第3章生物計量學(xué)與反應(yīng)動力學(xué)-2

1、 2012/5/18 第3章 微生物反應(yīng)質(zhì)能平衡與計量 五、微生物反應(yīng)的得率系數(shù) 得率：菌體得率(cell yield 又稱為生長得率(growth yield 或 l 概述 l 生物反應(yīng)細(xì)胞量 l 生物反應(yīng)中的物質(zhì)平衡 l 微生物反應(yīng)的呼吸商和還原度 l 微生物反應(yīng)的得率系數(shù) l 微生物反應(yīng)的質(zhì)量衡算 l 微生物反應(yīng)的能量代謝與計量 細(xì)胞得率系數(shù)(yield coefficient, yield factor），對碳源 等物質(zhì)生成細(xì)胞或其他產(chǎn)物的潛力進(jìn)行定量評價的重 要參數(shù) 細(xì)胞反應(yīng)過程中二種變化的比較 要參數(shù)。細(xì)胞反應(yīng)過程中二種變化的比較 C6 H12O6 + aO2 + bNH 3 cC

2、Ha Ob Nd + dCH x Oy N z + eH 2O + fCO2 三種定義： Yp s = rp rs O2 = Dp C pt - C p 0 = Ds Cs 0 - Cst rCO2 rO2 = DCO2 qCO2 = DO2 qO2 RQ = YCO2 = 五、微生物反應(yīng)的得率系數(shù) 細(xì)胞得率：消耗1g基質(zhì)生成細(xì)胞的克數(shù)稱為細(xì)胞得率或稱生長 得率Yx/s (cell yield或 growth yield。其定義式： 五、微生物反應(yīng)的得率系數(shù) 同一菌種，同一培養(yǎng)基，好氧培養(yǎng)的Yx/s比厭氧培養(yǎng)的大得 多。另外同一菌株在基本、合成和復(fù)合培養(yǎng)基中培養(yǎng)所得 Yx/s大小順序為復(fù)合培養(yǎng)

3、基、合成培養(yǎng)基、基本培養(yǎng)基。 Yx / s = 生成細(xì)胞的質(zhì)量 DX = 消耗基質(zhì)的質(zhì)量 - DS 細(xì)胞得率的單位是(以細(xì)胞/基質(zhì)計g/g Yx / s = r dX dX / dt = x (= dCS rs d S / dt 式中：rx 微生物細(xì)胞的生長速率 rs 基質(zhì)的消耗速率 某一瞬間的細(xì)胞得率稱為微分 細(xì)胞得率(或瞬時細(xì)胞得率 五、微生物反應(yīng)的得率系數(shù) 當(dāng)基質(zhì)為碳源，無論是好氧培養(yǎng)還是厭氧培養(yǎng)，碳源的一部分被同化 (assimilate or anabolism為細(xì)胞的組成成分，其余部分被異化(dissimilate or catabolism分解為CO2和代謝產(chǎn)物。如果從碳源到菌體

4、的同化作用看，與碳 元素相關(guān)的細(xì)胞得率Yc Y 可由下式表示： 可由下式表示 五、微生物反應(yīng)的得率系數(shù) Yc = X 細(xì)胞生產(chǎn)量 細(xì)胞含碳量 Yx / s c 基質(zhì)消耗量 基質(zhì)含碳量 Sc 式中：X c和Sc 單位質(zhì)量細(xì)胞和單位質(zhì)量基質(zhì)中所含碳元素量。 Yc值一般小于1，為0.4 0.9。 6 2012/5/18 第3章 微生物反應(yīng)質(zhì)能平衡與計量 六、微生物反應(yīng)的質(zhì)量衡算 含碳基質(zhì) O2 維持代謝 l 概述 l 生物反應(yīng)細(xì)胞量 l 生物反應(yīng)中的物質(zhì)平衡 l 微生物反應(yīng)的呼吸商和還原度 l 微生物反應(yīng)的得率系數(shù) l 微生物反應(yīng)的質(zhì)量衡算 l 微生物反應(yīng)的能量代謝 菌體 菌體生長 中間代謝 初級代

5、謝產(chǎn)物 產(chǎn)物合成 CO2+H2O CO2+H2O 次級代謝物 CO2+H2O 六、微生物反應(yīng)的質(zhì)量衡算 微生物反應(yīng)的碳源消耗可表示為 六、微生物反應(yīng)的質(zhì)量衡算 最大菌體得率和理論得率系數(shù) 六、微生物反應(yīng)的質(zhì)量衡算 S - dsi 1 dx 1 dp = Msx + * + * dt Yx / s dt Yp / s dt 1 1 q s = ms + * m + * q p Yx / s Yp / s C 基質(zhì)中的碳菌體中的碳+產(chǎn)物中的碳+CO2中的碳 dp j dx dCO2 - dsi =ax + a pj + a CO2 a si dt d d dt d dt d dt N O2 - d

6、O 1 dx 1 dp = mo x + * + * dt Yx / o dt Y p / o dt 1 1 qo = mo + * m + * q p Yx / o Yp / o 基質(zhì)中的氮菌體中的氮+產(chǎn)物中的氮+CO2中的碳 - ds ds dx b si dt i = b x dt + b pi dti CO2 - dCO2 1 dx 1 dp = mCO 2 x + * + * dt Yx / CO2 dt Yp / CO2 dt qCO2 = mo + 1 1 m + * qp Yx*/ CO2 Y p / CO2 7 2012/5/18 第3章 微生物反應(yīng)質(zhì)能平衡與計量 七、生物反

7、應(yīng)過程中的能量平衡 微生物反應(yīng)是放熱反應(yīng)，儲存于碳源中能源，在好氧反應(yīng)中有40%50%的 l 概述 l 生物反應(yīng)細(xì)胞量 l 生物反應(yīng)中的物質(zhì)平衡 l 微生物反應(yīng)的呼吸商和還原度 l 微生物反應(yīng)的得率系數(shù) l 微生物反應(yīng)的質(zhì)量衡算 l 微生物反應(yīng)的能量代謝 能量轉(zhuǎn)化為ATP，供微生物的生長、代謝之需，其余的作為熱量被排放。 微生物反應(yīng)中的反應(yīng)熱，也稱代謝熱，圖中給出了同化代謝與分解代謝產(chǎn) 生熱量之間的關(guān)系： 營養(yǎng)組分通過分解代謝，在生成 營養(yǎng)組分通過分解代謝 在生成 能量(ADP-ATP的同時，生成產(chǎn)物。 另一方面，組分通過同化代謝在 合成微生物細(xì)胞同時利用了能量 (ADP-ATP。 能量可以從

8、呼吸(如糖在氧存在下 氧化分解為CO2、H2O和發(fā)酵獲得 (厭氧進(jìn)程中糖分解為中間代謝物 和CO2。 七、生物反應(yīng)過程中的能量平衡 七、生物反應(yīng)過程中的能量平衡 消耗的總化學(xué)能 生物反應(yīng)可近似看成定壓定容過程，過程的反應(yīng)熱 維持代謝能 菌體生長能 產(chǎn)物合成能 菌體貯存能 產(chǎn)物貯存能 如果已知細(xì)胞的經(jīng)驗分子式 DH x = 細(xì)胞的還原水平RL： 分解代謝 菌體生長 產(chǎn)物合成 460.24 RL N C 細(xì)胞的摩爾質(zhì)量 RL = 2 NC + N H / 2 - NO 2NC 其中NC、 NH 、NO是細(xì)胞經(jīng)驗分子式中碳、氫、氧的原子數(shù) 七、生物反應(yīng)過程中的能量平衡 化學(xué)能平衡 七、生物反應(yīng)過程中

9、的能量平衡 DH 氧平衡 0 si dp j dH c - dsi 0 dx 0 = DH x + DH pj + dt dt dt dt Hc：反應(yīng)熱 微生物反應(yīng)中可以用YKJ 表示微生物對能量的利用情況，即 YKJ = DX DX（細(xì)胞生產(chǎn)量） = DE Ea (細(xì)胞儲存的自由能 + Eb(分解代謝所釋放的自由能） 式中：E 消耗的總能量，包括Ea和Eb X 細(xì)胞生產(chǎn)量 g si - ds i dx =gx + dt dt 其中: 還原度 g dp pj j dt + - 4 dO 2 dt YKJ = DX (- DHa ( DX + ( -DHc 式中： DHa 以菌體 X的燃燒熱為基準(zhǔn)的焓變 ，其因菌體的不同而不 同，一般 取值 DHa = -22.15 KJ / g DHc 所消耗基質(zhì)的焓變與代 謝產(chǎn)物的焓變之差，其 由下式給出： - DHc = ( -DHs (- D S - D P ( 4 - 16 （ DHp （ 式中： DHs 碳源氧化的焓