第二章-生物反应动力学-2-细胞反应PPT课件.ppt

第二节 细胞反应过程动力学2.1 2.1 微生物基础知识2.2 2.2 微生物反应过程的质量与能量衡算 2.3 2.3 微生物反应动力学1.第一代生物技术产品的出现1857年法国著名生物学家巴斯德用实验证明了酒精发酵是由活的酵母引起的，其它不同的发酵产物则是由不同微生物的作用而形成。后来发现是因为它们分泌了一种具有发酵能力的物质，称为酶。其它如制造醋、酱（油）、奶制品、面包，医学上的以霉治疡技术。2.第二代近代生物技术产品发展40年代初，第二次世界大战爆发。医生们急需一种比磺胺药物更为效而毒副作用小的抗菌感染的药物来治疗伤员和平民因创伤引起的感染及继发性疾病。于是，1928年英国Flemingfa发现的青霉素成为此类抗菌消炎药的首选。时至今日，青霉素仍被认为是20世纪医学史上最伟大的发现。3.第三代现代生物技术产品 从1953年美国的Watson及Crick发现了DNA分子的双螺旋结构，由此而来21世界克隆等基因工程的快速发展。1953年Grubhofer及Schleith提出了酶的固定化技术。1956年，中国首次人工合成了结晶牛胰岛素。到现在，干扰素、生长激素、淋巴细胞活素、疫苗、白蛋白、心钠素等各种DNA重组技术产品已逐渐被广泛运用。4.(1)发酵食品(酱、纳豆、酸奶、奶酪、乳酸饮料等)(2)酒精饮料(白酒、啤酒、葡萄酒等)(3)菌体(面包酵母、SCP、绿藻、螺旋藻等)(4)有机酸(醋酸、柠檬酸、乳酸、衣康酸等)(5)氨基酸(谷氨酸、赖氨酸、色氨酸等)(6)核酸类物质(7)抗生素(青霉素、头孢菌素、链霉素、氯霉素等)(8)油脂及相关化合物(-亚油酸、EPA、DHA等)(9)具有生理活性的低分子量物质(维生素类、激素等)(10)高分子物质(酶；多糖类；生理活性蛋白）(11)其它微生物工业生产的物质5.红细胞生产素、白细胞介素、G-CSF、单克隆抗体等用动物细胞生产的物质用植物细胞生产的物质紫草素类化合物、人参、紫杉醇等6.微生物是对那些肉眼不能直接观察到、微小的、但能维持生命并繁殖的生物的通称，包括细菌、酵母、霉菌、真菌、藻类和原生动物和病毒等。2.1 2.1 微生物基础知识2.1.1 2.1.1 微生物的分类与命名7.分类：界（Kingdom）门（Phylum）纲（Class）目（Order）科（Family）属（Genus）种（Species）8.种 以 下 有：变 种（VarietyVariety）、型（FormForm）、品系（StrainStrain）等。命名：“双名法”。属名：大写字母开头，是拉丁词的名词，用以描述微生物的主要特征；种名：小写字母打头，是一个拉丁词的形容词，用以描述微生物的次要特征。9.例如：Staphylococcus Staphylococcus aureusaureus，前一个词是属名，是拉丁语的名词，是“葡萄球菌”的意思。第二个词字是种名，是拉丁语的形容词，意思是“金黄色”。所以学名是“金黄色葡萄球菌”。10.细菌是单细胞微生物，有不同的形状及大小，以典型的二分裂殖方式繁殖。细菌具有一定的形态，形状近似圆形称作球菌；形状近似圆柱形的成为杆菌。11.霉菌是丝状真菌的一个通俗名称，在自然界分布很广，其生长所要求的相对温度比细菌低。真菌有核，呈丝状，直径一般为3 310m10m，多分枝，有或无隔膜。霉菌多为腐生菌，也有少数寄生于动物或植物体内。它们具有广泛的降解和合成能力，是发酵生产某些重要物质的主力军。12.酵母菌是一个通俗名称，是典型的真核生物，多为单细胞，有的也呈丝状。有的酵母通过出芽进行无性繁殖，也有的酵母进行分裂繁殖。酵母既可进行好氧呼吸，又能进行厌氧呼吸。酵母菌在酒类酿造中是不可缺少的。13.病毒是存在于动物、植物、昆虫、真菌、藻类和细菌细胞内的专性寄生物，是最小的微生物。病毒本身不具备或具备最低的合成和代谢能力，只能在寄主细胞内生长繁殖，常导致寄主细胞被破坏和死亡。寄生于细菌细胞内的病毒又称为噬菌体。噬菌体是危害细菌发酵的重要根源。烟草花叶病毒噬菌体（DNADNA病毒）14.2.1.2 2.1.2 微生物的化学组成 微生物菌体的80%80%左右是水分。湿菌体所含水分是指菌体在100100前后干燥直到恒重时减少的量。除去水分的菌体称为干菌体。微生物菌体中除水分外，其余为蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸、维生素和无机物等化学物质。15.细胞中某些元素（除碳、氧、氮和氢外）的含量，一般以磷、钾为多，其次是钙、镁、硫、钠、氯、铁、锌、硅等。另外，还含有微量的铝、铜、锰、钴等。16.2.1.3 2.1.3 生长特性由于微生物种类各异，不同微生物的生长特性亦有很大差别。细菌以分裂方式进行的繁殖。在适宜的生长条件下，某些细菌的世代时间可达1020min。17.然而，比较典型的世代时间为404060 60 minmin。当细菌分裂为二分裂时，世代时间等于倍增时间（菌体量增加一倍所需时间）。酵母菌的生长方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂（如同菌丝生长）三种。在最适条件下，酵母在45 min45 min内就可以分裂，比较典型的分裂时间为9090120 min120 min。18.霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从菌丝体（顶端生长）的顶端细胞间形成隔膜进行生长，一旦形成一个细胞，它就保持其完整性。霉菌的倍增时间可短至606090 min90 min，但典型的霉菌倍增时间为4 48 h8 h。19.病毒能在活细胞内繁殖，但不能在一般培养基中繁殖。病毒是通过复制方式进行繁殖，即感染细胞后“接管”寄主细胞的生物合成机构，按病毒的遗传特性，合成病毒的核酸和蛋白质，并且以指数方式进行复制，幂大于2 2。流行性感冒病毒20.分为碳源、氮源、无机元素、微量营养素或生长因素等。2.1.4 2.1.4 影响微生物反应的环境因素1 营养物质21.可构成微生物细胞和代谢产物中碳架来源的营养物质。碳源的主要作用是构成细胞物质和供给微生物生长发育所需的能量。大多微生物以有机含碳化合物作为碳源和能源，例如糖类、淀粉、油脂等。光能自养微生物是利用光为能源，二氧化碳为主要碳源。(1)碳源22.氮源主要是提供合成原生质和细胞其它结构的原料，一般不提供能量。在微生物工业中，硫氨、尿素、豆饼和玉米浆等是较为常用的氮源。(2)氮源23.无机元素的主要功能是：构成细胞的组成成分；作为酶的组成成分；维持酶的作用；调节细胞渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位等。需要量较大的无机元素是磷、硫、镁、铁、钾、钙等，还需要几种微量的金属元素，如锰，钴，铜，锌等。(3)无机元素24.微生物维持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。根据化学结构和代谢功能可将其分为三类：即维生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。工业生产中，常利用玉米浆等作生长因素的来源。(4)生长因素25.温度是影响微生物生长和繁殖的最重要的因素之一。在一定范围内，微生物的代谢活动与生长繁殖随着温度的上升而增加，温度上升到一定程度，开始对机体产生不利影响，如温度继续提高，细胞功能急骤下降，以至死亡。2 温度26.各种生物有其最适生长温度、最高生长温度与最低生长温度，并且，最适、最高和最低温度会因环境条件变化而变化。27.微生物生长温度最低生长温度（一般-5-10，极端为-30）嗜冷菌（20）中温菌 最适生长温度（2045）嗜热菌（45）最高生长温度（一般8095，极端为10530028.氧是在溶解状态下被微生物利用的，可用培养基的氧化还原电位Eh作为定量表示厌氧程度的方法。除与氧分压有关外，Eh还受pH的影响。pH值低时，氧化还原电位高；pH值高时，氧化原电位低。当pH一定时，溶氧水溶液的Eh与溶解氧浓度（DO）的对数成正比。所以，由所测得的Eh可求得所需的DO值。3 3 溶解氧与氧化还原电位EhEh29.好氧性微生物,如霉菌,在Eh值为+0.1伏以上均可生长，以Eh等于+0.3+0.4伏时为适。厌氧微生物,产甲烷菌,只能在Eh值小于+0.1伏以下生长。兼性厌氧微生物,如酵母,在+0.1伏以上或以下均能生长。30.不同微生物有其最适生长的pHpH值范围。大多数自然环境的pHpH值为5 59 9，许多微生物的最适生长pHpH也在此范围内，只有少数种类可生长在pHpH值低于2 2或高于1010的环境中。大多数酵母与霉菌在微酸性（pH5pH56 6）环境中生长最好，而细菌、放线菌则在中性或微碱性条件下生长最好。4 pH31.细菌要求水活度（湿料饱和蒸汽压/相同温度下纯水饱和蒸汽压）在0.900.900.990.99之间；大多数酵母菌的为0.800.800.900.90；真菌及少数酵母菌要求在0.600.600.700.70。因此，固态发酵常用真菌的原因就是其对水活度要求低，可以排除其它杂菌的污染。5 湿度 32.6 渗透压 微生物一般在高渗透压下难以生长。但是，嗜高渗菌、嗜盐菌和嗜糖菌例外，在3030以上浓度的食盐中仍有生长的霉菌存在，在7070浓度的蔗糖中也有生长的酵母生存。33.7 7 压力 一般微生物甚至可在几十个大气压的水压下也不受影响，对于通常的微生物反应过程，压力的影响可以不考虑。34.8 光线 红色或绿色细菌及绿藻类的生长需要光，而一般的微生物在明亮处的生长不如暗处好，日光甚至是有害的。35.特点：微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行；原料多为农产品，来源丰富；易于生产复杂的高分子化合物和光学活性物质；除产生产物外，菌体自身也可是一种产物。如果其富含维生素或蛋白质或酶等的有用产物时，可用于提取这些物质；通过菌种改良，有可能使同一生产设备的生产能力大大提高；微生物反应是自催化反应。2.1.5 2.1.5 微生物反应的特性36.微生物常能分泌或诱导分泌有用的生物化学物质；容易筛选出分泌型突变株；微生物的生长速率快；微生物的代谢产物的产率较高等。优点：37.不足：副产物的产生不可避免。影响微生物反应的因素多实际控制有难度；原料是农副产品，受价格变动影响大；产前准备工作量大，相对化学反应器而言，反应器效率低。对于好氧反应，需氧，故增加了生产成本，且氧的利用率不高；废水有较高BOD值。38.2.2 2.2 微生物反应过程的质量与衡算 通过质量和能量衡算，可以了解反应物和生成物之间定量关系，反应过程需要消耗和释放多少能量。通过反应过程衡算式有已知量可以求出未知量。所以它是研究反应过程的一个有效手段，对解决工程问题特别有用。39.反应计量学是对反应物的组成和反应转化程度的数量化研究。通过计量学，可知道反应过程中有关组分的组成变化规律以及各反应之间的数量关系。知道了这些数量关系，就可以由一个物质的消耗或生成速率来推知其他物质的消耗或生成速率。2.2.1 2.2.1 微生物反应过程的质量衡算1 细胞反应过程计量学40.由于细胞反应过程由众多组分参与，且代谢途径错综复杂，在细胞生长和繁殖的同时还伴随着代谢产物的生成，因此其过程很难象化学反应一样用正确的系数加以表达。这就要求用另外一些方法来加以简化处理。41.2 2 微生物反应过程42.3 3 质量和能量衡算意义(1)可以了解反应物和生成物之间的定量关系。(2)反应过程需要消耗或释放多少能量，即通过反应过程衡算式由已知量求未知量。43.为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡算。4 4 反应过程计算方法44.如果碳源由C C、H H、O O组成，氮源为NHNH3 3，细胞的分子式定义为CHxOyNzCHxOyNz，忽略其他微量元素P P、S S和灰分等，此时用碳的定量关系式表示微生物反应的计量关系是可行的。45.式中CHmOnCHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNzCHxOyNz是细胞的元素组成，CHuOvNwCHuOvNw为产物的元素组成。下标m m、n n、u u、v v、w w、x x、y y、z z分别代表与一碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数。46.对各元素做元素平衡，得到如下方程：方程组中有a a、b b、c c、d d、e e和f f六个未知数，需六个方程才能解。47.例1 1：葡萄糖为基质进行面包酵母(S.(S.cerevisiae)cerevisiae)培养，培养的反应式可用下式表示，求计量关系中的系数a a、b b、c c、d d。48.C:6=6b+dH:12+3a=10b+2cO:6+23=3b+c+2dN:a=b以上方程联立求解得：a=b=0.48 c=4.32 a=b=0.48 c=4.32 d=3.12d=3.12解：49.O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢机能的重要指标之一的呼吸商，其定义式为：呼吸商50.例2：乙醇为基质好氧培养酵母，反应方程式为：呼吸商RQ=0.6。求各系数a、b、c、d、e。根据RQ得：d/a=0.6C:2=c+dC:2=c+dH:6+3b=1.75c+2eH:6+3b=1.75c+2eO:1+2a=0.5c+2d+eO:1+2a=0.5c+2d+eN:6=0.15cN:6=0.15c解：51.解得：a=2.394;b=0.085;c=0.564;d=1.436;e=2.63452.例3 3：葡萄糖为碳源，NHNH3 3为氮源进行酵母厌氧培养。培养中分析结果表明，消耗100mol100mol葡萄糖和12mol NH12mol NH3 3生成57mol57mol菌体、43mol43mol甘油、130mol130mol乙醇、154molCO154molCO2 2和3.6molH3.6molH2 2O O，求酵母经验分子式。53.酵母的化学结构 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解得：w=1;x=1.84;y=0.21;z=0.52解：54.2.2.2 2.2.2 微生物反应过程的得率系数消耗1g1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/sYx/s。得率系数是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。1 细胞得率系数55.细胞得率的单位是g g细胞/g/g基质。这里的细胞是指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质量均指干细胞）。56.式中：r rx x微生物细胞的生长速率，r rs s 是基质的消耗速率。某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时细胞得率）57.同一菌种，同一培养基，好氧培养的Yx/sYx/s比厌氧培养的Yx/sYx/s大的多 。同一菌种在不同培养基中，Y YX/SX/S大小顺序为：复合培养基合成培养基基本培养基58.当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一部分被同化为细胞的组成成分，其余部分被异化分解为COCO2 2和代谢产物。如果从碳源到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率YcYc可由下式表示2 2 基于碳元素消耗的细胞得率Y YC C59.式中XcXc和ScSc分别为单位质量细胞和单位质量基质中所含碳源素量。YcYc值一般小于1 1，为0.40.90.40.9。60.例：乙醇为基质好氧培养酵母，反应方程式为：求YX/S和YX/O、YC61.62.63.碳源通过氧化释放能量，一部分进入ATP供细胞生长，所有物质氧化总伴随着电子的转移。有效电子转移：物质在氧化过程中伴随着能量释放所进行的电子转移。每分子氧可接受4个电子，即有效电子转移数是4。3 3 基于有效电子数的细胞得率Y Yave-ave-64.例如：0.5mol O2与1mol H2合成1mol H2O，同时放出241.1 KJ热量，过程中有效电子转移数为2，记作2(ave-)。当1mol葡萄糖完全氧化时，需要消耗6mol的氧分子，相应有效电子转移数为6424(ave-/mol)65.根据大量的实验，有机化合物氧化时每转移一个有效电子，平均释放出111kJ的热量，记作：与量热器测定葡萄糖燃烧过程得到的HS-2813KJ/mol，相差5%。这在工程上是可接受的，因此可以用有效电子转移数来计算有机物氧化过程释放的能量。因此葡萄糖完全氧化时，释放能量应为：66.如产气杆菌YX/S=72.7g/mol葡萄糖，葡萄糖有效电子转移数为24ave-/molYave-=72.7/24=3g/ave-67.微生物反应的特点之一是通过呼吸链（电子传递）氧化磷酸化生成ATP。4 4 以基质异化代谢产生ATPATP为基准的细胞得率Y YATPATP68.式中：Y YATPATP相对于基质的ATPATP生成得率（mol mol ATP/molATP/mol基质），MsMs基质的分子量。69.根据大量的实验发现，在厌氧培养时，YATP与细胞、底物的种类无关，基本上为常数，即YATP10，并且该值可看作为细胞生长的普遍特征值 好氧反应中，除底物水平磷酸化生成ATP外，还通过氧化磷酸化生成大量ATP。因此，好氧的YX/S值大于厌氧的YX/S70.氧化磷酸化的反应效率常采用其被酯化的无机磷酸分子数和此时消耗的氧原子数之比(简称P/O)来表示，即每消耗1原子氧生成ATP的分子数量来表示。一般酵母菌P/O约等于1，细菌P/O等于0.51.071.微生物反应中可以用YkJ表示微生物对能量的利用情况，5 5 微生物对能量的得率Y YKJKJ72.式中E表示消耗的总能量，包括同化过程，即菌体所保持的能量Ea和分解代谢的能量Eb。前者可采用干细胞的燃烧热，后者可采用所消耗的碳源和代谢产物各自的燃烧热之差来计算。多数微生物在好氧培养时的YKJ值为0.028g细胞/kJ，在厌氧培养时YKJ的平均值为0.031g细胞/kJ。对于光能自养型微生物，如藻类的YKJ约等于0.002 g细胞/kJ。73.例：葡萄糖为碳源，NH3为氮源，进行某种细菌好氧培养，消耗的葡萄糖中2/3碳源转化为细胞中的碳。反应式为计算上述反应中得率系数YX/S和YX/O。74.1mol葡萄糖中含有碳为72g，转化为细胞内的碳为722/3=48(g)所以c=48/(4.412)=0.91转化为CO2的碳量为：72-4824(g)所以e=24/12=275.N平衡：14b=0.86c14 得b=0.78H平衡：12+3b=7.3c+2d 得d=3.85O平衡：616+216a=1.216c+216e+16d 得a=1.47消耗1mol葡萄糖生成的菌体量：0.91(4.412+7.31+0.8614+1.216)=83.1(g)YX/S=83.1/180=0.46(g/g)YX/O=83.1/(1.4732)=1.77(g/g)76.微生物反应是放热反应。储存于碳源中能源，在好氧反应中约有40%50%的能量转化为ATP，供微生物的生长、代谢之需，其余的能量作为热量被排放。2.2.3 2.2.3 微生物反应中的能量衡算77.在微生物放热过程中，放热量Q可用下式计算:-HS为碳源物质的燃烧热；-CS为利用的底物量；-HN为氮源物质的燃烧热；-CN为利用的底物量；-HC为微生物细胞的燃烧热；CX为产生的微生物细胞量；-HPi为第i种产物的燃烧热；CPi为产生的第i种产物的量78.可从有关手册查到。若查不到，可近似计算。各种物质燃烧热值例如：微生物燃烧产热量（kJ/g细胞）可用下式计算。其中C,H,和O是微生物细胞的碳、氢和氧的质量分数。79.两种情况能量衡算：复合培养基、基本培养基微生物反应中的能量衡算80.微生物在复合培养基中的同化和异化代谢O2ADP ATP2ADP ATP143异化（厌氧）异化（好氧）同化(H)(脱氢)CO2(脱羧)H2O81.微生物在基本培养基中的同化和异化代谢ADP ATPADPATPATPADPADPATP异化（厌氧）异化（好氧）同化同化CO2H2O(H)O2H2O82.复合培养基中，葡萄糖作为碳源完全分解不完全分解生成酒精和乳酸酒精发酵放热为：287113682136kJ乳酸发酵放热为：287113372197kJ83.