微生物生化反应过程的质量和能量衡算培训课件

微生物生化反应过程的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：

2微生物生化反应过程的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或式中3微生物生化反应过程的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α1：每摩尔基质中碳的含量α2：每克(干)菌体内碳的含量α3：每摩尔二氧化碳内碳的含量α4：每摩尔产物内碳的含量4微生物生化反应过程的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：①满足菌体生长消耗，用(ΔS)G表示；②维持微生物生存的消耗，用(ΔS)m表示；③合成代谢产物的消耗，用(ΔS)P表示；则有：5微生物生化反应过程的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对于每一途径的消耗，下面讨论它们的效率。6微生物生化反应过程的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：用YG表示菌体的理论得率：7微生物生化反应过程的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同样，代谢产物的得率用Yp/s表示：用YP表示代谢产物的理论得率：8微生物生化反应过程的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将以上得率表达式结合碳源衡算式整理变形后，得：或式中：m为碳源维持常数9微生物生化反应过程的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：就ν与μ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/YG10微生物生化反应过程的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微生物发酵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。11微生物生化反应过程的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：①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；②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；反应物中相应略去P、S等；生成物中略去不重要的副产物；12微生物生化反应过程的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CH164O0.52N0.16、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：13微生物生化反应过程的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①写出反应化学简式。②根据转化率配系数。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：14微生物生化反应过程的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那么，菌体的摩尔数为：③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15微生物生化反应过程的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对于P173的化学平衡式：CH2O的式量为30，菌体C3.92H6.5O1.94式量为84.58。从实验结果来看，200g

C6H12O6可生成84.6g酵母菌菌体，即16微生物生化反应过程的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100g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：17微生物生化反应过程的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根据当忽略m时即是说这种情况下，菌体的Yx/s与YG接近。18微生物生化反应过程的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。19微生物生化反应过程的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CαHβOγNζ，其中α、β、γ、ζ分别表示菌体内碳、氢、氧、氮四种元素的比原子数，则碳源在存在氧和氮源的情况下转化为菌体的化学平衡式可表示为：20微生物生化反应过程的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式中a、b、c、d、e、f分别表示反应物和产物的摩尔数。21微生物生化反应过程的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代谢产物的积累同样可表示为：式中a′、b′、c′、d′、e′、f′分别表示反应物和产物的摩尔数。22微生物生化反应过程的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从方程①和②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②相乘得：23微生物生化反应过程的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③和①式又可写成：24微生物生化反应过程的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将④和，⑤两式相加即为表达一般微生物反应的化学平衡通式：25微生物生化反应过程的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26微生物生化反应过程的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F→0，这样使碳源最大限度地转化为菌体，方程⑥即为方程①。相反，生成代谢产物为目的的微生物反应，应使F→1，方程⑥即为方程③；27微生物生化反应过程的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二节微生物反应过程ATP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28微生物生化反应过程的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0.042mol/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；29微生物生化反应过程的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式中的ΔO2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，则在Δt内，维持耗氧量为moxΔt30微生物生化反应过程的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Δx菌体，相应的耗氧量为Δx/YGo，即整个发酵过程中的耗氧量31微生物生化反应过程的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如果忽略代谢产物，则上式可写为QO2为氧的消耗比速32微生物生化反应过程的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由转换成QO2的形式：

33微生物生化反应过程的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即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，由代入34微生物生化反应过程的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得：将此式与比较，可得：35微生物生化反应过程的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因此，可以根据m、YG、mo、YGo之间的关系进行相互换算；36微生物生化反应过程的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，可根据氧衡算式进行计算；37微生物生化反应过程的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由38微生物生化反应过程的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根据氧的衡算方程式：当代谢产物被忽略时，可得：39微生物生化反应过程的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由于均为常数，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，这样：41微生物生化反应过程的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42微生物生化反应过程的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：代入上式得：43微生物生化反应过程的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D是稀释率，可用F/V表示，则a可以理解为污水的生物耗氧量（BOD）；b是污水悬浮物浓度44微生物生化反应过程的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：45微生物生化反应过程的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维持代谢的消耗：菌体增值的消耗：菌体结构形成的消耗：46微生物生化反应过程的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菌体结构成分的消耗（合成代谢的消耗）：分解代谢的消耗：47微生物生化反应过程的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。48微生物生化反应过程的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，当其他原料供应充足时，菌体的生长就取决于ATP的供应情况，这种生长就是能量生长偶联型；当ATP供应充分时，由于菌体生长原料受限制而导致菌体生长受影响，这时菌体的生长表现为能量生长非偶联型，此时，