生化工程第五章微生物培养及发酵动力学(精品)

第五章微生物培养及发酵动力学内容1基本概念2微生物反应的物料衡算3微生物反应的能量衡算4微生物反应动力学微生物生长的基质微生物反应的特点二微生物反应过程的质量衡算例题：(选自贾士儒48－69页)1.葡萄糖为基质进行面包酵母（S.cereviseae）培养，培养的反应式可用下式表达，求计量关系中的系数a、b、c、d。反应式为：C6H12O6＋3O2＋aNH3→bC6H10NO3(面包酵母)＋cH2O＋dCO2解：据平衡方程式,可得：C:6=6b+dH:12+3a=10b+2cO:6+6=3b+c+2dN:a=b方程联立求解为：a=b＝0.48c=4.32d=3.12上述反应计量关系式为:C6H12O6＋3O2＋0.48NH3→0.48C6H10NO3＋4.32H2O＋3.12CO2练习1．葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行酿酒酵母发酵。呼吸商1.04。消耗100mol葡萄糖和48molNH3生产了48mol菌体、312molCO2和432molH2O。求氧的消耗量和酵母菌体的化学组成。（呼吸商RQ＝CO2生成速率/O2消耗速率）第二节微生物反应过程的得率系数研究得率系数的意义：对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数。分为以下几类：部分菌体得率与产物得率得率定义单位YX/S消耗1g或1mol基质获得的干菌体克数，g/g,g/molYATP消耗1molATP获得的干菌体克数，g/molYKJ消耗1KJ热量获得的干菌体克数，g/KJYX/O消耗1gO2获得的干菌体克数，g/gYX/H1mol氢受体产生的干菌体克数，g/molYX/N消耗1g氮产生的干菌体克数，g/molYX/NO3-消耗1molNO3－获得的干菌体克数，g/molYCO2/S消耗1mol基质产生的CO2的摩尔数，mol/molYCO2/O消耗1molO2产生的CO2的摩尔数，mol/molYATP/S消耗1mol基质获得的ATP的摩尔数，mol/molYave-消耗1个有效电子获得的干菌体克数，g/ave－细胞得率（生长得率）:YX/S＝生产细胞的质量g/消耗基质的质量g＝ΔX/（-ΔS）碳元素的细胞得率:YC＝细胞生产量×细胞含碳量/基质消耗量×基质含碳量＝YX/S×(Xc/Sc)1．葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行某细菌的好氧培养。消耗的葡萄糖有2/3的碳源转化为细胞中的碳。反应式为：C6H12O6＋aO2＋bNH3→c(C4.4OH7.3N0.86O1.2)＋dH2O＋eCO2计算上述反应中的得率系数YX/S和YX/O解：据平衡方程式,可得：C:6=4.4c＋eH:12+3b=7.3c+2dO:6+2a=2.2c+d+2eN:b=0.86c由于1mol葡萄糖中含碳72g,转化为细胞内的碳为72×2/3=48(g)故：（4.4×12）c=48得：c=0.91转化为CO2的碳为72－48＝24（g）故：12e=24e=2解平衡方程中其他未知数，得：b=0.78;d=3.85;a=1.47故平衡方程为：C6H12O6＋1.47O2＋0.78NH3→0.91(C4.4OH7.3N0.86O1.2)＋3.85H2O＋2CO2YX/S＝0.91×（12×4.4＋16＋7.3＋14×0.86＋16×1.2）/180＝0.46(g/g)(以细胞/葡萄糖计)YX/O＝83.1/（1.47×32）＝1.77(g/g)(以细胞/氧计)第三节微生物反应过程的能量衡算微生物反应是放热过程。微生物利用碳源，通过呼吸（有氧）或发酵（无氧）将能量转化为ATP，供微生物生长、代谢，其余能量作为热量排出，进行微生物优化培养时，必须进行适宜的温度控制。从反应热的角度考虑反应过程中的能量代谢，进行能量衡算。一菌体得率1．YKJ：微生物对能量的利用(消耗1KJ热量获得的干菌体克数，g/KJ)YKJ＝ΔX(细胞生产量)Ea(细胞贮存自由能)+Eb(分解代谢释放自由能)＝(-ΔHa)(ΔX)+(-ΔHc)ΔHa:菌体X的燃烧热为基准的焓变，因菌体不同，一般取值ΔHa＝－22.15kJ/gΔHc:所消耗基质的焓变与代谢产物焓变之差，－ΔHc＝(-ΔHs)(-Δ[S])-∑(-ΔHp)(Δ[P])＝(-ΔH0*)(-Δ[O2])ΔHs:碳源氧化的焓变，kJ/mol；ΔHp:产物氧化的焓变，kJ/mol；ΔH0*:为呼吸反应焓变＝－444kJ/mol-[O2]故总表达式可写为：YKJ＝ΔX(-ΔHa)(ΔX)+(-ΔHs)(-Δ[S])-∑(-ΔHp)(Δ[P])＝Yx/s(-ΔHa)Yx/s+(-ΔHs)-∑(-ΔHp)Yp/s干酪乳杆菌在蛋白胨、牛肉膏为主要成分的复合培养基中，分别以葡萄糖、甘露醇为能源进行培养，计算YKJ由化工手册查知：ΔH葡萄糖＝－2816kJ/mol，ΔH乙酸＝－870kJ/mol，ΔH乙醇＝－1368kJ/mol，ΔH甲醇＝－264kJ/mol，ΔH乳酸＝－1363kJ/mol，ΔH甘露醇＝－3038kJ/mol，ΔHa＝－22.15kJ/mol能源Yp/s（mol/mol）(以产物/基质计)Yx/s（g/mol）(以细胞/基质计)乳酸乙酸乙醇甲醇葡萄糖0.051.050.941.7662.0甘露醇0.40.221.291.640.5解：以葡萄糖为能源时，YKJ＝Yx/s(-ΔHa)Yx/s+(-ΔHs)-∑(-ΔHp)Yp/s其中:∑(-ΔHp)Yp/s＝1363×0.05＋870×1.05＋1368×0.94＋264×1.76＝2732（kJ/mol）YKJ＝62.022.15×62.0+2816-2732＝0.043（g/kJ）以甘露醇为能源时,∑(-ΔHp)Yp/s＝1363×0.4＋870×0.22＋1368×1.29＋264×1.6＝2925（kJ/mol）YKJ＝40.522.15×40.5+3038-2925＝0.041（g/kJ）2．反应热（代谢热或发酵热）ΔHh＝基质燃烧热－菌体燃烧热－产物燃烧热=ΔHsΔ[S]-ΔHxΔX-∑ΔHpΔ[P]例题：葡萄糖为惟一碳源进行酵母培养。反应式为：1.11C6H12O6＋2.10O2→C.3.92H6.5O1.94＋3.42H2O＋2.75CO2求（1）Yx/s;(2)生成1kg细胞量时的ΔHh。已知酵母细胞和葡萄糖的燃烧热分别为1.50×104kJ/kg和1.59×104kJ/kg。解：Yx/s＝酵母细胞分子质量/1.11×葡萄糖分子质量＝3.92×12＋6.5＋1.94×16/1.11×180＝84.58/199.8＝0.42（kg/kg）生成1kg酵母细胞需要葡萄糖1/0.42=2.38(kg)ΔHh＝ΔHsΔ[S]-ΔHxΔX＝1.59×104×2.38－1.50×104×1＝2.25×104（kJ）2.分别采用含有蛋白胨和牛肉膏的复合培养基、含有多种氨基酸合成培养基和基本培养基进行单胞菌的厌氧培养。碳源为葡萄糖，获得如下结果(下表)。已知菌体的含碳量（以碳源/细胞计）为0.45g/g,求采用不同培养基时的YkJ.化工手册可知ΔH葡萄糖＝－2816kJ/mol,ΔH乙醇＝－1368kJ/mol,ΔH乳酸＝－1363kJ/mol,ΔHa＝－22.15kJ/mol.培养基Yx/s(g/mol)(以细胞/葡萄糖计)Yp/s(mol/mol)(以乙醇/葡萄糖计)Yp/s(mol/mol)(以乳酸/葡萄糖计)菌体中由葡萄糖所来碳元素的量基本4.11.50.21.0合成5.01.50.20.62复合8.01.60.20.48一发酵动力学研究内容：研究细胞生长速度与产物生成速度的关系及环境条件对速度的影响。二发酵过程的反应描述：XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）发酵反应动力学的研究内容研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应器特性+反应器的操作模型操作条件与反应结果的关系，定量地在线控制反应过程调整期对数期稳定期衰亡期时间细菌数目的对数某种细菌的生长曲线二微生物生长曲线第一节微生物生长动力学的基本概念一、微生物在一个密闭系统中的生长情况：时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期延迟期：dxdt0指数生长期:max倍增时间：td静止期：;dxdt0maxXX衰亡期:dxdt0一指数生长方程dX/dt=（μ－α）XX为微生物的菌体浓度，单位体积内干细胞质量（g/L）；μ比生长速率，每单位细胞浓度的生长速率(1/min;1/h)；ɑ为细胞自溶或内源代谢速率，其导致细胞量的损失.在指数生长期，μ》ɑ,故上式可改写为：dX/dt=μX，积分变形为：ln(X/X0)=μt或t=ln(X/X0)/μ或X=X0eμt第二节微生物生长动力学注：1）一般情况下，在微生物生长的各阶段，细胞增值规律均符合指数生长定律，但μ值随时间变化；2）在指数生长期，μ值达最大μm，且保持稳定；其他生长期，μ值随时间变化。3）表示微生物生长快慢的另一方法：倍增时间td：菌体细胞质量增加一倍所需的时间td=0.693/μ例：以乙醇为碳源进行产气杆菌培养，菌体初始浓度X0=0.1kg/m3,培养至3.2h,菌体浓度为8.44kg/m3，若不考虑延迟期，而且μ一定，求td二Monod方程μ随温度、pH、基质浓度、产物浓度、溶氧等条件而变化.μ＝f(s,p,T,pH,……,)Monod发现：在一定条件下(基质限制)μ＝f(S)经验公式：μ＝μmS/(Ks+S)μ：菌体的生长比速（1/h）S：限制性基质浓度（g/L）Ks：饱和常数(相当于1/2μm时的限制性基质浓度,g/L)μmax:最大生长比速（1/h）00.20.40.60.811.202004006008001000SVVmVm/2KmmaxsSKSμ：菌体的生长比速S：限制性基质浓度Ks：饱和常数(相当于1/2μm时的限制性基质浓度,g/L)μmax:最大生长比速（1/h）μS《Ks时，μ∞S直线关系S》Ks时，μ≈μm，Ks与μm反映了微生物的特征：基质Ks反映微生物对基质的亲和力：Ks小，亲和力大Monod方程的参数求解(双倒数法)：Ks与μm将Monod方程取倒数可得：111smmSKsmmSKS或：这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。maxsKSS例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221smmSKSμmax，＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/L01002000100200300400/ssm10.9m108.4sktd＝ln2/μmax＝0.64hsmmSKS第三节产物形成动力学一、初级代谢产物和次级代谢产物次级代谢产物：还有一类产物，对细胞的代谢功能没有明显的影响，一般是在稳定期形成，如抗生素等这一类化合物称为次级代谢产物。初级代谢产物：微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级代谢产物。二、发酵动力学类型（产物形成和菌体生长关系）：〖一类发酵－偶联型〗产物的形成和菌体的生长相偶联xpt〖二类发酵－混合型〗产物的形成和菌体的生长部分偶联xpt〖三类发酵－非偶联型〗产物的形成和菌体的生长非偶联xpt浓度三在分批发酵过程中，微生物生长、产物形成均与基质利用有关，因此可建立平衡方程：微生物生长：细胞积累＝生长dX/dt=μX产物形成：产物积累＝产物合成dP/dt=μX·Yp/x=qpX基质利用：基质积累＝－生长消耗－产物消耗－维持－dS/dt=－μX/Yx/s－qpX/Yp/s－mX=－qsX－qpX/Yp/s－mX比速率（μ、qp、qs）：单位时间内单位细胞浓度所引起的细胞生长或产物形成或底物消耗的量。（