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第八章

微生物生化反應(yīng)的質(zhì)量和能量衡算

微生物反應(yīng)過程的特點1.微生物反應(yīng)是生物化學(xué)反應(yīng)，通常是在常溫、常壓下進(jìn)行。

2.反應(yīng)中參與反應(yīng)的培養(yǎng)基成分多，反應(yīng)途徑復(fù)雜，因而在微生物生長的同時往往還伴隨著生成代謝產(chǎn)物反應(yīng)。

3.微生物反應(yīng)還受到眾多外界環(huán)境因素的影響。

對微生物反應(yīng)過程做概念性描述，可表示為：

營養(yǎng)物質(zhì)（碳源、氮源、氧及無機(jī)鹽）＝新微生物細(xì)胞+代謝產(chǎn)物+二氧化碳此式不是計量關(guān)系式。在生物工業(yè)中，有些行業(yè)，如酵母生產(chǎn)，只要求菌體的產(chǎn)生，不希望產(chǎn)生其他產(chǎn)物；乙醇工業(yè)中，由于是厭氧反應(yīng)，因此，氧和水項等于零。另一些行業(yè)，如氨基酸、酶制劑、抗生素和有機(jī)酸等生產(chǎn)，上式各項都不能少。

對各元素進(jìn)行原子衡算如果碳源由C、H、O組成，氮源為NH3，細(xì)胞的分子式定義為CHxOyNz，忽略其他元素，可用下式表示微生物反應(yīng)：CHmOn+aO2+bNH3=cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH2O+fCO2

CHmOn--碳源的元素組成；CHxOyNz--細(xì)胞的元素組成；CHuOvNw--產(chǎn)物的元素組成；

下標(biāo)mnuvwxyz--與一個碳原子相對應(yīng)的氫、氧、氮的原子數(shù)。評價微生物生物代謝機(jī)能的重要指標(biāo)--呼吸商（RQ)RQ=CO2生成速率/O2消耗速率例：乙醇為基質(zhì)，耗氧培養(yǎng)酵母，反應(yīng)方程為：C2H5OH+aO2+bNH3=c(CH1.75N0.15O0.5)+dCO2+eH2O呼吸商RQ=0.6。求各系數(shù)a、b、c、d、e解：C:2=c+dH:6+3b=1.75c+2eO:1+2a=0.5c+2d+eN:b=0.15已知RQ=0.6即d=0.6a聯(lián)立求解a=2.394b=0.085c=0.564d=1.436e=2.634反應(yīng)式：C2H5OH+2.394O2+0.085NH3=0.564(CH1.75N0.15O0.5)+1.436CO2+2.634H2O

在相同微生物不同培養(yǎng)條件和限制性基質(zhì)情況下，微生物細(xì)胞的元素組成有些差別，但差別不大，可以看作相對穩(wěn)定。根據(jù)培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)（S），菌體（X），產(chǎn)物（P）和二氧化碳中含碳元素的數(shù)量可以寫出微生物反應(yīng)過程碳元素的衡算式：

(-dS/dt)α1=(dX/dt)α2+(dCO2/dt)α3+(dP/dt)α4να1=μα2+QCO2α3+QPα4

Ν：營養(yǎng)物質(zhì)的消耗比速，ν=(1/X)(-dS/dt)(mol/g.h)Μ：微生物菌體生長比速，μ=(1/X)(dX/dt)(h-1)QCO2：二氧化碳生成比速，QCO2=(1/X)(dCO2/dt)(mol/g.h)QP：代謝產(chǎn)物生成比速，QP=(1/X)(dP/dt)(mol/g.h)α1：每摩爾基質(zhì)中碳的含量(g/mol),葡萄糖α1=72α2：每克干菌體中碳的含量(g/g),一般α1=0.5α3：每摩爾二氧化碳碳的含量（g/mol),α3=12α4：每摩爾產(chǎn)物內(nèi)碳的含量（g/mol），對乙醇α4=24，對醋酸α4=24，對乳酸α4=36等。

①菌體得率(細(xì)胞得率）=YX/S=ΔX/(-ΔS)=(dX/dt)/(-dS/dt)=dX/(-dS)單位為g/g或g/mol②相應(yīng)代謝產(chǎn)物得率：YP/S=dP/(-dS)③菌體理論得率:YG=(生成菌體的量)/(用于同化為菌體碳源消耗)=dX/(-dS)G④代謝產(chǎn)物理論得率YP=(生成產(chǎn)物的量)/(用于異化產(chǎn)物的碳源消耗)=dX/(-dS)G⑤YATP：消耗1molATP所獲得的干菌數(shù)g/mol⑥Ykj：消耗1kJ熱量所獲得的干菌數(shù)g/kJ⑦YX/O：消耗1g氧所獲得的干菌數(shù)g/g⑧Yav，e-：消耗一個有效電子所獲得的干菌克數(shù)Ykj=Yav，e-/109.0109.0：為氧化一個有效電子所伴隨的焓變。有效電子數(shù)：當(dāng)1mol碳源完全氧化時，所需要氧的摩爾數(shù)的4倍稱為該基質(zhì)的有效電子數(shù)。P/O:每消耗1原子的氧所生成ATP的分子數(shù)量，一般酵母1.0，細(xì)菌為0.5～1.0YA/O:氧消耗對ATP的得率(ΔATP)s/(ΔO2)P/O=?.YA/O-dS/dt=(1/YG)(dX/dt)+mX+(1/YP)(dP/dt)ν=(1/YG)μ+m+(1/YP)在以培養(yǎng)微生物細(xì)胞為目的微生物反應(yīng)過程中，代謝產(chǎn)物的積累可以忽略不計，上式可簡化為：ν=(1/YG)μ+m

以ν為縱坐標(biāo)，μ為橫坐標(biāo)的圖上可得到一直線。該直線在縱坐標(biāo)上的截距為維持常數(shù)m，其斜率為1/YG。ν/μ=1/YG+m/μ1/(YX/S)=1/YG+m/μ微生物生長比速μ作為橫坐標(biāo)，將菌體得率YX/S的倒數(shù)為縱坐標(biāo)的圖上所得的直線其斜率為維持常數(shù)m，截距為理論得率的倒數(shù)1/YG

例：葡萄糖為唯一碳源，在通風(fēng)提供足夠溶解氧的情況下連續(xù)培養(yǎng)Azotobactervinelandii的結(jié)果并根據(jù)上面推導(dǎo)的關(guān)系求得該微生物的理論得率YG、維持常數(shù)m和不同情況下葡萄糖消耗對菌體生長的得率YX/Sν(mol/g.h)(10-2):0.22,0.31,0.35,0.49,0.50,0.53,0.74μ(h-1):0.06,0.098,0.121,0.200,0.246,0.300,0.350解：以ν為縱坐標(biāo)，以μ為橫坐標(biāo)做直線，根據(jù)直線在縱坐標(biāo)的截距和它的斜率的倒數(shù)分別為：m=0.9×10-3mol/(g.h)YG=54g/molYX/S=μYG/(m.YG+μ)g/molYX/S:31.3,36.1,38.5,43.1,45.1,46.5,47.4可以看出微生物生長比速愈大或碳源消耗比速愈大（這是由于碳源作為限制性基質(zhì)，其濃度增加的結(jié)果），YX/S與YG愈接近，可以推得YG是YX/S的極限。若為單一碳源培養(yǎng)基，微生物生長菌體并生成產(chǎn)物的條件下，按碳源和產(chǎn)物完全氧化所需的氧，可建立下列氧的衡算式：A(-ΔS)=BΔX+ΔO2+CΔP

A：碳源S完全氧化需氧量，如葡糖:A=6(mol/mol)B：菌體X完全氧化需氧量，一般可B=0.042(mol/g)C：代謝產(chǎn)物P完全氧化需氧量(mol/mol)，如乙醇C=2，醋酸C=2，乳酸C=3ΔO2是微生物反應(yīng)過程中的耗氧量。它由兩部分組成：維持生命活動的耗氧+生長菌體的耗氧。m0：為菌體需要的氧的維持常數(shù)（mol/g.h)若以X為培養(yǎng)液內(nèi)菌體的濃度，在Δt時間內(nèi)維持所需的耗氧量應(yīng)為：m0.X.Δt。YGO：用于菌體生長氧的理論得率(g/mol)即：

生成菌體量/用于菌體生長的氧

ΔO2=m0.X.Δt+ΔX/YGO

忽略代謝產(chǎn)物可得：A(1/X)(-ΔS/Δt)=B(1/X)(ΔX/Δt)+(1/X)(ΔO2/Δt)即：Aν=Bμ+QO2

QO2：氧的消耗比速（mol/g.h)QO2=(1/X)(ΔO2/Δt)=(1/X)(m0.X+μX.1/YGO)=m0+μ/YGO

上式是一直線方程，當(dāng)在連續(xù)培養(yǎng)微生物記錄μ所對應(yīng)QO2，在μ為橫坐標(biāo)，QO2為縱坐標(biāo)的圖上為一直線，以直線在縱坐標(biāo)上的截距為微生物反應(yīng)過程氧的維持常數(shù)m0其斜率即為氧對微生物菌體的理論得率YGO的倒數(shù)。

微生物反應(yīng)耗氧量的計算根據(jù)氧衡算可以估計微生物反應(yīng)的耗氧量。ΔO2=m0.X.Δt+ΔX/YGO

ΔX=(ΔO2-m0.X.Δt)YGO

A(-ΔS)=BΔX+ΔO2+CΔP

當(dāng)ΔP=0ΔX=[A(-ΔS)-ΔO2]/B消去ΔX并進(jìn)行整理得到：ΔO2/Δt=[A/(1+BYGO)]/(-ΔS/Δt)+[m0.B.YGO/(1+BYGO).Xp181設(shè)a=A/(1+BYGO)b=m0.B.YGO/(1+BYGO)。式中均為常數(shù)物理意義：a--與碳源完全氧化耗氧相當(dāng)?shù)木w生長的需氧量。（mol/mol,g/g)b--微生物菌體維持代謝的氧的消耗比速（mol/g.h,g/g.h)ΔO2/Δt=a(-ΔS/Δt)+b.X或是QO2=aν+b微生物反應(yīng)過程碳源消耗的分析碳源的消耗=維持代謝的消耗(m0/A)+用于菌體增殖的消耗(1/A)(B+1/YGO)μ=維持代謝的消耗(m0/A)+合成菌體耗能的碳源的消耗(μ/AYGO)+構(gòu)成菌體成分的消耗(B/A)μ=分解代謝碳源的消耗(1/A)(m0+μ/YGO)+合成菌體代謝碳源消耗(Bμ/A)

維持+買材料+蓋房子能量生長偶聯(lián)型和能量生長非偶聯(lián)型當(dāng)有大量合成菌體材料存在時，微生物生長取決于ATP的供能，這種生長就是能量偶聯(lián)型生長。（YATP≥10g/mol）當(dāng)缺少合成菌體的材料或存在生長抑制物質(zhì)，這時的生長取決于合成菌體材料的供應(yīng)或合成反應(yīng)的進(jìn)程，這種生長就是能量非偶聯(lián)型生長。（這時多余的ATP會被相應(yīng)的酶水解，能量以廢熱的方式釋放）（YATP<10g/mol）三、微生物反應(yīng)過程的ATP衡算

對于ATP衡算，用碳和氧衡算相似的形式表示：(ΔATP)s=(ΔATP)m+(ΔATP)G

(ΔATP)s--碳源分解代謝所形成的ATP數(shù)量(ΔATP)m--用于微生物菌體維持生命活動的ATP消耗