生物反应工程第三章

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CH m On aO2 bNH3 cCH x O y N z dCHu Ov N w eH 2O fCO2
• 式中CHmOn为碳源的元素组成,CHxOyNz是细 胞的元素组成,CHuOvNw为产物的元素组成。 下标m、n、u、v、w、x、y、z分别代表与一 碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数。
Yx / s
生成细胞的质量 X 消耗基质的质量 S
• 单位:g细胞/g基质。 注:细胞是指干细胞的质量
• 微分细胞得率(或瞬时细胞得率) :某一瞬间的 细胞得率。 dX rX dX dt YX S dS dt dS rS
• rx:微生物细胞的生长速率;rs:基质的消耗速
以异化代谢产生ATP为基准生成的细胞量的 细胞得率YATP
Y ATP
YX S M S X [ g cell m ol ATP] ATP Y ATP S
酵母菌(yeast) 是一个通 俗名称,是典型的真核 生物,多为单细胞,有 的也呈丝状。有的酵母 通过出芽进行无性繁殖, 也有的酵母进行分裂繁 殖。酵母既可进行好氧 呼吸,又能进行厌氧呼 吸。酵母菌在酒类酿造 中是不可缺少的。
病毒(virus)是存在于动物、植物、昆虫、真菌、藻类和细菌 细胞内的专性寄生物,是最小的微生物。病毒本身不具备或 具备最低的合成和代谢能力,只能在寄主细胞内生长繁殖, 常导致寄主细胞被破坏和死亡。寄生于细菌细胞内的病毒又 称为噬菌体。噬菌体是危害细菌发酵的重要根源。
• 氮源:提供合成原生质和细胞其它结构的原 料,一般不提供能量(硫氨、尿素、豆饼和 玉米浆)。 • 无机元素: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(磷、 硫、镁、铁、钾、钙等,微量的金属元素, 如锰,钴,铜,锌等)。
生长因素(growth factor):微生物维持 正常生活所不可缺少的,但其需要量又不 大。根据化学结构和代谢功能可将其分为 三类:即维生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。 工业生产中,常利用玉米浆等作生长因素 的供应量。
二、温度 • 是影响微生物生长和繁殖的最重要的因素 之一。在一定范围内,微生物的代谢活动 与生长繁殖随着温度的上升而增加,温度 上升到一定程度,开始对机体产生不利影 响,如温度继续提高,细胞功能急骤下降, 以至死亡。 • 各种生物有其最适生长温度、最高生长温 度与最低生长温度,并且,最适、最高和 最低温度回因环境条件变化而变化。
图3-1 微生物细胞生长繁殖的温度范围
三、溶解氧与氧化还原电位Eh • 氧是在溶解状态下被微生物利用的,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。pH值低时,氧化还 原电位高;pH值高时,氧化原电位低。当pH一定时,溶氧 水溶液的Eh与溶解氧浓度(D0)的对数成正比。所以,由 所测得的Eh可求得所需的DO值。 • 好氧性微生物在Eh值为+0.1伏以上均可生长,以Eh等于 +0.3~+0.4伏时为适。厌氧微生物只能在Eh值小于+0.1伏以 下生长。兼性厌氧微生物在+0.1伏以上或以下均能生长。 • 厌氧型:如产甲烷菌;好氧型:如霉菌;兼性厌氧型:如酵 母。
CO 2 生成速率 RQ O2 消耗速率
• 例1 乙醇为基质,好氧培养酵母,反应方程式 为
C2H5OH+aO2+bNH3 c(CH1.75N0.15O0.5)+dCO2+eH2O
呼吸商RQ=0.6。求各系数a,b,c,d,e。
3.2.2 微生物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。 • 细胞得率或称生长得率(Cell yield或Growth yield) Yx/s:消耗1g基质生成细胞的克数。
△X
Y-ave= 基质完全燃烧所需氧×4ave-/mol氧
• 基于微生物细胞所释放的热量为基准细胞得率YkJ
YkJ X (细胞生产量) X E E a (细胞储存的自由能 E b (分解代谢所释放的自由 ) ) 能
• 式中E表示消耗的总能量,包括同化过程,即菌体所 保持的能量Ea和分解代谢的能量Ed。 • 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。
分类:界(Kingdom)、门(Phylum)、 纲 ( Class ) 、 目 ( Order ) 、 科 ( Family ) 、 属 ( Genus ) 、 种 (Species)。 种 以 下 有 变 种 ( Variety ) 、 型 (Form)、品系(Strain)等。 命名:“双名法”。 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,用以描述微生物的次要特征。
细胞中某些元素(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。
3.1.3 生长特性 微生物种类各异,不同微生物的生长特性有很大差别。 细菌以分裂方式进行的繁殖。在适宜的生长 条件下,某些细菌的世 代 时 间 可 达 10 ~ 20min 。然而,比较典型的世 代时间为40~60 min。 当细菌分裂为二分裂时 ,世代时间等于倍增时 间(菌体量增加一倍所 需时间)。
例如:Staphylococcus aureus,前一个词是 属名,是拉丁语的名 词,是“葡萄球菌” 的意思。第二个词字 是种名,是拉丁语的 形容词,意思是“金 黄色”。所以学名是 “金黄色葡萄球菌”。
霉菌(mould, mold)是丝状真菌(filamentous fungi)的一个通俗名称,在自然界分布很广, 其生长所要求的相对温度比细菌低。真菌有核, 呈丝状,直径一般为3~10μm,多分枝,有或 无隔膜。 霉菌多为腐生菌,也 有少数寄生于动物或 植物体内。它们具有 广泛的降解和合成能 力,是发酵生产某些 重要物质的主力军。
细胞生产量 细胞含碳量 YC YX 基质消耗量 基质含碳量
来自百度文库
S
XC SC
• 式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1,为0.4—0.9。
• 例2 已知以乙醇为基质,好氧培养 酵母细胞反应方程式为
C2H5OH+2.394O2+0.085NH3 0.564(CH1.75N0.15O0.5)+1.436CO2+2.634H2O
烟草花叶病毒
噬菌体(DNA病毒)
3.1.2 微生物的化学组成 微生物菌体的80%左右是水分。 湿菌体(wet cell mass)所含水分是指菌体在 100℃前后干燥直到恒重时减少的量。除去水 分的菌体称为干菌体(dry cell mass)。 微生物菌体中除水分外,其余为蛋白质、碳水 化合物、脂肪、核酸、维生素和无机物等化 学物质。
第三章 微生物反应动力学
主要内容 1、基本概念 2、微生物反应的物量衡算 3、微生物反应的能量衡算 4、微生物反应动力学
3.1 基本概念
3.1.1微生物的分类与命名 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、变形菌、 真菌、藻类和原生动物等。
3.2.1 微生物反应过程的质量衡算 • 微生物反应过程用有正确系数的反应方程式 来表达基质到产物的反应过程非常困难。
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO2 H 2 O
• 为了表示出微生物反应过程中各物质和各组 分之间的数量关系,最常用的方法是对各元 素进行原子衡算。
• 如果碳源由C、H、O组成,氮源为NH3,细胞 的分子式定义为CHxOyNz,忽略其他微量元素 P、S和灰分等,此时用碳的定量关系式表示 微生物反应的计量关系是可行的。
病毒能在活细胞内繁殖, 但不能在一般培养基中 繁殖。病毒是通过复制 方式进行繁殖,即感染 细胞后“接管”寄主细 胞的生物合成机构,按 病毒的遗传特性,合成 病毒的核酸和蛋白质, 并且以指数方式进行复 制,幂大于2。
流行性感冒病毒
3.1.4 影响微生物反应的环境因素 一、营养物质 • 碳源:可构成微生物细胞和代谢产物中碳架来 源的营养物质。主要作用是构成细胞物质和 供给微生物生长发育所需的能量。大多微生 物以有机含碳化合物作为碳源和能源,例如 糖类、淀粉、油脂等。光能自养微生物 ( photoautotroph)是利用光为能源,二氧 化碳为主要碳源。
3.1.5 微生物反应的特点 • 优点: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;生长速 率快;代谢产物的产率较高。 • 特点:常温、常压下进行;原料来源丰富; 易于生产复杂的高分子化合物和光学活性 物质;除产生产物外,菌体自身也可是一 种产物。如果其富含维生素或蛋白质或酶 等的有用产物时,可用于提取这些物质; 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;微生物反应是自催化 (autocatalytic)反应。
对各元素做元素平衡,得到如下方程:
C :1 c d f H : m 3b xc ud 2e O : n 2a yc vd e 2 f N : b zc wd
(3-2)
方程(3-1)中有a、b、c、d、e和f六个未知 数,需六个方程才能解。
呼吸商(respiratory quotient ): O2 的消耗速率与CO2的生成速率之比。
求酵母细胞的Yx/s和Yx/o
• 同化作用,也称合成代谢,是生物 体从环境中取得物质,转化为体内 新的物质的过程。 • 异化作用,也称分解代谢,生物体 内的原有物质分解代谢,释放能量, 转化为环境中的物质的过程。
• 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。 • 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。 • 基于有效电子数的细胞得率Y-ave
不足: 1、副产物的产生不可避免。 2、影响微生物反应的因素多实际控制有难度; 3、原料是农副产品,受价格变动影响大; 4、产前准备工作量大,相对化学反应器而言, 反应器效率低。对于好氧反应,需氧,故增加 了生产成本,且氧的利用率不高; 5、废水有较高BOD值。
3.2 微生物反应过程的质量和能量衡算
四、pH • 不同微生物有其最适生长的pH值范围。大 多数自然环境的pH值为5~9,许多微生物 的最适生长pH也在此范围内,只有少数种 类可生长在pH值低于2或高于10的环境中。 大多数酵母与霉菌在微酸性(pH5~6)环 境中生长最好,而细菌、放线菌则在中性 或微碱性条件下生长最好。
五、湿度 • 细菌要求水活度(湿料饱和蒸汽压/相同 温度下纯水饱和蒸汽压)在0.90~0.99 之间;大多数酵母菌的为0.80~0.90; • 真菌及少数酵母菌要求在0.60~0.70。 因此,固态发酵常用真菌的原因就是其 对水活度要求低,可以排除其它杂菌的 污染。
率。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。
• 当基质为碳源,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
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。在最适条件下, 酵母在45 min内就可以分裂,比较典型的 分裂时间为90~120 min。 霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从菌丝 体(顶端生长)的顶端细胞间形成隔膜进 行生长,一旦形成一个细胞,它就保持其 完整性。霉菌的倍增时间可短至60~90 min,但典型的霉菌倍增时间为4~8 h。
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