生化反应工程微生物站反应动力学.ppt

3.4.6 多底物生长动力学 多底物对生长的不同影响： 多种底物对生长均必需，同时作为限制性底物对细胞的生长起限制作用，如葡萄糖和NH3。 多种底物相互间可替代，且可以同时被利用； 多种底物按一定顺序逐个被消耗，即有的底物具有优先权，如啤酒酿造中，葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖依次被利用。 原因：与细胞的代谢组成和相应的酶的合成的控制有关。 3.4.6 多底物生长动力学 一般认为，对于多重底物限制的情况，比生长速率可以采用多个单底物比生长速率表达式的乘积表示。 如果两种底物可以相互替代，并且可以被同时利用，则总的比生长速率可以表示为： 3.4.7 底物（基质）消耗动力学 底物的作用： 合成新的细胞物质； 合成代谢产物； 提供能量。 因此底物的消耗与细胞的生长、维持和产物的生成有密切关系。 3.4.7.1 底物的消耗速率 与比消耗速率 底物的消耗速率可通过细胞得率与细胞生长速率相关联： 消耗速率： CS——底物浓度，（g/L）或（mol/L） 3.4.7.2 底物的比消耗速率 底物的比消耗速率与细胞得率与细胞生长速率相关联： 比消耗速率：相对单位质量细胞在单位时间内的底物消耗量。 3.4.7.2 底物的比消耗速率 则有： 定义底物的最大比消耗速率为： 3.4.7.3 包括维持能的底物消耗动力学 底物消耗速率为： 当底物既是能源又是碳源时，应考虑维持能所消耗的底物。 维持能：用于维持细胞渗透压，修复DNA、RNA和其它大分子，维持细胞的结构和生命活性。 式中： 为生成细胞干重与完全消耗于细胞生长的底物的质量之比，它表示在无维持代谢时的细胞得率，可称为最大细胞得率。 m为细胞维持系数，g/(g.s) 3.4.7.3 包括维持能的底物消耗动力学 细胞维持系数m的定义：单位质量干细胞在单位时间内，因维持代谢所消耗底物的量。 m是微生物菌株的一种特性值，对于特定的菌株、底物和环境条件，它是常数。维持系数越低，细胞的能量代谢效率越高。 3.4.7.3 包括维持能的底物消耗动力学 内源代谢：又称内源呼吸，当底物浓度低，生长速率可能等于0。若底物浓度进一步降低至不足以满足细胞维持能所需时，细胞会消耗一部分细胞内含物以满足维持生理活性的要求。 此时的比生长速率可表示为： 式中：Ke为内源代谢速率常数。 3.4.7.3 包括维持能的底物消耗动力学 底物消耗速率方程两边均除Cx，即得底物比消耗速率： 3.4.7.4 包括产物生成的底物消耗动力学 当底物的消耗量取决于细胞的生长量、产物的生成量及维持代谢三个因素时，底物的消耗速率表示为 。 底物消耗速率方程两边均除Cx，即得底物比消耗速率： 3.4.7.5 氧的消耗动力学 氧气在好氧微生物反应过程起着举足轻重的作用，它是一种特殊的底物，在传质良好且满足微生物生长条件下，其消耗动力学符合一般底物动力学。 考虑维持能时： 3.4.7.5 氧的消耗动力学 考虑维持能时： 氧的比消耗速率： 例9：乙醇为碳源，进行酵母培养，获得如下数据： 求YX/O和mo。 μ/(h-1) 0.020 0.055 0.095 0.115 0.119 qo/[g/(g·h)] 0.0278 0.0589 0.0909 0.111 0.115 解：根据 将μ和qo作图 由图可知：1/ YX/O =0.871， mo =0.01 g/(g · h) 因此YX/O =1.19g/g 3.4.7.6 底物消耗动力学分析 碳源、能源物质 简单化合物 分解 （底物水平磷酸化） 释放的CO2和水 氧化 （氧化磷酸化） 能量化合物 释放到胞外小分子产物 细胞组成的前体物质 合成胞外复杂化合物 维持能 细胞分解底物产能和合成产物的示意图 3.4.7.6 底物消耗动力学分析 底物消耗与产物合成的关系 底物 维持能 细胞物质 产物、CO2、水 底物 维持能 细胞物质 CO2水 CO2水 产物 产物合成直接与能量产生相联系。产物为小分子，如乙醇。 底物部分或全部用于生成产物，能量代谢不与产物相关联，如胞外多糖、酶等。 例10：以甲醇为基质，进行某种微生物好氧分批培养，获得如下数据：： 求μ max；YX/S；倍增时间td；饱和常数Ks；t=10h时微生物细胞的比生长速率。 时间/h 0 2 4 8 10 12 14 16 18 X(g/L) 0.2 0.211 0.305 0.98 1.77 3.2 5.6 6.15 6.2 S(g/L） 9.23 9.21 9.07 8.03 6.8 4.6 0.92 0.077