生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)課件

1、生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)2.1 2.1 微生物基礎(chǔ)知識(shí)微生物基礎(chǔ)知識(shí)2.2 2.2 微生物反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量與能量衡算微生物反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量與能量衡算 2.3 2.3 微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)第一代生物技術(shù)產(chǎn)品的出現(xiàn)1857年法國(guó)著名生物學(xué)家巴斯德用實(shí)驗(yàn)證明了酒精發(fā)酵是由活的酵母引起的，其它不同的發(fā)酵產(chǎn)物則是由不同微生物的作用而形成。后來(lái)發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樗鼈兎置诹艘环N具有發(fā)酵能力的物質(zhì)，稱為酶。其它如制造醋、醬（油）、奶制品、面包，醫(yī)學(xué)上的以霉治瘍技術(shù)。 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)第二代近代生物技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展40年代初，第二次世

2、界大戰(zhàn)爆發(fā)。醫(yī)生們急需一種比磺胺藥物更為效而毒副作用小的抗菌感染的藥物來(lái)治療傷員和平民因創(chuàng)傷引起的感染及繼發(fā)性疾病。于是，1928年英國(guó)Flemingfa發(fā)現(xiàn)的青霉素成為此類抗菌消炎藥的首選。時(shí)至今日，青霉素仍被認(rèn)為是20世紀(jì)醫(yī)學(xué)史上最偉大的發(fā)現(xiàn)。 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)第三代現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品 從1953年美國(guó)的Watson及Crick發(fā)現(xiàn)了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，由此而來(lái)21世界克隆等基因工程的快速發(fā)展。1953年Grubhofer及Schleith提出了酶的固定化技術(shù)。1956年，中國(guó)首次人工合成了結(jié)晶牛胰島素。到現(xiàn)在，干擾素、生長(zhǎng)激素、淋巴細(xì)胞活素、疫苗、白蛋白、心鈉素等各種DNA重組

3、技術(shù)產(chǎn)品已逐漸被廣泛運(yùn)用 。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)(1) 發(fā)酵食品(醬、納豆、酸奶、奶酪、乳酸飲料等)(2) 酒精飲料(白酒、啤酒、葡萄酒等)(3) 菌體(面包酵母、SCP、綠藻、螺旋藻等)(4) 有機(jī)酸(醋酸、檸檬酸、乳酸、衣康酸等)(5) 氨基酸(谷氨酸、賴氨酸、色氨酸等)(6) 核酸類物質(zhì)(7) 抗生素(青霉素、頭孢菌素、鏈霉素、氯霉素等)(8) 油脂及相關(guān)化合物(-亞油酸、EPA、DHA等)(9) 具有生理活性的低分子量物質(zhì)(維生素類、激素等)(10) 高分子物質(zhì)(酶；多糖類；生理活性蛋白） (11) 其它微生物工業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)微生物工業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)紅細(xì)胞生產(chǎn)素、

4、白細(xì)胞介素、G-CSF、單克隆抗體等用動(dòng)物細(xì)胞生產(chǎn)的物質(zhì)用動(dòng)物細(xì)胞生產(chǎn)的物質(zhì)用植物細(xì)胞生產(chǎn)的物質(zhì)用植物細(xì)胞生產(chǎn)的物質(zhì)紫草素類化合物、人參、紫杉醇等生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)微生物是對(duì)那些肉眼不微生物是對(duì)那些肉眼不能直接觀察到、微小的、能直接觀察到、微小的、但能維持生命并繁殖的但能維持生命并繁殖的生物的通稱，包括細(xì)菌、生物的通稱，包括細(xì)菌、酵母、霉菌、真菌、藻酵母、霉菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物和病毒等。類和原生動(dòng)物和病毒等。2.1 2.1 微生物基礎(chǔ)知識(shí)微生物基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1 2.1.1 微生物的分類與命名微生物的分類與命名生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)分類：分類：界（界（Kingdom）門（門（Phy

5、lum）綱（綱（Class）目（目（Order）科（科（Family）屬（屬（Genus）種（種（Species）生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)種以下有：變種（種以下有：變種（VarietyVariety）、型）、型（FormForm）、品系（）、品系（StrainStrain）等。）等。命名：命名：“雙名法雙名法”。屬名：大寫字母開頭，是拉丁詞的名詞，屬名：大寫字母開頭，是拉丁詞的名詞，用以描述微生物的主要特征；用以描述微生物的主要特征；種名：小寫字母打頭，是一個(gè)拉丁詞的種名：小寫字母打頭，是一個(gè)拉丁詞的形容詞，用以描述微生物的次要特征。形容詞，用以描述微生物的次要特征。 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)

6、例如：例如：Staphylococcus Staphylococcus aureusaureus，前一個(gè)詞是，前一個(gè)詞是屬名，是拉丁語(yǔ)的名屬名，是拉丁語(yǔ)的名詞，是詞，是“葡萄球菌葡萄球菌”的意思。第二個(gè)詞字的意思。第二個(gè)詞字是種名，是拉丁語(yǔ)的是種名，是拉丁語(yǔ)的形容詞，意思是形容詞，意思是“金金黃色黃色”。所以學(xué)名是。所以學(xué)名是“金黃色葡萄球菌金黃色葡萄球菌”。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)細(xì)菌是單細(xì)胞微生物，有不同的形狀及大小，細(xì)菌是單細(xì)胞微生物，有不同的形狀及大小，以典型的二分裂殖方式繁殖。以典型的二分裂殖方式繁殖。細(xì)菌具有一定的形態(tài)，形狀近似圓形稱作球菌；細(xì)菌具有一定的形態(tài)，形狀近似圓形稱作球菌

7、；形狀近似圓柱形的成為桿菌。形狀近似圓柱形的成為桿菌。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)霉菌是絲狀真菌的一個(gè)通俗名稱，在自然界分霉菌是絲狀真菌的一個(gè)通俗名稱，在自然界分布很廣，其生長(zhǎng)所要求的相對(duì)溫度比細(xì)菌低。布很廣，其生長(zhǎng)所要求的相對(duì)溫度比細(xì)菌低。真菌有核，呈絲狀，直徑一般為真菌有核，呈絲狀，直徑一般為3 310m10m，多，多分枝，有或無(wú)隔膜。分枝，有或無(wú)隔膜。霉菌多為腐生菌，也霉菌多為腐生菌，也有少數(shù)寄生于動(dòng)物或有少數(shù)寄生于動(dòng)物或植物體內(nèi)。它們具有植物體內(nèi)。它們具有廣泛的降解和合成能廣泛的降解和合成能力，是發(fā)酵生產(chǎn)某些力，是發(fā)酵生產(chǎn)某些重要物質(zhì)的主力軍。重要物質(zhì)的主力軍。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)酵母

8、菌是一個(gè)通俗名稱，是典型的真核生物，多為單細(xì)胞，有的也呈絲狀。有的酵母通過(guò)出芽進(jìn)行無(wú)性繁殖，也有的酵母進(jìn)行分裂繁殖。酵母既可進(jìn)行好氧呼吸，又能進(jìn)行厭氧呼吸。酵母菌在酒類釀造中是不可缺少的。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)病毒是存在于動(dòng)物、植物、昆蟲、真菌、藻類病毒是存在于動(dòng)物、植物、昆蟲、真菌、藻類和細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的專性寄生物，是最小的微生物。和細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的專性寄生物，是最小的微生物。病毒本身不具備或具備最低的合成和代謝能力，病毒本身不具備或具備最低的合成和代謝能力，只能在寄主細(xì)胞內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，常導(dǎo)致寄主細(xì)胞只能在寄主細(xì)胞內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，常導(dǎo)致寄主細(xì)胞被破壞和死亡。寄生于細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的病毒又稱被破壞和死亡。寄生于

9、細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的病毒又稱為噬菌體。噬菌體是危害細(xì)菌發(fā)酵的重要根源。為噬菌體。噬菌體是危害細(xì)菌發(fā)酵的重要根源。煙草花葉病毒煙草花葉病毒噬菌體（噬菌體（DNADNA病毒）病毒）生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)2.1.2 2.1.2 微生物的化學(xué)組成微生物的化學(xué)組成 微生物菌體的微生物菌體的80%80%左右是水分。左右是水分。 濕菌體所含水分是指菌體在濕菌體所含水分是指菌體在100100前前后干燥直到恒重時(shí)減少的量。除去水分的后干燥直到恒重時(shí)減少的量。除去水分的菌體稱為干菌體。菌體稱為干菌體。 微生物菌體中除水分外，其余為蛋白微生物菌體中除水分外，其余為蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、核酸、維生素和質(zhì)、碳水化合物、脂

10、肪、核酸、維生素和無(wú)機(jī)物等化學(xué)物質(zhì)。無(wú)機(jī)物等化學(xué)物質(zhì)。 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 細(xì)胞中某些元素（除碳、氧、氮和細(xì)胞中某些元素（除碳、氧、氮和氫外）的含量，一般以磷、鉀為多，其氫外）的含量，一般以磷、鉀為多，其次是鈣、鎂、硫、鈉、氯、鐵、鋅、硅次是鈣、鎂、硫、鈉、氯、鐵、鋅、硅等。另外，還含有微量的鋁、銅、錳、等。另外，還含有微量的鋁、銅、錳、鈷等。鈷等。 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)2.1.3 2.1.3 生長(zhǎng)特性生長(zhǎng)特性由于微生物種類各異，由于微生物種類各異，不同微生物的生不同微生物的生長(zhǎng)特性亦有很大差別。長(zhǎng)特性亦有很大差別。細(xì)菌以分裂方式進(jìn)行的繁殖。在適宜的細(xì)菌以分裂方式進(jìn)行的繁殖。在適宜的

11、生長(zhǎng)生長(zhǎng)條件下，某些細(xì)菌的世代時(shí)間可達(dá)條件下，某些細(xì)菌的世代時(shí)間可達(dá)1020min。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)然而，比較典型的世代時(shí)間為然而，比較典型的世代時(shí)間為404060 60 minmin。當(dāng)細(xì)菌分裂為二分裂時(shí)，世代時(shí)。當(dāng)細(xì)菌分裂為二分裂時(shí)，世代時(shí)間等于倍增時(shí)間（菌體量增加一倍所間等于倍增時(shí)間（菌體量增加一倍所需時(shí)間）。需時(shí)間）。酵母菌的生長(zhǎng)方式有出芽繁殖、裂殖和芽酵母菌的生長(zhǎng)方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂（如同菌絲生長(zhǎng)）三種。在最適條件下，裂（如同菌絲生長(zhǎng)）三種。在最適條件下，酵母在酵母在45 min45 min內(nèi)就可以分裂，比較典型的內(nèi)就可以分裂，比較典型的分裂時(shí)間為分裂時(shí)間為909012

12、0 min120 min。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)霉菌的生長(zhǎng)特性是菌絲伸長(zhǎng)和分枝。從霉菌的生長(zhǎng)特性是菌絲伸長(zhǎng)和分枝。從菌絲體（頂端生長(zhǎng)）的頂端細(xì)胞間形成菌絲體（頂端生長(zhǎng)）的頂端細(xì)胞間形成隔膜進(jìn)行生長(zhǎng)，一旦形成一個(gè)細(xì)胞，它隔膜進(jìn)行生長(zhǎng)，一旦形成一個(gè)細(xì)胞，它就保持其完整性。霉菌的倍增時(shí)間可短就保持其完整性。霉菌的倍增時(shí)間可短至至606090 min90 min，但典型的霉菌倍增時(shí)間，但典型的霉菌倍增時(shí)間為為4 48 h8 h。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)病毒能在活細(xì)胞內(nèi)繁病毒能在活細(xì)胞內(nèi)繁殖，但不能在一般培殖，但不能在一般培養(yǎng)基中繁殖。病毒是養(yǎng)基中繁殖。病毒是通過(guò)復(fù)制方式進(jìn)行繁通過(guò)復(fù)制方式進(jìn)行繁殖，即

13、感染細(xì)胞后殖，即感染細(xì)胞后“接管接管”寄主細(xì)胞的寄主細(xì)胞的生物合成機(jī)構(gòu)，按病生物合成機(jī)構(gòu)，按病毒的遺傳特性，合成毒的遺傳特性，合成病毒的核酸和蛋白質(zhì)，病毒的核酸和蛋白質(zhì)，并且以指數(shù)方式進(jìn)行并且以指數(shù)方式進(jìn)行復(fù)制，冪大于復(fù)制，冪大于2 2。流行性感冒病毒流行性感冒病毒生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)分為碳源、氮源、無(wú)機(jī)元素、微量營(yíng)養(yǎng)分為碳源、氮源、無(wú)機(jī)元素、微量營(yíng)養(yǎng)素或生長(zhǎng)因素等。素或生長(zhǎng)因素等。2.1.4 2.1.4 影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素1 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 可構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳可構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳架來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。碳源的主要作用

14、是架來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。碳源的主要作用是構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)和供給微生物生長(zhǎng)發(fā)育所構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)和供給微生物生長(zhǎng)發(fā)育所需的能量。大多微生物以有機(jī)含碳化合需的能量。大多微生物以有機(jī)含碳化合物作為碳源和能源，例如糖類、淀粉、物作為碳源和能源，例如糖類、淀粉、油脂等。光能自養(yǎng)微生物是利用光為能油脂等。光能自養(yǎng)微生物是利用光為能源，二氧化碳為主要碳源。源，二氧化碳為主要碳源。 (1) 碳源碳源生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 氮源主要是提供合成原生質(zhì)和細(xì)胞氮源主要是提供合成原生質(zhì)和細(xì)胞其它結(jié)構(gòu)的原料，一般不提供能量。在其它結(jié)構(gòu)的原料，一般不提供能量。在微生物工業(yè)中，硫氨、尿素、豆餅和玉微生物工業(yè)中，硫氨、尿素、豆餅和玉米漿

15、等是較為常用的氮源。米漿等是較為常用的氮源。(2) 氮源氮源生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 無(wú)機(jī)元素的主要功能是：構(gòu)成細(xì)胞無(wú)機(jī)元素的主要功能是：構(gòu)成細(xì)胞的組成成分；作為酶的組成成分；維持的組成成分；作為酶的組成成分；維持酶的作用；調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、氫離子濃酶的作用；調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、氫離子濃度和氧化還原電位等。需要量較大的無(wú)度和氧化還原電位等。需要量較大的無(wú)機(jī)元素是磷、硫、鎂、鐵、鉀、鈣等，機(jī)元素是磷、硫、鎂、鐵、鉀、鈣等，還需要幾種微量的金屬元素，如錳，鈷，還需要幾種微量的金屬元素，如錳，鈷，銅，鋅等。銅，鋅等。(3) 無(wú)機(jī)元素?zé)o機(jī)元素生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 微生物維持正常生活所不可缺少微生物維持正

16、常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。的，但其需要量又不大。 根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)和代謝功能可將其根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)和代謝功能可將其分為三類：即維生素、氨基酸和嘌呤、分為三類：即維生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。工業(yè)生產(chǎn)中，常利用玉米漿等嘧啶。工業(yè)生產(chǎn)中，常利用玉米漿等作生長(zhǎng)因素的來(lái)源。作生長(zhǎng)因素的來(lái)源。 (4) 生長(zhǎng)因素生長(zhǎng)因素生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 溫度是影響微生物生長(zhǎng)和繁殖的最溫度是影響微生物生長(zhǎng)和繁殖的最重要的因素之一。在一定范圍內(nèi)，微生重要的因素之一。在一定范圍內(nèi)，微生物的代謝活動(dòng)與生長(zhǎng)繁殖隨著溫度的上物的代謝活動(dòng)與生長(zhǎng)繁殖隨著溫度的上升而增加，溫度上升到一定程度，開始升而增加，溫度上升到一定程度，開

17、始對(duì)機(jī)體產(chǎn)生不利影響，如溫度繼續(xù)提高，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生不利影響，如溫度繼續(xù)提高，細(xì)胞功能急驟下降，以至死亡。細(xì)胞功能急驟下降，以至死亡。2 溫度溫度生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 各種生物有其最適生長(zhǎng)溫度、最高各種生物有其最適生長(zhǎng)溫度、最高生長(zhǎng)溫度與最低生長(zhǎng)溫度，并且，最適、生長(zhǎng)溫度與最低生長(zhǎng)溫度，并且，最適、最高和最低溫度會(huì)因環(huán)境條件變化而變最高和最低溫度會(huì)因環(huán)境條件變化而變化?；Ｉ锓磻?yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)微生物生長(zhǎng)溫度最低生長(zhǎng)溫度（一般-5-10，極端為-30）嗜冷菌嗜冷菌（20）中溫菌中溫菌 最適生長(zhǎng)溫度（2045）嗜熱菌嗜熱菌（45）最高生長(zhǎng)溫度（一般8095，極端為105300生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)

18、胞反應(yīng) 氧是在溶解狀態(tài)下被微生物利用的，氧是在溶解狀態(tài)下被微生物利用的，可用培養(yǎng)基的氧化還原電位可用培養(yǎng)基的氧化還原電位Eh作為定量作為定量表示厭氧程度的方法。除與氧分壓有關(guān)外，表示厭氧程度的方法。除與氧分壓有關(guān)外，Eh還受還受pH的影響。的影響。pH值低時(shí)，氧化還原值低時(shí)，氧化還原電位高；電位高；pH值高時(shí)，氧化原電位低。當(dāng)值高時(shí)，氧化原電位低。當(dāng)pH一定時(shí)，溶氧水溶液的一定時(shí)，溶氧水溶液的Eh與溶解氧濃與溶解氧濃度（度（DO）的對(duì)數(shù)成正比。所以，由所測(cè)）的對(duì)數(shù)成正比。所以，由所測(cè)得的得的Eh可求得所需的可求得所需的DO值。值。3 3 溶解氧與氧化還原電位溶解氧與氧化還原電位EhEh生物反應(yīng)

19、動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 好氧性微生物好氧性微生物,如霉菌如霉菌,在在Eh值為值為+0.1伏伏以上均可生長(zhǎng)，以以上均可生長(zhǎng)，以Eh等于等于+0.3+0.4伏伏時(shí)為適。時(shí)為適。 厭氧微生物厭氧微生物,產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷菌,只能在只能在Eh值小于值小于+0.1伏以下生長(zhǎng)。伏以下生長(zhǎng)。 兼性厭氧微生物兼性厭氧微生物,如酵母如酵母,在在+0.1伏以上或伏以上或以下均能生長(zhǎng)。以下均能生長(zhǎng)。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 不同微生物有其最適生長(zhǎng)的不同微生物有其最適生長(zhǎng)的pHpH值范值范圍。大多數(shù)自然環(huán)境的圍。大多數(shù)自然環(huán)境的pHpH值為值為5 59 9，許，許多微生物的最適生長(zhǎng)多微生物的最適生長(zhǎng)pHpH也在此范圍內(nèi)，也在此

20、范圍內(nèi)，只有少數(shù)種類可生長(zhǎng)在只有少數(shù)種類可生長(zhǎng)在pHpH值低于值低于2 2或高于或高于1010的環(huán)境中。大多數(shù)酵母與霉菌在微酸的環(huán)境中。大多數(shù)酵母與霉菌在微酸性（性（pH5pH56 6）環(huán)境中生長(zhǎng)最好，而細(xì)菌、）環(huán)境中生長(zhǎng)最好，而細(xì)菌、放線菌則在中性或微堿性條件下生長(zhǎng)最放線菌則在中性或微堿性條件下生長(zhǎng)最好。好。4 pH生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 細(xì)菌要求水活度（濕料飽和蒸汽壓細(xì)菌要求水活度（濕料飽和蒸汽壓/ /相同溫度下純水飽和蒸汽壓）在相同溫度下純水飽和蒸汽壓）在0.900.900.990.99之間；大多數(shù)酵母菌的之間；大多數(shù)酵母菌的為為0.800.800.900.90； 真菌及少數(shù)酵母菌要求

21、在真菌及少數(shù)酵母菌要求在0.600.600.700.70。因此，固態(tài)發(fā)酵常用真菌的。因此，固態(tài)發(fā)酵常用真菌的原因就是其對(duì)水活度要求低，可以原因就是其對(duì)水活度要求低，可以排除其它雜菌的污染。排除其它雜菌的污染。5 濕度濕度 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)6 滲透壓滲透壓 微生物一般在高滲透壓下難以生微生物一般在高滲透壓下難以生長(zhǎng)。但是，嗜高滲菌、嗜鹽菌和嗜糖長(zhǎng)。但是，嗜高滲菌、嗜鹽菌和嗜糖菌例外，在菌例外，在3030以上濃度的食鹽中仍以上濃度的食鹽中仍有生長(zhǎng)的霉菌存在，在有生長(zhǎng)的霉菌存在，在7070濃度的蔗濃度的蔗糖中也有生長(zhǎng)的酵母生存。糖中也有生長(zhǎng)的酵母生存。 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)7 7 壓力壓

22、力 一般微生物甚至可在幾十個(gè)大氣壓的一般微生物甚至可在幾十個(gè)大氣壓的水壓下也不受影響，對(duì)于通常的微生水壓下也不受影響，對(duì)于通常的微生物反應(yīng)過(guò)程，壓力的影響可以不考慮。物反應(yīng)過(guò)程，壓力的影響可以不考慮。 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)8 光線光線 紅色或綠色細(xì)菌及綠藻類的生長(zhǎng)需要紅色或綠色細(xì)菌及綠藻類的生長(zhǎng)需要光，而一般的微生物在明亮處的生長(zhǎng)光，而一般的微生物在明亮處的生長(zhǎng)不如暗處好，日光甚至是有害的。不如暗處好，日光甚至是有害的。 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 特點(diǎn)：微生物反應(yīng)是生物化學(xué)反應(yīng)，特點(diǎn)：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；原料多通常是在常溫、常壓下進(jìn)行；原料多為農(nóng)產(chǎn)品，來(lái)源豐

23、富；易于生產(chǎn)復(fù)雜為農(nóng)產(chǎn)品，來(lái)源豐富；易于生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物和光學(xué)活性物質(zhì)；除的高分子化合物和光學(xué)活性物質(zhì)；除產(chǎn)生產(chǎn)物外，菌體自身也可是一種產(chǎn)產(chǎn)生產(chǎn)物外，菌體自身也可是一種產(chǎn)物。如果其富含維生素或蛋白質(zhì)或酶物。如果其富含維生素或蛋白質(zhì)或酶等的有用產(chǎn)物時(shí)，可用于提取這些物等的有用產(chǎn)物時(shí)，可用于提取這些物質(zhì)；通過(guò)菌種改良，有可能使同一生質(zhì)；通過(guò)菌種改良，有可能使同一生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力大大提高；微生物產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力大大提高；微生物反應(yīng)是自催化反應(yīng)。反應(yīng)是自催化反應(yīng)。2.1.5 2.1.5 微生物反應(yīng)的特性微生物反應(yīng)的特性生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 微生物常能分泌或誘導(dǎo)分泌有用的生物化學(xué)物質(zhì)； 容易

24、篩選出分泌型突變株； 微生物的生長(zhǎng)速率快； 微生物的代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率較高等。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)不足：不足： 副產(chǎn)物的產(chǎn)生不可避免。 影響微生物反應(yīng)的因素多實(shí)際控制有難度； 原料是農(nóng)副產(chǎn)品，受價(jià)格變動(dòng)影響大； 產(chǎn)前準(zhǔn)備工作量大，相對(duì)化學(xué)反應(yīng)器而言，反應(yīng)器效率低。對(duì)于好氧反應(yīng)，需氧，故增加了生產(chǎn)成本，且氧的利用率不高； 廢水有較高BOD值。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)2.2 2.2 微生物反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量與衡算微生物反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量與衡算 通過(guò)質(zhì)量和能量衡算，可以了解反應(yīng)物和生成物之間定量關(guān)系，反應(yīng)過(guò)程需要消耗和釋放多少能量。通過(guò)反應(yīng)過(guò)程衡算式有已知量可以求出未知量。所以它是研究反應(yīng)過(guò)程

25、的一個(gè)有效手段，對(duì)解決工程問(wèn)題特別有用。 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 反應(yīng)計(jì)量學(xué)是對(duì)反應(yīng)物的組成和反應(yīng)轉(zhuǎn)化程度的數(shù)量化研究。通過(guò)計(jì)量學(xué)，可知道反應(yīng)過(guò)程中有關(guān)組分的組成變化規(guī)律以及各反應(yīng)之間的數(shù)量關(guān)系。知道了這些數(shù)量關(guān)系，就可以由一個(gè)物質(zhì)的消耗或生成速率來(lái)推知其他物質(zhì)的消耗或生成速率。2.2.1 2.2.1 微生物反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量衡算微生物反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量衡算1 細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程計(jì)量學(xué)細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程計(jì)量學(xué)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 由于細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程由眾多組分參與，且代謝途徑錯(cuò)綜復(fù)雜，在細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖的同時(shí)還伴隨著代謝產(chǎn)物的生成，因此其過(guò)程很難象化學(xué)反應(yīng)一樣用正確的系數(shù)加以表達(dá)。這就要求用另外一些方法來(lái)加以簡(jiǎn)化

26、處理。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)2 2 微生物反應(yīng)過(guò)程微生物反應(yīng)過(guò)程等）代謝物（產(chǎn)物菌體）氧、無(wú)機(jī)鹽碳源、氮源營(yíng)養(yǎng)源（OHCO22生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)3 3 質(zhì)量和能量衡算意義質(zhì)量和能量衡算意義(1) 可以了解反應(yīng)物和生成物之間的定量關(guān)系。(2) 反應(yīng)過(guò)程需要消耗或釋放多少能量，即通過(guò)反應(yīng)過(guò)程衡算式由已知量求未知量。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 為了表示出微生物反應(yīng)過(guò)程中各物質(zhì)為了表示出微生物反應(yīng)過(guò)程中各物質(zhì)和各組分之間的數(shù)量關(guān)系，最常用的方法和各組分之間的數(shù)量關(guān)系，最常用的方法是對(duì)各元素進(jìn)行原子衡算。是對(duì)各元素進(jìn)行原子衡算。4 4 反應(yīng)過(guò)程計(jì)算方法反應(yīng)過(guò)程計(jì)算方法生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 如果

27、碳源由如果碳源由C C、H H、O O組成，氮源為組成，氮源為NHNH3 3，細(xì)胞的分子式定義為細(xì)胞的分子式定義為CHxOyNzCHxOyNz，忽略其他，忽略其他微量元素微量元素P P、S S和灰分等，此時(shí)用碳的定量和灰分等，此時(shí)用碳的定量關(guān)系式表示微生物反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系是可行關(guān)系式表示微生物反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系是可行的。的。2232fCOOeHNOdCHNOcCHbNHaOOCHwvuzyxnm生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 式中式中CHmOnCHmOn為碳源的元素組成，為碳源的元素組成，CHxOyNzCHxOyNz是細(xì)胞的元素組成，是細(xì)胞的元素組成，CHuOvNwCHuOvNw為產(chǎn)物的元為產(chǎn)物的元素組成

28、。下標(biāo)素組成。下標(biāo)m m、n n、u u、v v、w w、x x、y y、z z分別代表與一碳原子相對(duì)應(yīng)的氫、氧、分別代表與一碳原子相對(duì)應(yīng)的氫、氧、氮的原子數(shù)。氮的原子數(shù)。 2232fCOOeHNOdCHNOcCHbNHaOOCHwvuzyxnm生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)對(duì)各元素做元素平衡，得到如下方程：對(duì)各元素做元素平衡，得到如下方程： wdzcbNfevdycanOeudxcbmHfdcC:22:23:1:方程組中有方程組中有a a、b b、c c、d d、e e和和f f六個(gè)未知六個(gè)未知數(shù)，需六個(gè)方程才能解。數(shù)，需六個(gè)方程才能解。 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)例例1 1：葡萄糖為基質(zhì)進(jìn)行面包酵

29、母：葡萄糖為基質(zhì)進(jìn)行面包酵母(S. (S. cerevisiae)cerevisiae)培養(yǎng)，培養(yǎng)的反應(yīng)式可用培養(yǎng)，培養(yǎng)的反應(yīng)式可用下式表示，求計(jì)量關(guān)系中的系數(shù)下式表示，求計(jì)量關(guān)系中的系數(shù)a a、b b、c c、d d。2231063261263dCOOcHNOHbCaNHOOHC生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)C: 6=6b+dH: 12+3a=10b+2cO: 6+23=3b+c+2dN: a=b以上方程聯(lián)立求解得：以上方程聯(lián)立求解得：a=b=0.48 c=4.32 a=b=0.48 c=4.32 d=3.12d=3.1222310632612612. 332. 448. 048. 03COOHN

30、OHCNHOOHC2231063261263dCOOcHNOHbCaNHOOHC解：解：生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來(lái)定義好氧培養(yǎng)中微生物生物代謝機(jī)能的重要指標(biāo)之一的呼吸商，其定義式為： 消耗速率生成速率22OCORQ 呼吸商呼吸商生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)例2：乙醇為基質(zhì)好氧培養(yǎng)酵母，反應(yīng)方程式為：呼吸商RQ=0.6。求各系數(shù)a、b、c、d、e。根據(jù)RQ得：d/a=0.6OeHdCOONCHcbNHaOOHHC225 . 015. 075. 13252)(C: 2=c+dC: 2=c+dH: 6+3b=1.75c+2eH: 6+3b=1.75c+2eO: 1+2

31、a=0.5c+2d+eO: 1+2a=0.5c+2d+eN: 6=0.15cN: 6=0.15c解：生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)OHCOONCHNHOOHHC225 . 015. 075. 13252634. 2436. 1)(564. 0085. 0394. 2解得：a=2.394;b=0.085; c=0.564; d=1.436;e=2.634生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)例例3 3：葡萄糖為碳源，：葡萄糖為碳源，NHNH3 3為氮源進(jìn)行酵母為氮源進(jìn)行酵母厭氧培養(yǎng)。培養(yǎng)中分析結(jié)果表明，消耗厭氧培養(yǎng)。培養(yǎng)中分析結(jié)果表明，消耗100mol100mol葡萄糖和葡萄糖和12mol NH12mol NH3

32、3生成生成57mol57mol菌體、菌體、43mol43mol甘油、甘油、130mol130mol乙醇、乙醇、154molCO154molCO2 2和和3.6molH3.6molH2 2O O，求酵母經(jīng)驗(yàn)分子式。，求酵母經(jīng)驗(yàn)分子式。OHOHHCCOOHHCONHCNHOHCzyxw2522353361266 . 3130154)(435712100生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)酵母的化學(xué)結(jié)構(gòu) CH1.84N0.21O0.52C: 600=57w+433+154+1302H: 1200+123=57x+438+1306 +3.62O: 600=57z+433+1542+130+3.6N: 12=57y

33、解得：w=1;x=1.84; y=0.21; z=0.52解：生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)2.2.2 2.2.2 微生物反應(yīng)過(guò)程的得率系數(shù)微生物反應(yīng)過(guò)程的得率系數(shù)SXYsx消耗基質(zhì)的質(zhì)量生成細(xì)胞的質(zhì)量/ 消耗消耗1g1g基質(zhì)生成細(xì)胞的克數(shù)稱為細(xì)胞得基質(zhì)生成細(xì)胞的克數(shù)稱為細(xì)胞得率或稱生長(zhǎng)得率率或稱生長(zhǎng)得率Yx/sYx/s。 得率系數(shù)是對(duì)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(píng)價(jià)的重要參數(shù)。1 細(xì)胞得率系數(shù)細(xì)胞得率系數(shù)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)SXYsx消耗基質(zhì)的質(zhì)量生成細(xì)胞的質(zhì)量/ 細(xì)胞得率的單位是細(xì)胞得率的單位是g g細(xì)胞細(xì)胞/g/g基質(zhì)。這里基質(zhì)。這里的細(xì)胞是指干細(xì)胞的質(zhì)量（除特殊說(shuō)的細(xì)胞是指

34、干細(xì)胞的質(zhì)量（除特殊說(shuō)明外，以下細(xì)胞的質(zhì)量均指干細(xì)胞）。明外，以下細(xì)胞的質(zhì)量均指干細(xì)胞）。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)式中：式中：r rx x微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率，微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率， r rs s 是基質(zhì)的消耗速率。是基質(zhì)的消耗速率。dtdSdtdXrrdSdXYSXSX 某一瞬間的細(xì)胞得率稱為微分細(xì)胞得某一瞬間的細(xì)胞得率稱為微分細(xì)胞得率（或瞬時(shí)細(xì)胞得率）率（或瞬時(shí)細(xì)胞得率） 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)同一菌種，同一培養(yǎng)基，好氧培養(yǎng)的同一菌種，同一培養(yǎng)基，好氧培養(yǎng)的Yx/sYx/s比厭氧培養(yǎng)的比厭氧培養(yǎng)的Yx/sYx/s大的多大的多 。同一菌種在不同培養(yǎng)基中，同一菌種在不同培養(yǎng)基中，Y YX/S

35、X/S大小順序大小順序?yàn)椋簽椋簭?fù)合培養(yǎng)基合成培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基復(fù)合培養(yǎng)基合成培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 當(dāng)基質(zhì)為碳源，無(wú)論是好氧培養(yǎng)還是厭當(dāng)基質(zhì)為碳源，無(wú)論是好氧培養(yǎng)還是厭氧培養(yǎng)，碳源的一部分被同化為細(xì)胞的氧培養(yǎng)，碳源的一部分被同化為細(xì)胞的組成成分，其余部分被異化分解為組成成分，其余部分被異化分解為COCO2 2和和代謝產(chǎn)物。如果從碳源到菌體的同化作代謝產(chǎn)物。如果從碳源到菌體的同化作用看，與碳元素相關(guān)的細(xì)胞得率用看，與碳元素相關(guān)的細(xì)胞得率YcYc可由可由下式表示下式表示CCSXCSXYY基質(zhì)含碳量基質(zhì)消耗量細(xì)胞含碳量細(xì)胞生產(chǎn)量2 2 基于碳元素消耗的細(xì)胞得率基于碳元素消耗的細(xì)胞得率

36、Y YC C生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)CCSXCSXYY基質(zhì)含碳量基質(zhì)消耗量細(xì)胞含碳量細(xì)胞生產(chǎn)量 式中式中XcXc和和ScSc分別為單位質(zhì)量細(xì)胞和單位分別為單位質(zhì)量細(xì)胞和單位質(zhì)量基質(zhì)中所含碳源素量。質(zhì)量基質(zhì)中所含碳源素量。YcYc值一般小值一般小于于1 1，為，為0.40.90.40.9。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)例：乙醇為基質(zhì)好氧培養(yǎng)酵母，反應(yīng)方程式為：OHCOONCHNHOOHHC225 . 015. 075. 13252634. 2436. 1)(564. 0085. 0394. 2求YX/S和YX/O、YC生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng))/(176. 032394. 285.23564. 039

37、4. 2564. 0kgkgYOX氧的分子量菌體的分子量)/(292. 04685.23564. 016116122)165 . 01415. 0175. 1121 (564. 0kgkgYSX生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)%1 .14)16116122(122)165 . 01415. 0175. 1121/(121292. 0CCSXCSXYY生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)碳源通過(guò)氧化釋放能量，一部分進(jìn)入ATP供細(xì)胞生長(zhǎng)，所有物質(zhì)氧化總伴隨著電子的轉(zhuǎn)移。有效電子轉(zhuǎn)移：物質(zhì)在氧化過(guò)程中伴隨著能量釋放所進(jìn)行的電子轉(zhuǎn)移。每分子氧可接受4個(gè)電子，即有效電子轉(zhuǎn)移數(shù)是4。3 3 基于有效電子數(shù)的細(xì)胞得率基于有效電

38、子數(shù)的細(xì)胞得率Y Yave-ave-生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)例如：0.5mol O2與1mol H2合成1mol H2O，同時(shí)放出241.1 KJ熱量，過(guò)程中有效電子轉(zhuǎn)移數(shù)為2，記作2(ave-)。當(dāng)1mol葡萄糖完全氧化時(shí)，需要消耗6mol的氧分子，相應(yīng)有效電子轉(zhuǎn)移數(shù)為6424(ave-/mol)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)，有機(jī)化合物氧化時(shí)每轉(zhuǎn)移一個(gè)有效電子，平均釋放出111kJ的熱量，記作：與量熱器測(cè)定葡萄糖燃燒過(guò)程得到的HS-2813KJ/mol，相差5%。這在工程上是可接受的，因此可以用有效電子轉(zhuǎn)移數(shù)來(lái)計(jì)算有機(jī)物氧化過(guò)程釋放的能量。因此葡萄糖完全氧化時(shí)，釋放能量應(yīng)為：ave

39、KJHave/111molKJHS/266424)111(*生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)如產(chǎn)氣桿菌YX/S=72.7g/mol葡萄糖，葡萄糖有效電子轉(zhuǎn)移數(shù)為24ave-/molYave-=72.7/24=3g/ave- 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)微生物反應(yīng)的特點(diǎn)之一是通過(guò)呼吸鏈（電子傳遞）氧化磷酸化生成ATP。4 4 以基質(zhì)異化代謝產(chǎn)生以基質(zhì)異化代謝產(chǎn)生ATPATP為基準(zhǔn)的為基準(zhǔn)的細(xì)胞得率細(xì)胞得率Y YATPATP生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)SATPSSXATPYMYATPmolcellgATPXY式中：式中： Y YATPATP相對(duì)于基質(zhì)的相對(duì)于基質(zhì)的ATPATP生成得率（生成得率（mol mol A

40、TP/molATP/mol基質(zhì)），基質(zhì)），MsMs基質(zhì)的分子量。基質(zhì)的分子量。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在厭氧培養(yǎng)時(shí)，YATP與細(xì)胞、底物的種類無(wú)關(guān)，基本上為常數(shù)，即YATP 10，并且該值可看作為細(xì)胞生長(zhǎng)的普遍特征值 好氧反應(yīng)中，除底物水平磷酸化生成ATP外，還通過(guò)氧化磷酸化生成大量ATP。因此，好氧的YX/S值大于厭氧的YX/S生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng) 氧化磷酸化的反應(yīng)效率常采用其被酯化的無(wú)機(jī)磷酸分子數(shù)和此時(shí)消耗的氧原子數(shù)之比(簡(jiǎn)稱P/O)來(lái)表示，即每消耗1原子氧生成ATP的分子數(shù)量來(lái)表示。 一般酵母菌P/O約等于1，細(xì)菌P/O等于0.51.0生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)微

41、生物反應(yīng)中可以用YkJ表示微生物對(duì)能量的利用情況，)()()(能分解代謝所釋放的自由細(xì)胞儲(chǔ)存的自由能細(xì)胞生產(chǎn)量bakJEEXEXY5 5 微生物對(duì)能量的得率微生物對(duì)能量的得率Y YKJKJ生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng))()()(能分解代謝所釋放的自由細(xì)胞儲(chǔ)存的自由能細(xì)胞生產(chǎn)量bakJEEXEXY 式中E表示消耗的總能量，包括同化過(guò)程，即菌體所保持的能量Ea和分解代謝的能量Eb。前者可采用干細(xì)胞的燃燒熱 ，后者可采用所消耗的碳源和代謝產(chǎn)物各自的燃燒熱之差來(lái)計(jì)算。多數(shù)微生物在好氧培養(yǎng)時(shí)的YKJ值為0.028g細(xì)胞/kJ，在厭氧培養(yǎng)時(shí)YKJ的平均值為0.031g細(xì)胞/kJ。對(duì)于光能自養(yǎng)型微生物，如藻類的YKJ約等于0.002 g細(xì)胞/kJ。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2細(xì)胞反應(yīng)例：葡萄糖為碳源，NH3為氮源，進(jìn)行某種細(xì)菌好氧培養(yǎng)，消耗