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

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)。

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)1第二代近代生物技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展40年代初，第二次世界大戰(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)。

第二代近代生物技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展40年代初，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。醫(yī)2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重組技術(shù)產(chǎn)品已逐漸被廣泛運(yùn)用。第三代現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品從1953年美國(guó)的Watson及Cr3(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(γ-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)(1)發(fā)酵食品(醬、納豆、酸奶、奶酪、乳酸飲料等)微生物工4紅細(xì)胞生產(chǎn)素、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、紫杉醇等紅細(xì)胞生產(chǎn)素、白細(xì)胞介素、G-CSF、單克隆抗體等用動(dòng)物5微生物是對(duì)那些肉眼不能直接觀察到、微小的、但能維持生命并繁殖的生物的通稱，包括細(xì)菌、酵母、霉菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物和病毒等。2.1微生物基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1微生物的分類與命名微生物是對(duì)那些肉眼不能直接觀察到、微小的、但能維持生命并繁殖6分類：界（Kingdom）門（Phylum）綱（Class）目（Order）科（Family）屬（Genus）種（Species）分類：7種以下有：變種（Variety）、型（Form）、品系（Strain）等。命名：“雙名法”。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；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。種以下有：變種（Variety）、型（Form）、品系（St8例如：Staphylococcusaureus，前一個(gè)詞是屬名，是拉丁語的名詞，是“葡萄球菌”的意思。第二個(gè)詞字是種名，是拉丁語的形容詞，意思是“金黃色”。所以學(xué)名是“金黃色葡萄球菌”。例如：Staphylococcusaureus，前一個(gè)詞是9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。細(xì)菌具有一定的形態(tài)，形狀近似圓形稱作球菌；形狀近似圓柱形的成為桿菌。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10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。真菌有核，呈絲狀，直徑一般為3～10μm，多分枝，有或無隔膜。霉菌多為腐生菌，也有少數(shù)寄生于動(dòng)物或植物體內(nèi)。它們具有廣泛的降解和合成能力，是發(fā)酵生產(chǎn)某些重要物質(zhì)的主力軍。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11酵母菌是一個(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。有的酵母通過出芽進(jìn)行無性繁殖，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。酵母菌是一個(gè)通俗名稱，是典型的真核生物，多為單細(xì)胞，有的也呈12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。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)胞被破壞和死亡。寄生于細(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。煙草花葉病毒噬菌體（DNA病毒）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132.1.2微生物的化學(xué)組成微生物菌體的80%左右是水分。濕菌體所含水分是指菌體在100℃前后干燥直到恒重時(shí)減少的量。除去水分的菌體稱為干菌體。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、維生素和無機(jī)物等化學(xué)物質(zhì)。2.1.2微生物的化學(xué)組成14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，其次是鈣、鎂、硫、鈉、氯、鐵、鋅、硅等。另外，還含有微量的鋁、銅、錳、鈷等。

細(xì)胞中某些元素（除碳、氧、氮和氫外）的含量，一般以磷152.1.3生長(zhǎng)特性由于微生物種類各異，不同微生物的生長(zhǎng)特性亦有很大差別。細(xì)菌以分裂方式進(jìn)行的繁殖。在適宜的生長(zhǎng)條件下，某些細(xì)菌的世代時(shí)間可達(dá)10～20min。2.1.3生長(zhǎng)特性由于微生物種類各異，不同微生物的生長(zhǎng)特性16然而，比較典型的世代時(shí)間為40～60min。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（菌體量增加一倍所需時(shí)間）。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，酵母在45min內(nèi)就可以分裂，比較典型的分裂時(shí)間為90～120min。然而，比較典型的世代時(shí)間為40～60min。當(dāng)細(xì)菌分裂為二17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)間可短至60～90min，但典型的霉菌倍增時(shí)間為4～8h。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)18病毒能在活細(xì)胞內(nèi)繁殖，但不能在一般培養(yǎng)基中繁殖。病毒是通過復(fù)制方式進(jìn)行繁殖，即感染細(xì)胞后“接管”寄主細(xì)胞的生物合成機(jī)構(gòu)，按病毒的遺傳特性，合成病毒的核酸和蛋白質(zhì)，并且以指數(shù)方式進(jìn)行復(fù)制，冪大于2。流行性感冒病毒病毒能在活細(xì)胞內(nèi)繁殖，但不能在一般培養(yǎng)基中繁殖。病毒是通過復(fù)19分為碳源、氮源、無機(jī)元素、微量營(yíng)養(yǎng)素或生長(zhǎng)因素等。2.1.4影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素1營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分為碳源、氮源、無機(jī)元素、微量營(yíng)養(yǎng)素或生長(zhǎng)因素等。2.1.420可構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳架來源的營(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、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。(1)碳源可構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳架來源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。碳源21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。在微生物工業(yè)中，硫氨、尿素、豆餅和玉米漿等是較為常用的氮源。(2)氮源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，22無機(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，銅，鋅等。(3)無機(jī)元素?zé)o機(jī)元素的主要功能是：構(gòu)成細(xì)胞的組成成分；作為23微生物維持正常生活所不可缺少的，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，常利用玉米漿等作生長(zhǎng)因素的來源。(4)生長(zhǎng)因素微生物維持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。(24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。2溫度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25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、最高和最低溫度會(huì)因環(huán)境條件變化而變化。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26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（＜20℃）中溫菌最適生長(zhǎng)溫度（20~45℃）嗜熱菌（＞45℃）最高生長(zhǎng)溫度（一般80~95℃，極端為105~300℃微

生

物生長(zhǎng)

溫

度最低生長(zhǎng)溫度（一般-5~-10℃，極端27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Eh作為定量表示厭氧程度的方法。除與氧分壓有關(guān)外，Eh還受pH的影響。pH值低時(shí)，氧化還原電位高；pH值高時(shí)，氧化原電位低。當(dāng)pH一定時(shí)，溶氧水溶液的Eh與溶解氧濃度（DO）的對(duì)數(shù)成正比。所以，由所測(cè)得的Eh可求得所需的DO值。3溶解氧與氧化還原電位Eh氧是在溶解狀態(tài)下被微生物利用的，可用培養(yǎng)基的28好氧性微生物,如霉菌,在Eh值為+0.1伏以上均可生長(zhǎng)，以Eh等于+0.3～+0.4伏時(shí)為適。厭氧微生物,產(chǎn)甲烷菌,只能在Eh值小于+0.1伏以下生長(zhǎng)。兼性厭氧微生物,如酵母,在+0.1伏以上或以下均能生長(zhǎng)。好氧性微生物,如霉菌,在Eh值為+0.1伏以上均可生長(zhǎng)，以E29不同微生物有其最適生長(zhǎng)的pH值范圍。大多數(shù)自然環(huán)境的pH值為5～9，許多微生物的最適生長(zhǎng)pH也在此范圍內(nèi)，只有少數(shù)種類可生長(zhǎng)在pH值低于2或高于10的環(huán)境中。大多數(shù)酵母與霉菌在微酸性（pH5～6）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)最好。4pH不同微生物有其最適生長(zhǎng)的pH值范圍。大多數(shù)自然環(huán)境的30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0.90～0.99之間；大多數(shù)酵母菌的為0.80～0.90；真菌及少數(shù)酵母菌要求在0.60～0.70。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，可以排除其它雜菌的污染。5濕度細(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316滲透壓

微生物一般在高滲透壓下難以生長(zhǎng)。但是，嗜高滲菌、嗜鹽菌和嗜糖菌例外，在30％以上濃度的食鹽中仍有生長(zhǎng)的霉菌存在，在70％濃度的蔗糖中也有生長(zhǎng)的酵母生存。

6滲透壓微生物一般在高滲透壓下難以生長(zhǎng)。但是327壓力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)于通常的微生物反應(yīng)過程，壓力的影響可以不考慮。

7壓力一般微生物甚至可在幾十個(gè)大氣壓的水壓下也不受影338光線

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)不如暗處好，日光甚至是有害的。

8光線紅色或綠色細(xì)菌及綠藻類的生長(zhǎng)需要光，而一般的微34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；原料多為農(nóng)產(chǎn)品，來源豐富；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)或酶等的有用產(chǎn)物時(shí)，可用于提取這些物質(zhì)；通過菌種改良，有可能使同一生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力大大提高；微生物反應(yīng)是自催化反應(yīng)。2.1.5微生物反應(yīng)的特性特點(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35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)：微生物常能分泌或誘導(dǎo)分泌有用的生物化學(xué)物質(zhì)；優(yōu)點(diǎn)：36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。不足：副產(chǎn)物的產(chǎn)生不可避免。372.2微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量與衡算通過質(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)過程需要消耗和釋放多少能量。通過反應(yīng)過程衡算式有已知量可以求出未知量。所以它是研究反應(yīng)過程的一個(gè)有效手段，對(duì)解決工程問題特別有用。2.2微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量與衡算通過質(zhì)量和能量衡算38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。通過計(jì)量學(xué)，可知道反應(yīng)過程中有關(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推知其他物質(zhì)的消耗或生成速率。2.2.1微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量衡算1細(xì)胞反應(yīng)過程計(jì)量學(xué)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39由于細(xì)胞反應(yīng)過程由眾多組分參與，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加以簡(jiǎn)化處理。由于細(xì)胞反應(yīng)過程由眾多組分參與，且代謝途徑錯(cuò)綜402微生物反應(yīng)過程2微生物反應(yīng)過程413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)過程需要消耗或釋放多少能量，即通過反應(yīng)過程衡算式由已知量求未知量。3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42為了表示出微生物反應(yīng)過程中各物質(zhì)和各組分之間的數(shù)量關(guān)系，最常用的方法是對(duì)各元素進(jìn)行原子衡算。4反應(yīng)過程計(jì)算方法為了表示出微生物反應(yīng)過程中各物質(zhì)和各組分之間的數(shù)量關(guān)43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，忽略其他微量元素P、S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)系是可行的。如果碳源由C、H、O組成，氮源為NH3，細(xì)胞的分子式44式中CHmOn為碳源的元素組成，CHxOyNz是細(xì)胞的元素組成，CHuOvNw為產(chǎn)物的元素組成。下標(biāo)m、n、u、v、w、x、y、z分別代表與一碳原子相對(duì)應(yīng)的氫、氧、氮的原子數(shù)。式中CHmOn為碳源的元素組成，CHxOyNz是細(xì)胞的元素組45對(duì)各元素做元素平衡，得到如下方程：方程組中有a、b、c、d、e和f六個(gè)未知數(shù)，需六個(gè)方程才能解。對(duì)各元素做元素平衡，得到如下方程：方程組中有a、b、c、d46例1：葡萄糖為基質(zhì)進(jìn)行面包酵母(S.cerevisiae)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)a、b、c、d。例1：葡萄糖為基質(zhì)進(jìn)行面包酵母(S.cerevisiae)47C:6=6b+dH:12+3a=10b+2cO:6+2×3=3b+c+2dN:a=b以上方程聯(lián)立求解得：a=b=0.48c=4.32d=3.12解：C:6=6b+d以上方程聯(lián)立求解得：a=b=0.48c=48O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來定義好氧培養(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：呼吸商O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來定義好氧培養(yǎng)中微生物生49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=0.6C:2=c+dH:6+3b=1.75c+2eO:1+2a=0.5c+2d+eN:6=0.15c解：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=0.50解得：a=2.394;b=0.085;c=0.564;d=1.436;e=2.634解得：a=2.394;b=0.085;c=0.564;d51例3：葡萄糖為碳源，NH3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100mol葡萄糖和12molNH3生成57mol菌體、43mol甘油、130mol乙醇、154molCO2和3.6molH2O，求酵母經(jīng)驗(yàn)分子式。例3：葡萄糖為碳源，NH3為氮源進(jìn)行酵母厭氧培養(yǎng)。培養(yǎng)中分析52酵母的化學(xué)結(jié)構(gòu)CH1.84N0.21O0.52C:600=57w+43×3+154+130×2H:1200+12×3=57x+43×8+130×6+3.6×2O:600=57z+43×3+154×2+130+3.6N:12=57y解得：w=1;x=1.84;y=0.21;z=0.52解：酵母的化學(xué)結(jié)構(gòu)CH1.84N0.21O0.52C:60532.2.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)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(zhǎng)得率Yx/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)2.2.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)消耗1g基質(zhì)生成細(xì)胞的克54細(xì)胞得率的單位是g細(xì)胞/g基質(zhì)。這里的細(xì)胞是指干細(xì)胞的質(zhì)量（除特殊說明外，以下細(xì)胞的質(zhì)量均指干細(xì)胞）。細(xì)胞得率的單位是g細(xì)胞/g基質(zhì)。這里的細(xì)胞是指干細(xì)胞的質(zhì)量（55式中：rx—微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率，rs—是基質(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(shí)細(xì)胞得率）式中：rx—微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率，某一瞬間的細(xì)胞得率稱為微分56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Yx/s大的多。同一菌種在不同培養(yǎng)基中，YX/S大小順序?yàn)椋簭?fù)合培養(yǎng)基＞合成培養(yǎng)基＞基本培養(yǎng)基同一菌種，同一培養(yǎng)基，好氧培養(yǎng)的Yx/s比厭氧培養(yǎng)的Yx/s57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為細(xì)胞的組成成分，其余部分被異化分解為CO2和代謝產(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Yc可由下式表示2基于碳元素消耗的細(xì)胞得率YC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58式中Xc和Sc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。Yc值一般小于1，為0.4—0.9。式中Xc和Sc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59例：乙醇為基質(zhì)好氧培養(yǎng)酵母，反應(yīng)方程式為：求YX/S和YX/O、YC例：乙醇為基質(zhì)好氧培養(yǎng)酵母，反應(yīng)方程式為：求YX/S和YX/60生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)課件61生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)課件62碳源通過氧化釋放能量，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基于有效電子數(shù)的細(xì)胞得率Yave-碳源通過氧化釋放能量，一部分進(jìn)入ATP供細(xì)胞生長(zhǎng)，所有物質(zhì)氧63例如：0.5molO2與1molH2合成1molH2O，同時(shí)放出241.1KJ熱量，過程中有效電子轉(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6×4＝24(ave-/mol)例如：0.5molO2與1molH2合成1molH2O64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)定葡萄糖燃燒過程得到的ΔHS＝-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)來計(jì)算有機(jī)物氧化過程釋放的能量。因此葡萄糖完全氧化時(shí)，釋放能量應(yīng)為：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65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-

如產(chǎn)氣桿菌YX/S=72.7g/mol葡萄糖，葡萄糖有效電子66微生物反應(yīng)的特點(diǎn)之一是通過呼吸鏈（電子傳遞）氧化磷酸化生成ATP。4以基質(zhì)異化代謝產(chǎn)生ATP為基準(zhǔn)的細(xì)胞得率YATP微生物反應(yīng)的特點(diǎn)之一是通過呼吸鏈（電子傳遞）氧化磷酸化生成A67式中：YATP—相對(duì)于基質(zhì)的ATP生成得率（molATP/mol基質(zhì)），Ms—基質(zhì)的分子量。式中：68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、69氧化磷酸化的反應(yīng)效率常采用其被酯化的無機(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)來表示，即每消耗1原子氧生成ATP的分子數(shù)量來表示。一般酵母菌P/O約等于1，細(xì)菌P/O等于0.5~1.0氧化磷酸化的反應(yīng)效率常采用其被酯化的無機(jī)磷酸分子數(shù)70微生物反應(yīng)中可以用YkJ表示微生物對(duì)能量的利用情況，5微生物對(duì)能量的得率YKJ微生物反應(yīng)中可以用YkJ表示微生物對(duì)能量的利用情況，5微生71式中E表示消耗的總能量，包括同化過程，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0.002g細(xì)胞/kJ。式中E表示消耗的總能量，包括同化過程，即菌體所保持的能量72例：葡萄糖為碳源，NH3為氮源，進(jìn)行某種細(xì)菌好氧培養(yǎng)，消耗的葡萄糖中2/3碳源轉(zhuǎn)化為細(xì)胞中的碳。反應(yīng)式為計(jì)算上述反應(yīng)中得率系數(shù)YX/S和YX/O。例：葡萄糖為碳源，NH3為氮源，進(jìn)行某種細(xì)菌好氧培養(yǎng)，消耗的731mol葡萄糖中含有碳為72g，轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的碳為72×2/3=48(g)所以c=48/(4.4×12)=0.91轉(zhuǎn)化為CO2的碳量為：72-48＝24(g)所以e=24/12=21mol葡萄糖中含有碳為72g，轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的碳為72×2/74N平衡：14b=0.86c×14得b=0.78H平衡：12+3b=7.3c+2d得d=3.85O平衡：6×16+2×16a=1.2×16c+2×16e+16d得a=1.47消耗1mol葡萄糖生成的菌體量：0.91×(4.4×12+7.3×1+0.86×14+1.2×16)=83.1(g)YX/S=83.1/180=0.46(g/g)YX/O=83.1/(1.47×32)=1.77(g/g)N平衡：14b=0.86c×14得b=0.78H平衡：1275微生物反應(yīng)是放熱反應(yīng)。儲(chǔ)存于碳源中能源，在好氧反應(yīng)中約有40%～50%的能量轉(zhuǎn)化為ATP，供微生物的生長(zhǎng)、代謝之需，其余的能量作為熱量被排放。2.2.3微生物反應(yīng)中的能量衡算微生物反應(yīng)是放熱反應(yīng)。儲(chǔ)存于碳源中能源，在好氧反應(yīng)中約76在微生物放熱過程中，放熱量ΔQ可用下式計(jì)算:-ΔHS為碳源物質(zhì)的燃燒熱；-ΔCS為利用的底物量；-ΔHN為氮源物質(zhì)的燃燒熱；-ΔCN為利用的底物量；-ΔHC為微生物細(xì)胞的燃燒熱；ΔCX為產(chǎn)生的微生物細(xì)胞量；-ΔHPi為第i種產(chǎn)物的燃燒熱；ΔCPi為產(chǎn)生的第i種產(chǎn)物的量在微生物放熱過程中，放熱量ΔQ可用下式計(jì)算:-ΔHS為碳源物77可從有關(guān)手冊(cè)查到。若查不到，可近似計(jì)算。各種物質(zhì)燃燒熱值例如：微生物燃燒產(chǎn)熱量（kJ/g細(xì)胞）可用下式計(jì)算。其中C,H,和O是微生物細(xì)胞的碳、氫和氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)?？蓮挠嘘P(guān)手冊(cè)查到。若查不到，可近似計(jì)算。各種物質(zhì)燃燒熱值例如78兩種情況能量衡算：復(fù)合培養(yǎng)基、基本培養(yǎng)基微生物反應(yīng)中的能量衡算兩種情況能量衡算：復(fù)合培養(yǎng)基、基本培養(yǎng)基微生物反應(yīng)中的能量衡79微生物在復(fù)合培養(yǎng)基中的同化和異化代謝O2ADPATP2ADPATP143異化（厭氧）異化（好氧）同化(H)(脫氫)CO2(脫羧)H2O微生物在復(fù)合培養(yǎng)基中的同化和異化代謝O2ADPATP2ADP80微生物在基本培養(yǎng)基中的同化和異化代謝ADPATPADPATPATPADPADPATP異化（厭氧）異化（好氧）同化同化CO2H2O(H)O2H2O微生物在基本培養(yǎng)基中的同化和異化代謝ADPATPADPATP81復(fù)合培養(yǎng)基中，葡萄糖作為碳源完全分解不完全分解生成酒精和乳酸酒精發(fā)酵放熱為：2871－1368×2＝136kJ乳酸發(fā)酵放熱為：2871－1337×2＝197kJ復(fù)合培養(yǎng)基中，葡萄糖作為碳源完全分解不完全分解生成酒精和乳酸82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)。

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)83第二代近代生物技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展40年代初，第二次世界大戰(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)。

第二代近代生物技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展40年代初，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。醫(yī)84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重組技術(shù)產(chǎn)品已逐漸被廣泛運(yùn)用。第三代現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品從1953年美國(guó)的Watson及Cr85(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(γ-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)(1)發(fā)酵食品(醬、納豆、酸奶、奶酪、乳酸飲料等)微生物工86紅細(xì)胞生產(chǎn)素、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、紫杉醇等紅細(xì)胞生產(chǎn)素、白細(xì)胞介素、G-CSF、單克隆抗體等用動(dòng)物87微生物是對(duì)那些肉眼不能直接觀察到、微小的、但能維持生命并繁殖的生物的通稱，包括細(xì)菌、酵母、霉菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物和病毒等。2.1微生物基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1微生物的分類與命名微生物是對(duì)那些肉眼不能直接觀察到、微小的、但能維持生命并繁殖88分類：界（Kingdom）門（Phylum）綱（Class）目（Order）科（Family）屬（Genus）種（Species）分類：89種以下有：變種（Variety）、型（Form）、品系（Strain）等。命名：“雙名法”。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；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。種以下有：變種（Variety）、型（Form）、品系（St90例如：Staphylococcusaureus，前一個(gè)詞是屬名，是拉丁語的名詞，是“葡萄球菌”的意思。第二個(gè)詞字是種名，是拉丁語的形容詞，意思是“金黃色”。所以學(xué)名是“金黃色葡萄球菌”。例如：Staphylococcusaureus，前一個(gè)詞是91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。細(xì)菌具有一定的形態(tài)，形狀近似圓形稱作球菌；形狀近似圓柱形的成為桿菌。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92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。真菌有核，呈絲狀，直徑一般為3～10μm，多分枝，有或無隔膜。霉菌多為腐生菌，也有少數(shù)寄生于動(dòng)物或植物體內(nèi)。它們具有廣泛的降解和合成能力，是發(fā)酵生產(chǎn)某些重要物質(zhì)的主力軍。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93酵母菌是一個(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。有的酵母通過出芽進(jìn)行無性繁殖，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。酵母菌是一個(gè)通俗名稱，是典型的真核生物，多為單細(xì)胞，有的也呈94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。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)胞被破壞和死亡。寄生于細(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。煙草花葉病毒噬菌體（DNA病毒）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952.1.2微生物的化學(xué)組成微生物菌體的80%左右是水分。濕菌體所含水分是指菌體在100℃前后干燥直到恒重時(shí)減少的量。除去水分的菌體稱為干菌體。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、維生素和無機(jī)物等化學(xué)物質(zhì)。2.1.2微生物的化學(xué)組成96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，其次是鈣、鎂、硫、鈉、氯、鐵、鋅、硅等。另外，還含有微量的鋁、銅、錳、鈷等。

細(xì)胞中某些元素（除碳、氧、氮和氫外）的含量，一般以磷972.1.3生長(zhǎng)特性由于微生物種類各異，不同微生物的生長(zhǎng)特性亦有很大差別。細(xì)菌以分裂方式進(jìn)行的繁殖。在適宜的生長(zhǎng)條件下，某些細(xì)菌的世代時(shí)間可達(dá)10～20min。2.1.3生長(zhǎng)特性由于微生物種類各異，不同微生物的生長(zhǎng)特性98然而，比較典型的世代時(shí)間為40～60min。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（菌體量增加一倍所需時(shí)間）。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，酵母在45min內(nèi)就可以分裂，比較典型的分裂時(shí)間為90～120min。然而，比較典型的世代時(shí)間為40～60min。當(dāng)細(xì)菌分裂為二99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)間可短至60～90min，但典型的霉菌倍增時(shí)間為4～8h。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)100病毒能在活細(xì)胞內(nèi)繁殖，但不能在一般培養(yǎng)基中繁殖。病毒是通過復(fù)制方式進(jìn)行繁殖，即感染細(xì)胞后“接管”寄主細(xì)胞的生物合成機(jī)構(gòu)，按病毒的遺傳特性，合成病毒的核酸和蛋白質(zhì)，并且以指數(shù)方式進(jìn)行復(fù)制，冪大于2。流行性感冒病毒病毒能在活細(xì)胞內(nèi)繁殖，但不能在一般培養(yǎng)基中繁殖。病毒是通過復(fù)101分為碳源、氮源、無機(jī)元素、微量營(yíng)養(yǎng)素或生長(zhǎng)因素等。2.1.4影響微生物反應(yīng)的環(huán)境因素1營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分為碳源、氮源、無機(jī)元素、微量營(yíng)養(yǎng)素或生長(zhǎng)因素等。2.1.4102可構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳架來源的營(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、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。(1)碳源可構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳架來源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。碳源103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。在微生物工業(yè)中，硫氨、尿素、豆餅和玉米漿等是較為常用的氮源。(2)氮源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，104無機(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，銅，鋅等。(3)無機(jī)元素?zé)o機(jī)元素的主要功能是：構(gòu)成細(xì)胞的組成成分；作為105微生物維持正常生活所不可缺少的，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，常利用玉米漿等作生長(zhǎng)因素的來源。(4)生長(zhǎng)因素微生物維持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。(106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。2溫度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107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、最高和最低溫度會(huì)因環(huán)境條件變化而變化。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108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（＜20℃）中溫菌最適生長(zhǎng)溫度（20~45℃）嗜熱菌（＞45℃）最高生長(zhǎng)溫度（一般80~95℃，極端為105~300℃微

生

物生長(zhǎng)

溫

度最低生長(zhǎng)溫度（一般-5~-10℃，極端109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Eh作為定量表示厭氧程度的方法。除與氧分壓有關(guān)外，Eh還受pH的影響。pH值低時(shí)，氧化還原電位高；pH值高時(shí)，氧化原電位低。當(dāng)pH一定時(shí)，溶氧水溶液的Eh與溶解氧濃度（DO）的對(duì)數(shù)成正比。所以，由所測(cè)得的Eh可求得所需的DO值。3溶解氧與氧化還原電位Eh氧是在溶解狀態(tài)下被微生物利用的，可用培養(yǎng)基的110好氧性微生物,如霉菌,在Eh值為+0.1伏以上均可生長(zhǎng)，以Eh等于+0.3～+0.4伏時(shí)為適。厭氧微生物,產(chǎn)甲烷菌,只能在Eh值小于+0.1伏以下生長(zhǎng)。兼性厭氧微生物,如酵母,在+0.1伏以上或以下均能生長(zhǎng)。好氧性微生物,如霉菌,在Eh值為+0.1伏以上均可生長(zhǎng)，以E111不同微生物有其最適生長(zhǎng)的pH值范圍。大多數(shù)自然環(huán)境的pH值為5～9，許多微生物的最適生長(zhǎng)pH也在此范圍內(nèi)，只有少數(shù)種類可生長(zhǎng)在pH值低于2或高于10的環(huán)境中。大多數(shù)酵母與霉菌在微酸性（pH5～6）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)最好。4pH不同微生物有其最適生長(zhǎng)的pH值范圍。大多數(shù)自然環(huán)境的112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0.90～0.99之間；大多數(shù)酵母菌的為0.80～0.90；真菌及少數(shù)酵母菌要求在0.60～0.70。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，可以排除其它雜菌的污染。5濕度細(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1136滲透壓

微生物一般在高滲透壓下難以生長(zhǎng)。但是，嗜高滲菌、嗜鹽菌和嗜糖菌例外，在30％以上濃度的食鹽中仍有生長(zhǎng)的霉菌存在，在70％濃度的蔗糖中也有生長(zhǎng)的酵母生存。

6滲透壓微生物一般在高滲透壓下難以生長(zhǎng)。但是1147壓力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)于通常的微生物反應(yīng)過程，壓力的影響可以不考慮。

7壓力一般微生物甚至可在幾十個(gè)大氣壓的水壓下也不受影1158光線

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)不如暗處好，日光甚至是有害的。

8光線紅色或綠色細(xì)菌及綠藻類的生長(zhǎng)需要光，而一般的微116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；原料多為農(nóng)產(chǎn)品，來源豐富；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)或酶等的有用產(chǎn)物時(shí)，可用于提取這些物質(zhì)；通過菌種改良，有可能使同一生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力大大提高；微生物反應(yīng)是自催化反應(yīng)。2.1.5微生物反應(yīng)的特性特點(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117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)：微生物常能分泌或誘導(dǎo)分泌有用的生物化學(xué)物質(zhì)；優(yōu)點(diǎn)：118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。不足：副產(chǎn)物的產(chǎn)生不可避免。1192.2微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量與衡算通過質(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)過程需要消耗和釋放多少能量。通過反應(yīng)過程衡算式有已知量可以求出未知量。所以它是研究反應(yīng)過程的一個(gè)有效手段，對(duì)解決工程問題特別有用。2.2微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量與衡算通過質(zhì)量和能量衡算120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。通過計(jì)量學(xué)，可知道反應(yīng)過程中有關(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推知其他物質(zhì)的消耗或生成速率。2.2.1微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量衡算1細(xì)胞反應(yīng)過程計(jì)量學(xué)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121由于細(xì)胞反應(yīng)過程由眾多組分參與，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加以簡(jiǎn)化處理。由于細(xì)胞反應(yīng)過程由眾多組分參與，且代謝途徑錯(cuò)綜1222微生物反應(yīng)過程2微生物反應(yīng)過程1233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)過程需要消耗或釋放多少能量，即通過反應(yīng)過程衡算式由已知量求未知量。3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124為了表示出微生物反應(yīng)過程中各物質(zhì)和各組分之間的數(shù)量關(guān)系，最常用的方法是對(duì)各元素進(jìn)行原子衡算。4反應(yīng)過程計(jì)算方法為了表示出微生物反應(yīng)過程中各物質(zhì)和各組分之間的數(shù)量關(guān)125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，忽略其他微量元素P、S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)系是可行的。如果碳源由C、H、O組成，氮源為NH3，細(xì)胞的分子式126式中CHmOn為碳源的元素組成，CHxOyNz是細(xì)胞的元素組成，CHuOvNw為產(chǎn)物的元素組成。下標(biāo)m、n、u、v、w、x、y、z分別代表與一碳原子相對(duì)應(yīng)的氫、氧、氮的原子數(shù)。式中CHmOn為碳源的元素組成，CHxOyNz是細(xì)胞的元素組127對(duì)各元素做元素平衡，得到如下方程：方程組中有a、b、c、d、e和f六個(gè)未知數(shù)，需六個(gè)方程才能解。對(duì)各元素做元素平衡，得到如下方程：方程組中有a、b、c、d128例1：葡萄糖為基質(zhì)進(jìn)行面包酵母(S.cerevisiae)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)a、b、c、d。例1：葡萄糖為基質(zhì)進(jìn)行面包酵母(S.cerevisiae)129C:6=6b+dH:12+3a=10b+2cO:6+2×3=3b+c+2dN:a=b以上方程聯(lián)立求解得：a=b=0.48c=4.32d=3.12解：C:6=6b+d以上方程聯(lián)立求解得：a=b=0.48c=130O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來定義好氧培養(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：呼吸商O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來定義好氧培養(yǎng)中微生物生131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=0.6C:2=c+dH:6+3b=1.75c+2eO:1+2a=0.5c+2d+eN:6=0.15c解：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=0.132解得：a=2.394;b=0.085;c=0.564;d=1.436;e=2.634解得：a=2.394;b=0.085;c=0.564;d133例3：葡萄糖為碳源，NH3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100mol葡萄糖和12molNH3生成57mol菌體、43mol甘油、130mol乙醇、154molCO2和3.6molH2O，求酵母經(jīng)驗(yàn)分子式。例3：葡萄糖為碳源，NH3為氮源進(jìn)行酵母厭氧培養(yǎng)。培養(yǎng)中分析134酵母的化學(xué)結(jié)構(gòu)CH1.84N0.21O0.52C:600=57w+43×3+154+130×2H:1200+12×3=57x+43×8+130×6+3.6×2O:600=57z+43×3+154×2+130+3.6N:12=57y解得：w=1;x=1.84;y=0.21;z=0.52解：酵母的化學(xué)結(jié)構(gòu)CH1.84N0.21O0.52C:601352.2.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)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(zhǎng)得率Yx/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)2.2.2微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)消耗1g基質(zhì)生成細(xì)胞的克136細(xì)胞得率的單位是g細(xì)胞/g基質(zhì)。這里的細(xì)胞是指干細(xì)胞的質(zhì)量（除特殊說明外，以下細(xì)胞的質(zhì)量均指干細(xì)胞）。細(xì)胞得率的單位是g細(xì)胞/g基質(zhì)。這里的細(xì)胞是指干細(xì)胞的質(zhì)量（137式中：rx—微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率，rs—是基質(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(shí)細(xì)胞得率）式中：rx—微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率，某一瞬間的細(xì)胞得率稱為微分138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Yx/s大的多。同一菌種在不同培養(yǎng)基中，YX/S大小順序?yàn)椋簭?fù)合培養(yǎng)基＞合成培養(yǎng)基＞基本培養(yǎng)基同一菌種，同一培養(yǎng)基，好氧培養(yǎng)的Yx/s比厭氧培養(yǎng)的Yx/s139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為細(xì)胞的組成成分，其余部分被異化分解為CO2和代謝產(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Yc可由下式表示2基于碳元素消耗的細(xì)胞得率YC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140式中Xc和Sc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。Yc值一般小于1，為0.4—0.9。式中Xc和Sc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141例：乙醇為基質(zhì)好氧培養(yǎng)酵母，反應(yīng)方程式為：求YX/S和YX/O、YC例：乙醇為基質(zhì)好氧培養(yǎng)酵母，反應(yīng)方程式為：求YX/S和YX/142生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)課件143生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)課件144碳源通過氧化釋放能量，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基于有效電子數(shù)的細(xì)胞得率Yave-碳源通過氧化釋放能量，一部分進(jìn)入ATP供細(xì)胞生長(zhǎng)，所有物質(zhì)氧145例如：0.5molO2與1molH2合成1molH2O，同時(shí)放出241.1KJ熱量，過程中有效電子轉(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6×4＝24(ave-/mol)例如：0.5molO2與1molH2合成1molH2O146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)定葡萄糖燃燒過程得到的ΔHS＝-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)來計(jì)算有機(jī)物氧化過程釋放的能量。因此葡萄糖完全氧化時(shí)，釋放能量應(yīng)為：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147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-

如產(chǎn)氣桿菌YX/S=72.7g/mol葡萄糖，葡萄糖有效電子148微生物反