第四章 微生物反应

1、第四章 微生物反应动力学 酶反应与微生物反应的区别 得率系数 比生长速率 微生物生长动力学方程 底物的消耗速率 产物的生成速率 产热速率 微生物反应动力学的实验测定4.1 酶反应与微生物反应的区别 作为催化剂，酶在反应过程中总量不变，而微生物的量在不断增加，即微生物反应是自催化反应 酶反应是分子水平的，而微生物反应是包括分子与细胞，细胞与细胞之间的复杂的反应 微生物反应过程的本质是复杂的酶反应体系，细胞内所进行的所有的合成与分解反应均是酶所催化的。4.2 微生物反应的得率系数 即Yi/j，是对细胞消耗底物并将其转化成细胞自身和目的产物的能力进行评价的一个参数。 对底物的菌体得率 对底物的理论菌

2、体得率对底物的产物得率对菌体的产物得率SXMMYSXSX/GXSXSXMMY生/*SPMMYSPSP/XPMMYXPXP/4.2 比速率 微生物生长的绝对速率可表示为 同样其底物的消耗速率可表示为 产物的生成速率为 比生长速率 底物比消耗速率 产物比生成速率dtdXrxdtdSrsdtdPrpXrX1sSrXq1pPrXq14.3 微生物生长的动力学 微生物生长的特点 微生物生长模型的简化 微生物生长的动力学模型4.3.1 微生物生长的特点 微生物的细胞小，数量多。 微生物生长的各个时期，微生物形态、性质均各不相同， 微生物的细胞组成成分会因培养基组成、培养时间而异 微生物反应体系为多相体系。

3、4.3.2 微生物生长模型的简化 不考虑每个微生物之间的差别，取其性质上的平均值而建立的模型为确定论模型（概率论模型） 考虑细胞组成变化的基础上建立的模型称为结构模型（非结构模型） 细胞生长过程中各种成分按相同比例增加为均衡生长模型（非均衡生长模型） 菌体均匀分布在培养基中，称为均一化模型（分离化模型）4.3.3 微生物生长的动力学 Monod 方程 有底物抑制微生物生长动力学 有产物抑制的微生物生长动力学 有维持代谢的微生物生长动力学 逻辑方程 其他模型1、 Monod 方程 三点假设 方程 动力学参数三点假设 细胞生长为均衡生长，描述菌体生长的唯一变量就是细胞的浓度g（cell干重/L）

4、培养基中有多种成分，只有一种成分对微生物的生长起到限制作用（称为限制性基质） 菌体生长为单一反应，YX/S是常数。Monod 方程 根据三点假设，在大量实验的基础上，Monod推导出其中，max为微生物的最大比生长速率，max越大，表明微生物的生长速率越快其值的大小与细胞体内所包含的信息量有关，细胞内包含的信量越大，生长速率越慢。而Ks没有物理意义，只是一个很小的浓度单位，称为饱和常数，此值越小，越表明在低浓度条件下，微生物越能快速利用底物进行生长。SKSsmax2、 有底物抑制的微生物反应动力学 当底物浓度较高时，此时微生物比生长速率与限制性底物浓度之间关系：此时微生物反应存在一最佳底物浓度

5、即SIsKSSKS2maxSIsoptKKS3、有产物抑制时 细胞生长时，某些代谢产物浓度较高时，也会抑制微生物的生长，如酵母厌氧产生乙醇时，酒精浓度高于5%时，会抑制酵母的生长。 其中Pmax为反应过程中所允许的最大产物浓度。SKSPPsn)1 (maxmax4、 考虑维持代谢时 实验中发现，当底物浓度低于某一数值以下时，细胞停止生长，但底物仍在消耗，这部分底物用于维持代谢 根据=0得到能观察到菌体生长的最小底物浓度bSKSsxmabbKSsmaxmin5、逻辑方程 在某一特定环境下，应有一最大细胞浓度Xmax，该浓度与基质浓度有关，也叫Verhurst方程。由实验确定、，其中maxmax)

6、1 (XKXXK)1 (maxXXKXdtdX型曲线是典型的，时，当积分得，当，给定边界条件：当SXXKeXXeXXXXttXXttKtKmaxmax00)1 (1006、其他方程 C. Tessier(1942) H. Hoser(1958) 藤本(1963) 双底物exp1 )/(maxsKS2211max21SKSSKSss优先利用模型：22max11max21SKSSKSss同时利用模型：SXKSsmaxnsnSKSmax4.4 微生物在分批培养时特点 延尺期 = 0 对数生长期 减速期 平衡期 衰亡期maxXrX1tXXmax0lnSKSsmaxXSKSXrsXmax0)(XkrdX

7、XkrdX4.5 底物消耗速率 通式，根据 得到1、当底物消耗只用于菌体生长与维持能时，或者是产物是能量代谢的直接结果SXSXrrSXY/XYrYrSXXSXS/11XmrYrSXSXS/*1tVMtVMtVMMMMRSRSRSSSS维生维生）（）（)(XSXSSXSXMYMMMY*1*/生生)/(是环境因子的函数消耗的底物，单位时间内因维持代谢（单位质量的干细胞在底物为维持系数：，维hgcellgmtVXmMsRsSXmdtdXYdtdStVtVXmtVMYtsSXRRsRXSX*1*1S/SXsSXSsXSXSYmYqXmrYr/1*1*1sSXSXsSXSXmYYmYY*1,*11/或*

8、/SXsSXsSXsYmYmYm、求得特定环境下的减少，且可以通过实验增加时，当均是环境因子的函数，和2、当产物的生成需要额外消耗底物时，底物的消耗用于生长、维持和代谢产物的生成即3、对于微生物的耗氧量可以通过测定反应器中的供气和排气的含氧量来计算，也可以通过生化计量学来推算，也可以从燃烧反应的衡量关系中得到：PSPSXSXSrYXmrYr/*11耗氧量底物燃烧耗氧量菌体燃烧耗氧量产物燃烧耗氧量烧需氧量单位质量的产物完全燃其经验值为的需氧量，和烧生成单位质量菌体完全燃的需氧量和燃烧生成单位质量的底物完全CgcellgOOHCOBOHCOAPCXBSAO/33. 1)(222222)1(1111

9、1)(/2/22222XPSXXXOXOXOOXPSXXOCYBYArYXrYXrXqYCBYAXPCBXSAXOY表示为单位质量菌体的需氧量例题 以葡萄糖为碳源，固氮菌进行好氧发酵，结果如下表所示，已知底物完全燃烧时需氧量为A=6mol氧气/mol葡萄糖，菌体完全燃烧需氧量为B=0.042mol氧气/g菌体，求 1）由实验数据求维持系数ms、mO2及菌体得率YX/S、Y*X/O2 2）根据公式，从ms、YX/S求Y*X/O2、mO26.701.10.229.801.40.3112.11.60.3520.02.10.4924.62.40.5030.02.70.5335.03.40.74)(1h

10、)/(22hgcellmolOqO)/(hgcellmolGLuqS)/(6 . 0)/(15. 0/7 .13/6511) 122*/*/*2/*/22222hgcellmolOmhgcellmolGlummolOgcellYmolGlugcellYqqmYqmYqOsOXSXOSOOXOsSXS从斜率和截距求得作图，及因此根据实验数据，以及根据解：)1(11,11)1(1)1(11,1, 0)1()2*/*/*/*2/*2/*/2222222222BYAYAmmmYqmABYAABmYAqmYqABAqqBqAqYqCYCBYAqOXSXOssSXSOOXOOXSOOXOOSOSSXSXP

11、SXO述关系：两式相比较，应存在下又产物生成，则如果只有菌体生成而无根据2*/*/*/2/8 .1965042. 0665)/(9 . 015. 0622molOgcellBYAYYhgcellmolOmAmSXSXOXsO4.6 产物生成速率 产物的生成速率与比生成速率之间存在有 其中 与微生物的浓度无关，是表征细胞合成代谢产物能力大小的参数，可以用来筛选优良菌株。呼吸熵： 常用于基本停止生长的休眠细胞或静止期细胞的呼吸生理研究XqrPPPq222222OCOOCOqqrrOCORQ胞内产物的生成速率 相关模型 部分相关模型 非相关模型XXPPrYr/XrrXPXrP胞外产物的生成速率对于胞

12、外产物，P与X之间没有一个明确的通用关系式，一般将qP归纳为的某种函数形式如微生物反应合成酶。作为通式可采用二次函数的形式乳糖等化为梨糖醇转方程，符合此方程的山称为成过程。一些胞外代谢产物的生地适用面的线性函数能较发好称为伴随生长型，如下CBAqDPiretLeudekingBAqqPPP2 此外，某些次级代谢产物的合成，应考虑到每个细胞的化学组成及代谢活性等。如Shu认为不同菌龄的细胞相应的生化活性各异，可用菌龄的多项式函数来表示总的生化活性。 Blanch和Rodgers认为在生产短杆菌肽S的培养液中存在未成熟和成熟的细菌，从而提出底物消耗速率与新生的未成熟的细菌的生长速率与正比，而短杆菌

13、肽S的生成速率与成熟细菌的生长速率成正比。4.7 产热速率 微生物反应是放热反应，储存于碳源中的能量，在好氧反应中有40-50%的能量转化为ATP，其他的以热量的形式被排放到环境中，由于微生物反应对温度的变化极为敏感，因而进行微生物反应时，必须注意温度的控制。其产热速率与细胞浓度之间满足XmqYYXqrHVPHVPHVXHVHV)11(/4.8 微生物动力学的实验测定 目的 反应器 方法4.8.1 目的 确定反应速率与反应物浓度之间的函数关系，即确立速率方程的基本形式 估算动力学参数 确定动力学参数与反应条件之间的关系4.8.2 实验反应器 积分反应器：混合均匀的间歇操作的反应器 微分反应器：

14、混合均匀的连续操作的反应器 二者区别为底物在反应器中的转化率4.8.3 动力学参数的估算方法积分法：将所假设的动力学方程进行积分并线性化处理，将实验数据代入作图，若是直线，则假设正确，据图求得相应参数，否则重新假设。微分法：根据不同实验条件下测得的反应速率，直接由速率方程估算数值。)1(),1(11101nntKSSSKdtdSnnnSnKrKSrSnSlnlnln例题1在间歇操作槽式反应器培养利用乳糖培养细菌，若菌体生长符合Monod方程，试根据下列数据求取动力学参数。序号10.5413715.523.020.3611423.030.030.339030.038.840.354338.848

15、.550.372948.558.360.38958.361.370.37261.362.5)/(LgX)/(LgS)(st解：因为BSTR在整个培养过程中没有物料的加入和取出，是一恒容体系，因此可用双倒数作图法求得根据实验，在一很短的时间间隔内，XdtdXrXmaxmaxmax11SKrXSKSXrsXsXtXrXsK和maxmaxmax11SKrXsX7.519.37.313.891.397.026.58.819.441.368.834.411.126.671.299.743.623.327.711.589.853.434.526.492.023.059.8111.17.897.581.261.95003.2418.12根据上式对所给数据进行处理得3101SXX1tXrX1max74. 0,/3 .301sLgKMonodSrXsX并根据直线求得方程细菌的生长符合作图，得一直线，表明以例题2某一发酵过程是在CSTR中进行，假设其发酵反应可表示成X +S X + P，若已知反应器的有效体积为1L，且X00，P00，现改变加入反应器内底物的流量和浓度，同时测定反应器出口未反应底物和细菌浓度，得到下列数据，试确定其反应速率方程。V0 (L/h)S0 (mmol/L)S (mmol/L)X (