生化工程第八章 微生物生化反应过程的质量和能量衡算.ppt

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1、第八章微生物生化反应过程的质量和能量衡算生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算第一节微生物生化反应过程的碳素衡算一、微生物反应过程中营养物质和产物之间的碳素衡算相同微生物在不同的培养条件下培养，菌体细胞的元素组成有些区别，但差别不大，因此可看作是相对稳定的。这样，就可以根据基质中的营养物质(S)、菌体(x)、产物(P)和二氧化碳中碳元素的数量写出微生物反应过程碳元素的衡算式：生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算或式中生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算α1：每摩尔基质中碳的含量α2：每克(干)菌体内碳的含量α3：每摩尔二氧化碳内碳的含量α4：每摩尔产物内碳的含量

2、生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算二、微生物反应过程中主要基质—碳源的衡算在微生物反应中，碳源的用途主要消耗于：①满足菌体生长消耗，用(ΔS)G表示；②维持微生物生存的消耗，用(ΔS)m表示；③合成代谢产物的消耗，用(ΔS)P表示；则有：生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算对于每一途径的消耗，下面讨论它们的效率。生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算对于菌体生长来讲，基质的消耗用于菌体的生长部分，用菌体得率Yx/s表示：用YG表示菌体的理论得率：生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算同样，代谢产物的得率用Yp/s表示：用YP表示代谢产物的理论得率：生物

3、工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算将以上得率表达式结合碳源衡算式整理变形后，得：或式中：m为碳源维持常数生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算在以微生物细胞为目的的培养过程中，代谢产物的积累可以忽略不计，这样上式就可简化为：就ν与μ的关系来看，该式是一条直线方程，其截距为碳源维持常数m，其斜率为1/YG生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算三、培养微生物细胞物质为目的的微生物反应过程中的化学平衡微生物发酵是由微生物产生的许多酶催化的复杂的生化反应过程。目前只能从宏观上，依据质能守恒定律，确定整个反应过程的基质消耗、菌体生长、呼吸、放热、代谢产物生成等质量和能量转化的

4、规律及其定量关系，列出总的化学计量方程式、作为发酵过程质量和能量衡算及过程优化的基础。生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算为减少问题的复杂性，在研究发酵过程的化学计量式时，作如下的处理：①对复杂分子组成的原料用简化的化学式表示。如碳源用C6H12O6或CH2O表示；氦源用NH3示；磷、硫源分别用H3PO4和H2SO4表示；②忽略反应中的一些次要的元素和成分。如一般在菌体组成式中略去P、S及其它无机元素；反应物中相应略去P、S等；生成物中略去不重要的副产物；生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算菌体的生长一般是在供氧条件下，将营养基质转化成菌体成分、CO2和H2O的过程。因

5、此，如果菌体的化学组成和基质到菌体的最大转化率已经知道的时，就可以列出微生物生长的化学计量式。如，青霉菌以葡萄糖为基质，通气培养,其菌体化学组成为CH164O0.52N0.16、葡萄糖至菌体的转化率为0.48g干菌体/葡萄糖，则可对下式进行配平。步骤如下：生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算①写出反应化学简式。②根据转化率配系数。C6H12O6的摩尔质量为180；菌体CH164O0.52N0.16摩尔质量为24.2，已知葡萄糖至菌体的转化率为0.48g干菌体/葡萄糖，则以1摩尔葡萄糖为基准，生成菌体的量为：生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算那么，菌体的摩尔数为：③通过

6、质量平衡，配平其他成分的系数，最后得的计量方程式为生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算对于P173的化学平衡式：CH2O的式量为30，菌体C3.92H6.5O1.94式量为84.58。从实验结果来看，200gC6H12O6可生成84.6g酵母菌菌体，即生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算上面计算时没考虑菌体的N、P等元素，如果考虑这些元素，则可得到约100g干酵母菌，即Yx/s约为0.5。当碳水化合物浓度控制在适当水平(远大于Ks)，通风条件非常好，能供给充足的溶氧时，酵母的生长比速较大；此时，用于菌体生长的基质消耗远大于用于维持代谢的消耗，即：生物工程专业课程生化工程

7、第八章反应过程质能衡算根据当忽略m时即是说这种情况下，菌体的Yx/s与YG接近。生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算因此，在以菌体数量为培养目的的发酵生产中，应尽量创造以上所述的条件，使菌体的Yx/s与YG接近。发酵实践中，比较菌体的Yx/s与YG的差值，可以作为衡量发酵工艺及工艺管理水平的一个重要指标。生物工程专业课程生化工程第八章反应过程质能衡算四、微生物反应的化学平衡通式在发酵中，碳源的分子式用CxHyO