第八章_微生物生化反应过程的质量和能量衡算

1、第八章第八章 微生物生化反应过程的微生物生化反应过程的质量和能量衡算质量和能量衡算生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算第一节 微生物生化反应过程的碳素衡算一、微生物反应过程中营养物质和产物之间的碳素衡算 相同微生物在不同的培养条件下培养，菌体细胞的元素组成有些区别，但差别不大，因此可看作是相对稳定的。这样，就可以根据基质中的营养物质(S)、菌体(x)、产物(P)和二氧化碳中碳元素的数量写出微生物反应过程碳元素的衡算式： 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算43221 dtdpdtdCOdtdxdtds 或或 43212 pCOQQ 式中式中 dtdsx1 dtdCO

2、xQCO212 dtdpxQp1 dtdxx1 碳含量；:生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算1：每摩尔基质中碳的含量 2：每克(干)菌体内碳的含量 3：每摩尔二氧化碳内碳的含量 4：每摩尔产物内碳的含量 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算二、微生物反应过程中主要基质碳源的衡算 在微生物反应中，碳源的用途主要消耗于：满足菌体生长消耗，用(S)G表示； 维持微生物生存的消耗，用(S)m表示； 合成代谢产物的消耗，用(S)P表示； 则有： 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算 PmGSSSS 对于每一途径的消耗，下面讨论它们的效率。 生物工程专业课程生化

3、工程 第八章 反应过程质能衡算对于菌体生长来讲，基质的消耗用于菌体的生长部分，用菌体得率Yx/s表示： dsdxYsx 尔尔数数反反应应过过程程消消耗耗基基质质的的摩摩质质量量反反应应过过程程中中生生成成菌菌体体的的用YG表示菌体的理论得率： GGdsdxY 耗耗用用于于同同化化为为菌菌体体碳碳源源消消生生成成菌菌体体的的质质量量生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算同样，代谢产物的得率用Yp/s表示： dsdPYsp 用用Y YP P表示代谢产物的理论得率：表示代谢产物的理论得率： ppdsdPY 碳源消耗碳源消耗用于同化为代谢产物的用于同化为代谢产物的生成代谢产物的摩尔数生成代

4、谢产物的摩尔数生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算将以上得率表达式结合碳源衡算式整理变形后，得 ： dtdPYxmdtdxYdtdspG11ppGQYmY11 或或 式中：m为碳源维持常数 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算在以微生物细胞为目的的培养过程中，代谢产物的积累可以忽略不计，这样上式就可简化为： mYG 1就与的关系来看，该式是一条直线方程，其截距为碳源维持常数 m，其斜率为 1/YG生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算三、培养微生物细胞物质为目的的微生物反应过程中的化三、培养微生物细胞物质为目的的微生物反应过程中的化学平衡学平衡微生物发酵

5、是由微生物产生的许多酶催化的复杂的生化反应过程。目前只能从宏观上，依据质能守恒定律，确定整个反应过程的基质消耗、菌体生长、呼吸、放热、代谢产物生成等质量和能量转化的规律及其定量关系，列出总的化学计量方程式、作为发酵过程质量和能量衡算及过程优化的基础。 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算为减少问题的复杂性，在研究发酵过程的化学计量式时，作如下的处理： 对复杂分子组成的原料用简化的化学式表示。如碳源用 C6H12O6或CH2O表示；氦源用 NH3示；磷、硫源分别用H3PO4和H2SO4表示 ；忽略反应中的一些次要的元素和成分。如一般在菌体组成式中略去P、S及其它无机元素；反应物中相

6、应略去P、S等；生成物中略去不重要的副产物； 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算菌体的生长一般是在供氧条件下，将营养基质转化成菌体成分、CO2和H2O的过程。因此，如果菌体的化学组成和基质到菌体的最大转化率已经知道的时，就可以列出微生物生长的化学计量式。如，青霉菌以葡萄糖为基质，通气培养,其菌体化学组成为 CH1.64O0.52N0.16 、葡萄糖至菌体的转化率为0.48g干菌体 /葡萄糖，则可对下式进行配平。步骤如下： 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算写出反应化学简式。OHCONOCHONHOHC2216. 052. 064. 1236126 根据转化率配系

7、数。 C6H12O6的摩尔质量为180；菌体CH164O0.52N0.16摩尔质量为24.2， 已知葡萄糖至菌体的转化率为 0.48g干菌体 /葡萄糖，则以1摩尔葡萄糖为基准，生成菌体的量为 ： 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算 g4 .9648. 0180 那么，菌体的摩尔数为： 57. 32 .244 .86 通过质量平衡，配平其他成分的系数，最后得的计量方程式为 OHCONOCHONHOHC2216. 052. 064. 123612693. 343. 257. 333. 257. 0 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算对于P190的化学平衡式： CH2

8、O的式量为30，菌体 C3.92H6.5O1.94式量为84.58。 从实验结果来看，200 g C6H12O6可生成84.6 g酵母菌菌体，即 423. 02006 .84 sxY生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算上面计算时没考虑菌体的N、P等元素，如果考虑这些元素，则可得到约100 g干酵母菌，即Yx/s约为0.5。 当碳水化合物浓度控制在适当水平(远大于Ks) ，通风条件非常好，能供给充足的溶氧时，酵母的生长比速较大；此时，用于菌体生长的基质消耗远大于用于维持代谢的消耗，即：生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算mYG 根据 mYG 1当忽略m时 GsxGYY

9、Y即是说这种情况下，菌体的 Yx/s与YG接近。 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算因此，在以菌体数量为培养目的的发酵生产中，应尽量创造以上所述的条件，使菌体的 Yx/s与YG接近。 发酵实践中，比较菌体的 Yx/s与YG的差值，可以作为衡量发酵工艺及工艺管理水平的一个重要指标。 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算四、微生物反应的化学平衡通式四、微生物反应的化学平衡通式在发酵中，碳源的分子式用CxHyOz表示，其中 x、y、z分别表示碳源分子中碳、氢、氧的原子数。 菌体“分子式”表示为CHON ，其中 、分别表示菌体内碳、氢、氧、氮四种元素的比原子数，则碳源在存

10、在氧和氮源的情况下转化为菌体的化学平衡式可表示为： 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算2232fCOOeHNOHdCcNHbOOHCzyx 式中 a、b、c、d、e、f分别表示反应物和产物的摩尔数。 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算代谢产物的积累同样可表示为： 2232COfOHeNOHCdNHcObOHCzyx 式中 a、b、c、d、e、f分别表示反应物和产物的摩尔数。 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算从方程和得知，碳源用于转化为菌体与代谢产物的比为a/a，将此比值与方程相乘得： 2232COaafOHaaeNOHCaadNHaacOaab

11、OHCzyx 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算F为碳源用于转化为代谢产物的分率，则1-F为碳源转化为菌体的分率，则和式又可写成： 2232COaafFOHaaeFNOHCaadFNHaacFOaabFOHCFzyx 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算 2232111111fCOFOeHFNOHdCFcNHFbOFOHaCFzyx 将和，两式相加即为表达一般微生物反应的化学平衡通式： 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算 22321COaaffaFfOHaaeeaFeNOHdCFNOHCaadFNHaaccaFcOaabbaFbOHCzyx 生物工

12、程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算例如当生产菌体为目的的微生物反应时(如单细胞蛋白)，需要使F0，这样使碳源最大限度地转化为菌体，方程即为方程。相反，生成代谢产物为目的的微生物反应，应使F1 ，方程即为方程 ；例题1：假如通过实验测定，反应底物葡萄糖中假如通过实验测定，反应底物葡萄糖中2/3的碳转化为细胞的碳，的碳转化为细胞的碳，（1）计算该反应的计量系数）计算该反应的计量系数C6H12O6+aO2+bNH3 cC4.4H7.3O1.2N0.86 +dH2O+eCO2(2)计算上述反应的得率系数计算上述反应的得率系数YX/S（g干细干细胞胞/ g底物）和底物）和YX/O （g干细胞干

13、细胞/ g氧）。氧）。28解解: (1)1mol葡萄糖含有的碳为葡萄糖含有的碳为6mol 转化为细胞的碳为转化为细胞的碳为 6*2/3=4mol 则有则有 4=4.4c, c=0.909 转化为转化为CO2的碳量为的碳量为2mol 则有则有 2=e, e=2 N平衡平衡 b=0.86c ,b=0.782 H平衡平衡 12+3b=7.3c+2d, d=3.854 O平衡平衡 6+2a=1.2c+d+2e a= 1.47329X/SX/O0.9094.4 12+7.3+1.2 16+0.86 14Y =0.461g/g1800.909 (4.4 12+7.3+1.2 16+0.86 14)Y =1

14、.76g/g32 1.473（）干细胞 底物干细胞 氧(2)30例题2：酵母在需氧条件下，以乙醇为基质进行生长可酵母在需氧条件下，以乙醇为基质进行生长可表示下列总反应式表示下列总反应式： C2H5OHaO2+bNH3 cCH1.704N0.149O0.408+dCO2+eH2O 当RQ=0.66时，试求： a、b、c和d的值。 确定Yx/s和Yx/o值。31生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算第二节第二节 微生物反应过程微生物反应过程ATPATP和氧的衡算和氧的衡算 一、微生物反应过程的氧衡算 假定发酵是在充分供氧的条件下进行，即所消耗的基质除一部分被同化到菌体和产物外，其余全部

15、被氧化生成CO2和H2O，则由能量守恒定律可得氧元素的平衡式： 基质完全然烧需氧量 菌体完全燃烧需氧量 + 呼吸需氧量 + 产物完全燃烧需氧量 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算 PCOxBSA2式中 A：碳源S完全氧化时的需氧量；如葡萄糖为 6mol/molB：菌体x完全氧化时的需氧量；一般可取0.042 mol/g菌体(实验值) C：代谢产物P完全氧化时的需氧量；如乙醇为3、醋酸为2、乳酸为3； 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算式中的 O2是微生物生长代谢过程中的耗氧量，它由两个部分组成：一部分用于微生物维持生命活动，如果菌体浓度为 x，mo为氧的维持常数

16、，则在 t内，维持耗氧量为 moxt生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算另一部分是菌体生长的耗氧量，用YGo表示用于菌体生长的氧对菌体的得率常数，则生长 x菌体，相应的耗氧量为x/YGo，即整个发酵过程中的耗氧量 xYtxmOOGO 12生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算如果忽略代谢产物，则上式可写为 22111OQBAtOxtxxBtsxA QO2为氧的消耗比速 tOxQO 212生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算由 xYtxmOOGO 12转换成QO2的形式： OOGOGOYmxYxmxtOxO111122)txx;txx( 1生物工程专业课程

17、生化工程 第八章 反应过程质能衡算即 OGOYmO12 氧的消耗与碳源的消耗关系密切，为了寻找出二者之间的关系，由 OGOYmO12 代入 2OQBA 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算得：得： OGOYmBA OGOYBAAm11将此式与将此式与 mYG 1比较，可得：比较，可得： OOGGOYBAY;Amm111生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算因此，可以根据m、YG、mo、YGo之间的关系进行相互换算； 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算二、微生物反应耗氧量的计算二、微生物反应耗氧量的计算 耗氧量的计算在通风发酵上艺上，确定通风参数意义重大

18、，可根据氧衡算式进行计算 ；生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算由 xYtxmOOGO 12OGOYtxmOx 2生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算根据氧的衡算方程式： PCOxBSA 2当代谢产物被忽略时，可得： BOSAx2 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算联立求解这两个关于x的表达式： xYBYBmtSYBAtOOOOGGOG112 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算由于 OGYBA1OOGGOYBYBm1均为常数，分别用a、b表示，其意义是与碳源完全氧化耗氧相当的菌体生长的需氧量和与菌体维持代谢氧相当的均体生长的需氧量，这

19、样： 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算xbtSatO 2baQO 2或 从该式可以看出，发酵过程的耗氧量同基质底物被降解的速率和菌体本身的特性相关联 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算在污水处理过程中，曝气池的通风可以由这种关系未计算。污水处理是典型的连续发酵过程，由连续培养限制性基质物料衡算得出的关系： cssDdtds0代入上式得： xbssDatOc02 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算D是稀释率，可用 F/V表示，则 bxssVFadtdOxc021a可以理解为污水的生物耗氧量（BOD）；b是污水悬浮物浓度生物工程专业课程生化工程 第

20、八章 反应过程质能衡算三、微生物反应过程碳源消耗的分析以菌体生成关联的碳源消耗分成两个部分：一部分是以实物形式存在于菌体细胞中，即结构组成部分；一部分是由碳源转化为菌体结构过程中所消耗的能量；根据需要，可作如下划分：生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算Am0 GoYBA11GoYA 维持代谢的消耗：菌体增值的消耗：菌体结构形成的消耗：生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算 ABGooYmA 1菌体结构成分的消耗（合成代谢的消耗）：分解代谢的消耗：生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算四、生物氧化与能量传递 生物氧化是微生物生长代谢的关键；厌氧菌在嫌气条件下能进行基质水平磷酸化，该过程比好氧菌在有氧条件下的氧化磷酸化效率低 ；各种形式的能量释放过程中，均伴随有以ATP为主要能量载体物质的循环活动。 生物工程专业课程生化工程 第八章 反应过程质能衡算五、能量生长偶联型与能量生长非偶联型 能量供应是一切生化反应进行的前提，当其他原料供应