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生物工程反应 姜 梅 2010.10 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。 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。 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，实际控制相当困难。 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。 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） 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 C.?????? 呼吸商: 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. 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 a=2.394 b=0.085  c=0.564 d=1.436 e=2.634 [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) 微分细胞得率 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。 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 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 [例3]求例题2中酵母细胞(CH1.75N0.15O0.15)的YX/S和YX/O。 对能量的细胞得率Y-ave 、 YKJ、 YATP Y-ave：基质完全氧化失