第四章 微生物反應(yīng)

1、第四章 微生物反應(yīng)動力學(xué) 酶反應(yīng)與微生物反應(yīng)的區(qū)別 得率系數(shù) 比生長速率 微生物生長動力學(xué)方程 底物的消耗速率 產(chǎn)物的生成速率 產(chǎn)熱速率 微生物反應(yīng)動力學(xué)的實驗測定4.1 酶反應(yīng)與微生物反應(yīng)的區(qū)別 作為催化劑，酶在反應(yīng)過程中總量不變，而微生物的量在不斷增加，即微生物反應(yīng)是自催化反應(yīng) 酶反應(yīng)是分子水平的，而微生物反應(yīng)是包括分子與細胞，細胞與細胞之間的復(fù)雜的反應(yīng) 微生物反應(yīng)過程的本質(zhì)是復(fù)雜的酶反應(yīng)體系，細胞內(nèi)所進行的所有的合成與分解反應(yīng)均是酶所催化的。4.2 微生物反應(yīng)的得率系數(shù) 即Yi/j，是對細胞消耗底物并將其轉(zhuǎn)化成細胞自身和目的產(chǎn)物的能力進行評價的一個參數(shù)。 對底物的菌體得率 對底物的理論菌

2、體得率對底物的產(chǎn)物得率對菌體的產(chǎn)物得率SXMMYSXSX/GXSXSXMMY生/*SPMMYSPSP/XPMMYXPXP/4.2 比速率 微生物生長的絕對速率可表示為 同樣其底物的消耗速率可表示為 產(chǎn)物的生成速率為 比生長速率 底物比消耗速率 產(chǎn)物比生成速率dtdXrxdtdSrsdtdPrpXrX1sSrXq1pPrXq14.3 微生物生長的動力學(xué) 微生物生長的特點 微生物生長模型的簡化 微生物生長的動力學(xué)模型4.3.1 微生物生長的特點 微生物的細胞小，數(shù)量多。 微生物生長的各個時期，微生物形態(tài)、性質(zhì)均各不相同， 微生物的細胞組成成分會因培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)時間而異 微生物反應(yīng)體系為多相體系。

3、4.3.2 微生物生長模型的簡化 不考慮每個微生物之間的差別，取其性質(zhì)上的平均值而建立的模型為確定論模型（概率論模型） 考慮細胞組成變化的基礎(chǔ)上建立的模型稱為結(jié)構(gòu)模型（非結(jié)構(gòu)模型） 細胞生長過程中各種成分按相同比例增加為均衡生長模型（非均衡生長模型） 菌體均勻分布在培養(yǎng)基中，稱為均一化模型（分離化模型）4.3.3 微生物生長的動力學(xué) Monod 方程 有底物抑制微生物生長動力學(xué) 有產(chǎn)物抑制的微生物生長動力學(xué) 有維持代謝的微生物生長動力學(xué) 邏輯方程 其他模型1、 Monod 方程 三點假設(shè) 方程 動力學(xué)參數(shù)三點假設(shè) 細胞生長為均衡生長，描述菌體生長的唯一變量就是細胞的濃度g（cell干重/L）

4、培養(yǎng)基中有多種成分，只有一種成分對微生物的生長起到限制作用（稱為限制性基質(zhì)） 菌體生長為單一反應(yīng)，YX/S是常數(shù)。Monod 方程 根據(jù)三點假設(shè)，在大量實驗的基礎(chǔ)上，Monod推導(dǎo)出其中，max為微生物的最大比生長速率，max越大，表明微生物的生長速率越快其值的大小與細胞體內(nèi)所包含的信息量有關(guān)，細胞內(nèi)包含的信量越大，生長速率越慢。而Ks沒有物理意義，只是一個很小的濃度單位，稱為飽和常數(shù)，此值越小，越表明在低濃度條件下，微生物越能快速利用底物進行生長。SKSsmax2、 有底物抑制的微生物反應(yīng)動力學(xué) 當(dāng)?shù)孜餄舛容^高時，此時微生物比生長速率與限制性底物濃度之間關(guān)系：此時微生物反應(yīng)存在一最佳底物濃度

5、即SIsKSSKS2maxSIsoptKKS3、有產(chǎn)物抑制時 細胞生長時，某些代謝產(chǎn)物濃度較高時，也會抑制微生物的生長，如酵母厭氧產(chǎn)生乙醇時，酒精濃度高于5%時，會抑制酵母的生長。 其中Pmax為反應(yīng)過程中所允許的最大產(chǎn)物濃度。SKSPPsn)1 (maxmax4、 考慮維持代謝時 實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孜餄舛鹊陀谀骋粩?shù)值以下時，細胞停止生長，但底物仍在消耗，這部分底物用于維持代謝 根據(jù)=0得到能觀察到菌體生長的最小底物濃度bSKSsxmabbKSsmaxmin5、邏輯方程 在某一特定環(huán)境下，應(yīng)有一最大細胞濃度Xmax，該濃度與基質(zhì)濃度有關(guān)，也叫Verhurst方程。由實驗確定、，其中maxmax)

6、1 (XKXXK)1 (maxXXKXdtdX型曲線是典型的，時，當(dāng)積分得，當(dāng)，給定邊界條件：當(dāng)SXXKeXXeXXXXttXXttKtKmaxmax00)1 (1006、其他方程 C. Tessier(1942) H. Hoser(1958) 藤本(1963) 雙底物exp1 )/(maxsKS2211max21SKSSKSss優(yōu)先利用模型：22max11max21SKSSKSss同時利用模型：SXKSsmaxnsnSKSmax4.4 微生物在分批培養(yǎng)時特點 延尺期 = 0 對數(shù)生長期 減速期 平衡期 衰亡期maxXrX1tXXmax0lnSKSsmaxXSKSXrsXmax0)(XkrdX

7、XkrdX4.5 底物消耗速率 通式，根據(jù) 得到1、當(dāng)?shù)孜锵闹挥糜诰w生長與維持能時，或者是產(chǎn)物是能量代謝的直接結(jié)果SXSXrrSXY/XYrYrSXXSXS/11XmrYrSXSXS/*1tVMtVMtVMMMMRSRSRSSSS維生維生）（）（)(XSXSSXSXMYMMMY*1*/生生)/(是環(huán)境因子的函數(shù)消耗的底物，單位時間內(nèi)因維持代謝（單位質(zhì)量的干細胞在底物為維持系數(shù)：，維hgcellgmtVXmMsRsSXmdtdXYdtdStVtVXmtVMYtsSXRRsRXSX*1*1S/SXsSXSsXSXSYmYqXmrYr/1*1*1sSXSXsSXSXmYYmYY*1,*11/或*

8、/SXsSXsSXsYmYmYm、求得特定環(huán)境下的減少，且可以通過實驗增加時，當(dāng)均是環(huán)境因子的函數(shù)，和2、當(dāng)產(chǎn)物的生成需要額外消耗底物時，底物的消耗用于生長、維持和代謝產(chǎn)物的生成即3、對于微生物的耗氧量可以通過測定反應(yīng)器中的供氣和排氣的含氧量來計算，也可以通過生化計量學(xué)來推算，也可以從燃燒反應(yīng)的衡量關(guān)系中得到：PSPSXSXSrYXmrYr/*11耗氧量底物燃燒耗氧量菌體燃燒耗氧量產(chǎn)物燃燒耗氧量燒需氧量單位質(zhì)量的產(chǎn)物完全燃其經(jīng)驗值為的需氧量，和燒生成單位質(zhì)量菌體完全燃的需氧量和燃燒生成單位質(zhì)量的底物完全CgcellgOOHCOBOHCOAPCXBSAO/33. 1)(222222)1(1111

9、1)(/2/22222XPSXXXOXOXOOXPSXXOCYBYArYXrYXrXqYCBYAXPCBXSAXOY表示為單位質(zhì)量菌體的需氧量例題 以葡萄糖為碳源，固氮菌進行好氧發(fā)酵，結(jié)果如下表所示，已知底物完全燃燒時需氧量為A=6mol氧氣/mol葡萄糖，菌體完全燃燒需氧量為B=0.042mol氧氣/g菌體，求 1）由實驗數(shù)據(jù)求維持系數(shù)ms、mO2及菌體得率YX/S、Y*X/O2 2）根據(jù)公式，從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從斜率和截距求得作圖，及因此根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，以及根據(jù)解：)1(11,11)1(1)1(11,1, 0)1()2*/*/*/*2/*2/*/2222222222BYAYAmmmYqmABYAABmYAqmYqABAqqBqAqYqCYCBYAqOXSXOssSXSOOXOOXSOOXOOSOSSXSXP

11、SXO述關(guān)系：兩式相比較，應(yīng)存在下又產(chǎn)物生成，則如果只有菌體生成而無根據(jù)2*/*/*/2/8 .1965042. 0665)/(9 . 015. 0622molOgcellBYAYYhgcellmolOmAmSXSXOXsO4.6 產(chǎn)物生成速率 產(chǎn)物的生成速率與比生成速率之間存在有 其中 與微生物的濃度無關(guān)，是表征細胞合成代謝產(chǎn)物能力大小的參數(shù)，可以用來篩選優(yōu)良菌株。呼吸熵： 常用于基本停止生長的休眠細胞或靜止期細胞的呼吸生理研究XqrPPPq222222OCOOCOqqrrOCORQ胞內(nèi)產(chǎn)物的生成速率 相關(guān)模型 部分相關(guān)模型 非相關(guān)模型XXPPrYr/XrrXPXrP胞外產(chǎn)物的生成速率對于胞

12、外產(chǎn)物，P與X之間沒有一個明確的通用關(guān)系式，一般將qP歸納為的某種函數(shù)形式如微生物反應(yīng)合成酶。作為通式可采用二次函數(shù)的形式乳糖等化為梨糖醇轉(zhuǎn)方程，符合此方程的山稱為成過程。一些胞外代謝產(chǎn)物的生地適用面的線性函數(shù)能較發(fā)好稱為伴隨生長型，如下CBAqDPiretLeudekingBAqqPPP2 此外，某些次級代謝產(chǎn)物的合成，應(yīng)考慮到每個細胞的化學(xué)組成及代謝活性等。如Shu認為不同菌齡的細胞相應(yīng)的生化活性各異，可用菌齡的多項式函數(shù)來表示總的生化活性。 Blanch和Rodgers認為在生產(chǎn)短桿菌肽S的培養(yǎng)液中存在未成熟和成熟的細菌，從而提出底物消耗速率與新生的未成熟的細菌的生長速率與正比，而短桿菌

13、肽S的生成速率與成熟細菌的生長速率成正比。4.7 產(chǎn)熱速率 微生物反應(yīng)是放熱反應(yīng)，儲存于碳源中的能量，在好氧反應(yīng)中有40-50%的能量轉(zhuǎn)化為ATP，其他的以熱量的形式被排放到環(huán)境中，由于微生物反應(yīng)對溫度的變化極為敏感，因而進行微生物反應(yīng)時，必須注意溫度的控制。其產(chǎn)熱速率與細胞濃度之間滿足XmqYYXqrHVPHVPHVXHVHV)11(/4.8 微生物動力學(xué)的實驗測定 目的 反應(yīng)器 方法4.8.1 目的 確定反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度之間的函數(shù)關(guān)系，即確立速率方程的基本形式 估算動力學(xué)參數(shù) 確定動力學(xué)參數(shù)與反應(yīng)條件之間的關(guān)系4.8.2 實驗反應(yīng)器 積分反應(yīng)器：混合均勻的間歇操作的反應(yīng)器 微分反應(yīng)器：

14、混合均勻的連續(xù)操作的反應(yīng)器 二者區(qū)別為底物在反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化率4.8.3 動力學(xué)參數(shù)的估算方法積分法：將所假設(shè)的動力學(xué)方程進行積分并線性化處理，將實驗數(shù)據(jù)代入作圖，若是直線，則假設(shè)正確，據(jù)圖求得相應(yīng)參數(shù)，否則重新假設(shè)。微分法：根據(jù)不同實驗條件下測得的反應(yīng)速率，直接由速率方程估算數(shù)值。)1(),1(11101nntKSSSKdtdSnnnSnKrKSrSnSlnlnln例題1在間歇操作槽式反應(yīng)器培養(yǎng)利用乳糖培養(yǎng)細菌，若菌體生長符合Monod方程，試根據(jù)下列數(shù)據(jù)求取動力學(xué)參數(shù)。序號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：因為BSTR在整個培養(yǎng)過程中沒有物料的加入和取出，是一恒容體系，因此可用雙倒數(shù)作圖法求得根據(jù)實驗，在一很短的時間間隔內(nèi)，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根據(jù)上式對所給數(shù)據(jù)進行處理得3101SXX1tXrX1max74. 0,/3 .301sLgKMonodSrXsX并根據(jù)直線求得方程細菌的生長符合作圖，得一直線，表明以例題2某一發(fā)酵過程是在CSTR中進行，假設(shè)其發(fā)酵反應(yīng)可表示成X +S X + P，若已知反應(yīng)器的有效體積為1L，且X00，P00，現(xiàn)改變加入反應(yīng)器內(nèi)底物的流量和濃度，同時測定反應(yīng)器出口未反應(yīng)底物和細菌濃度，得到下列數(shù)據(jù)，試確定其反應(yīng)速率方程。V0 (L/h)S0 (mmol/L)S (mmol/L)X (