平衡
假设：
A. 物质平均分子式：CHXOYNZ
B. 基质：有机碳源： CHmOn 无机氮源：NH3
C. 产物：完全反应： CO2、H2O 不完全反应（厌氧或兼氧）： CHUOVNW（胞外）
③不同碳源培养基， YX/S不同
几种微生物的菌体得率
宏观得率与理论得率
当细胞生长的同时，还伴有其他反应如代谢产
物的生成时，则所消耗的基质一部分用于细胞
的生长，一部分用于生成代谢产物。
ΔS= ΔSG （生长）+ ΔSR （产物）
宏观得率 理论得率
YX / S
X S
Y*X /S X SG
消耗氧的质量
O
[例3]求例题2中酵母细胞(CH1.75N0.15O0.15)的 YX/S和YX/O。
解：由细胞得率定于及例2 ，有
对能量的细胞得率Y-ave 、 YKJ、 YATP
Y的-a细ve：胞基得质率完。全（氧g/g化、失去g/m1 oml）ol有效电子时
YATP ：消耗1 molATP所获的干菌体克数。 （g/mol）
微生物反应是利用活的生物体进行目的产物生产的反 应，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细 胞内因素的影响，并且微生物菌体易发生遗传变异， 因此，实ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ控制相当困难。
原料是农副产品，所以受价格变动影响大。
生产前的准备工作(开发新菌种，扩大培养等)量大，且 花费高，相对化学反应器而言，反应器效率低。对于 好氧反应，因为要通氧，故增加了费用，且氧的利用 率不高。
生成细胞的质量 YX / S 消耗基质的质量
X S
微分细胞得率
YX / S
dX d[S]
rX rS
(
dX / dt ) d[S] / dt
①同一菌种，同一培养基，好氧培养的YX/S 比厌氧培的 大得多；
②同一菌株在基本、合成和复合培养基中培养所得 YX/S 的大小顺序为复合培养基、合成培养基和基本培养 基。
YKJ：1KJ基质燃烧热产生细胞干重得率. （g/KJ）
YKJ=Y-ave/109.0
部分菌体得率与产物得率
[例[例44]]
3.2 细胞生长的非结构动力学
3.2.1细胞反应过程主要特征 细胞是反应过程的主体 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应
体系 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同
微生物反应是生物化学反应，通常是在常温，常压下进 行，并且同一设备可生产多种产物；
原料来源丰富； 易于生产复杂的高分子化合物和旋光性物质；
除产生反应产物外，菌体自身也可是产物，可能成为富 含维生素，蛋白质和酶等的有用产物；
通过菌种改良，有可能使同一生产设备的生产能力大大 提高。
B.缺点
底物不可能全部转化成目的产物，副产物的产生不可 避免。这样，目的产物的提取与精制就很困难，这正 是造成目前发酵行业下游操作落后的原因之一。
[例2]推断分子式
3.1.2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。最常用的几种得率系数有
下述几种： 细胞得率或生长得率YX/S 对元素的细胞得率YC、YX/O 对能量的细胞得率Y-ave 、 YKJ、 YATP
细胞得率或生长得率YX/S
YX/S（细胞/基质：g/g、g/mol)
CHmOn+aO2+bNH3=cCHxOyNz+dCHUOVNW + eH2O +fCO2
细胞X：rX=4+x-2y-3z 基质S： rS=4+m-2n 产物P： rP=4+u-2v-3w 质量平衡：
rS -4a=c rX +d rP
1
a=2.394 c=0.564
b=0.085 d=1.436 e=2.634
C. 呼吸商:
RQ
CO2产生速率 O2产生速率
f
a
•原则
D.还原度：
（胞外产物的反应，质子-电子平衡） 该组分中每1mol碳原子的有效电子数当量数。
有效电子数： 1mol碳源完全氧化时，所需氧的摩尔数的4倍,
如：C6O12H6 的摩尔数6×4=24（6mol O2） a. C=4，H=1，N= -3，O= -2，P=5，S=6 O2 =-4 b. NH3、H2O 、 CO2为 零.
Y*X/S＞ YX/S
对元素的细胞得率YC、YX/O
YC——碳同化细胞的过程的转化效率。
YC
细胞生成质量 细胞含碳量 基质消耗量 基质含碳量
YX / S
细胞含碳量 基质含碳量
YC小于1，为0.4~0.9 XC、SC——单位质量细胞和单位基质中所含的碳元
素量
YX/O
细胞生成质量 X
YX / O
第3章 微生物反应动力学
本章的重点 ①细胞反应过程计量学有关概念及计算； ②Monod方程的意义及计算；
本章的难点： ①Monod与米氏方程相同点与不同点； ②基质消耗动力学。
微生物培养的特点
A. 优点：
微生物常能分泌或诱导分泌有用的生物化学物质，容易 筛选出分泌型突变株，微生物的生长速率快，微生物的 代谢产物的产率较高等。
酶本身不能进行再生产；细胞自己能进行再生 产 ；在细胞反应过程中细胞的形态、组成、活
性都处在一动态变化过程。
3.2.2环境对细胞生长的影响
细胞种类和来源 外环境
营养物质的种类和浓度 环境的pH 、温度、剪切力等
温度
Ea
Ae RT
温度
pH
细菌：6.5-8.0 霉菌和酵母：4-6
渗透压 好盐细菌：30%NaCl 耐糖酵母：70%蔗糖溶液
溶解氧（solved oxygen,DO） 光
光氧型微生物、藻类和植物细胞 剪切力
综合因素
3.2.3 细胞生长动力学的描述方法
A.理想的微生物生长模型应具备下列4个条 件：
要明确建立模型的目的。 明确地给出建立模型的假定条件，这样
才能明确模型的适用范网。 希望所含有的参数，能够通过实验逐个确
胞质量。
方程：
碳源+氧+氮源=菌体+有机化合物+CO2+H2O CHmOn+aO2+bNH3=cCHXOYNZ+dCHUOVNW + eH2O
+fCO2
原则：
A. 平均分子式：
B. 元素：C、N、H、O平衡
具有较高的BOD值，需进行处理。
3.1细胞反应过程计量学 ——含细胞的体系作为暗箱
3.1.1 微生物反应过程的质量平衡
假设：
A. 物质平均分子式：CHXOYNZ
B. 基质：有机碳源： CHmOn 无机氮源：NH3
C. 产物：完全反应： CO2、H2O 不完全反应（厌氧或兼氧）： CHUOVNW（胞外）
③不同碳源培养基， YX/S不同
几种微生物的菌体得率
宏观得率与理论得率
当细胞生长的同时，还伴有其他反应如代谢产
物的生成时，则所消耗的基质一部分用于细胞
的生长，一部分用于生成代谢产物。
ΔS= ΔSG （生长）+ ΔSR （产物）
宏观得率 理论得率
YX / S
X S
Y*X /S X SG
消耗氧的质量
O
[例3]求例题2中酵母细胞(CH1.75N0.15O0.15)的 YX/S和YX/O。
解：由细胞得率定于及例2 ，有
对能量的细胞得率Y-ave 、 YKJ、 YATP
Y的-a细ve：胞基得质率完。全（氧g/g化、失去g/m1 oml）ol有效电子时
YATP ：消耗1 molATP所获的干菌体克数。 （g/mol）
微生物反应是利用活的生物体进行目的产物生产的反 应，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细 胞内因素的影响，并且微生物菌体易发生遗传变异， 因此，实ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ控制相当困难。
原料是农副产品，所以受价格变动影响大。
生产前的准备工作(开发新菌种，扩大培养等)量大，且 花费高，相对化学反应器而言，反应器效率低。对于 好氧反应，因为要通氧，故增加了费用，且氧的利用 率不高。
生成细胞的质量 YX / S 消耗基质的质量
X S
微分细胞得率
YX / S
dX d[S]
rX rS
(
dX / dt ) d[S] / dt
①同一菌种，同一培养基，好氧培养的YX/S 比厌氧培的 大得多；
②同一菌株在基本、合成和复合培养基中培养所得 YX/S 的大小顺序为复合培养基、合成培养基和基本培养 基。
YKJ：1KJ基质燃烧热产生细胞干重得率. （g/KJ）
YKJ=Y-ave/109.0
部分菌体得率与产物得率
[例[例44]]
3.2 细胞生长的非结构动力学
3.2.1细胞反应过程主要特征 细胞是反应过程的主体 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应
体系 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同
微生物反应是生物化学反应，通常是在常温，常压下进 行，并且同一设备可生产多种产物；
原料来源丰富； 易于生产复杂的高分子化合物和旋光性物质；
除产生反应产物外，菌体自身也可是产物，可能成为富 含维生素，蛋白质和酶等的有用产物；
通过菌种改良，有可能使同一生产设备的生产能力大大 提高。
B.缺点
底物不可能全部转化成目的产物，副产物的产生不可 避免。这样，目的产物的提取与精制就很困难，这正 是造成目前发酵行业下游操作落后的原因之一。
[例2]推断分子式
3.1.2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。最常用的几种得率系数有
下述几种： 细胞得率或生长得率YX/S 对元素的细胞得率YC、YX/O 对能量的细胞得率Y-ave 、 YKJ、 YATP
细胞得率或生长得率YX/S
YX/S（细胞/基质：g/g、g/mol)
CHmOn+aO2+bNH3=cCHxOyNz+dCHUOVNW + eH2O +fCO2
细胞X：rX=4+x-2y-3z 基质S： rS=4+m-2n 产物P： rP=4+u-2v-3w 质量平衡：
rS -4a=c rX +d rP
1
a=2.394 c=0.564
b=0.085 d=1.436 e=2.634
C. 呼吸商:
RQ
CO2产生速率 O2产生速率
f
a
•原则
D.还原度：
（胞外产物的反应，质子-电子平衡） 该组分中每1mol碳原子的有效电子数当量数。
有效电子数： 1mol碳源完全氧化时，所需氧的摩尔数的4倍,
如：C6O12H6 的摩尔数6×4=24（6mol O2） a. C=4，H=1，N= -3，O= -2，P=5，S=6 O2 =-4 b. NH3、H2O 、 CO2为 零.
Y*X/S＞ YX/S
对元素的细胞得率YC、YX/O
YC——碳同化细胞的过程的转化效率。
YC
细胞生成质量 细胞含碳量 基质消耗量 基质含碳量
YX / S
细胞含碳量 基质含碳量
YC小于1，为0.4~0.9 XC、SC——单位质量细胞和单位基质中所含的碳元
素量
YX/O
细胞生成质量 X
YX / O
第3章 微生物反应动力学
本章的重点 ①细胞反应过程计量学有关概念及计算； ②Monod方程的意义及计算；
本章的难点： ①Monod与米氏方程相同点与不同点； ②基质消耗动力学。
微生物培养的特点
A. 优点：
微生物常能分泌或诱导分泌有用的生物化学物质，容易 筛选出分泌型突变株，微生物的生长速率快，微生物的 代谢产物的产率较高等。
酶本身不能进行再生产；细胞自己能进行再生 产 ；在细胞反应过程中细胞的形态、组成、活
性都处在一动态变化过程。
3.2.2环境对细胞生长的影响
细胞种类和来源 外环境
营养物质的种类和浓度 环境的pH 、温度、剪切力等
温度
Ea
Ae RT
温度
pH
细菌：6.5-8.0 霉菌和酵母：4-6
渗透压 好盐细菌：30%NaCl 耐糖酵母：70%蔗糖溶液
溶解氧（solved oxygen,DO） 光
光氧型微生物、藻类和植物细胞 剪切力
综合因素
3.2.3 细胞生长动力学的描述方法
A.理想的微生物生长模型应具备下列4个条 件：
要明确建立模型的目的。 明确地给出建立模型的假定条件，这样
才能明确模型的适用范网。 希望所含有的参数，能够通过实验逐个确