1、第四章 細胞反應動力學,4.1 微生物反應過程的質量和能量衡算,4.1.1 微生物反應過程的質量衡算微生物反應中參與反應的培養(yǎng)基成分多，反應途徑復雜。如果把微生物反應看成是生成多種產(chǎn)物的復合反應：碳源+氧+氮源=菌體+有機產(chǎn)物+二氧化碳+水CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eCO2+fH2O,呼吸商：細胞生長過程中放出的CO2與消耗的O2的摩爾比,式中: ΔCO2 為一定時間內細胞生長放出的CO

2、2量(mol、Kmol) ；,4.1.2 微生物反應過程的得率系數(shù),得率系數(shù)是對碳源等物質生成細胞或其他產(chǎn)物的潛力進行定量評價的重要參數(shù)。消耗1克基質生成細胞的克數(shù)稱為細胞得率或生長得率。,對底物的細胞得率系數(shù),對底物的產(chǎn)物得率系數(shù),與碳元素相關的得率系數(shù)YC：當基質為碳源，一部分被同化為細胞組成成分，其余部分被異化分解為CO2和代謝產(chǎn)物。,XC和SC---單位質量細胞的含碳量和單位質量基質的含碳量,與氧相關的得率系數(shù)YO：生成細胞質量

3、與消耗氧的比值。,舉例：,C6H12O6+aO2+bNH3→cC4.4OH7.3N0.86O1.2+dH2O+eCO2已知：葡萄糖中的碳2/3轉化為細胞中的碳計算c值計算e值根據(jù)原子的平衡關系計算b,d,a值求YX/S求YX/O,4.2 細胞生長的非結構動力學,4.2.1 細胞生長動力學描述方法（1）微生物反應過程細胞群體 ①細菌群體的復雜性：通常1mL培養(yǎng)液中含有107～108個細胞，每個細胞都經(jīng)歷生長、

4、成熟、衰亡的過程，同時伴有退化、變異②多 相：體系中有液相、固相、氣相，性質不同，相內、相間有反應、傳質③多組份：細胞組成復雜,蛋白質、脂肪、糖、核酸、維生素、無機鹽、水等,培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物，代謝產(chǎn)物④非線性：生化反應過程復雜,不能用線性方程描述,（2）細菌群體描述的簡化①微生物反應動力學是對細菌群體而言，而不是對單一細胞②不考慮細胞之間的差異，性質上取平均值。此模型為確定論模型；考慮細胞之間的差異為概率論模型③把細胞視為單

5、組成，忽略環(huán)境變化對菌體組成的影響，所建立的模型為非結構性模型.它是在實驗數(shù)據(jù)的基礎上建立的經(jīng)驗或半經(jīng)驗關聯(lián)模型④假設細胞生長過程，各子成份均以相同的比例生長⑤把細胞和培養(yǎng)液視為一相（液相）,不考慮培養(yǎng)液和細胞之間的物質傳遞作用,即均一化模型,對細胞群體的描述模型,（3）反應速率的定義 ①絕對速率,② 相對速率,細胞生長比速率底物消耗比速率氧消耗比速率產(chǎn)物生成比速率反應熱生成比速率,比速率與催化活性物質的量有關。因此比速率

6、的大小反映了細胞活力的大小。,4.2.2 無抑制細胞生長動力學,式中:cS——限制性底物質量濃度，g/L；Ks——飽和常數(shù)，其值等于生長比速率恰為最大生長比速率的濃度一半時的限制性底物濃度。,當限制性底物濃度很低時，cs<<Ks，此時若提高限制性底物濃度，可以明顯提高細胞的生長速率。此時有,細胞生長比速率與底物濃度為一級動力學關系,當cs>>Ks時，若繼續(xù)提高底物濃度，細胞生長速率基本不變。此時細胞生長比速率

7、與底物濃度無關，為零級動力學特點。,4.2.4 細胞生長延遲期、穩(wěn)定期、死亡起和細胞維持動力學4.2.4.1 延遲期動力學,4.2.5 溫度對細胞生長速率的影響,4.3 底物消耗與產(chǎn)物生成動力學,4.3.1 底物消耗動力學,碳源,,簡單的碳化合物,,能量以ATP形式儲存,,,分解,,氧,,從細胞排出,CO2和水,,,,新細胞物質,,,,,,,,,,以復雜的生化物質排除,,,,維持能量供給,圖4-10 細胞中碳的利用及能置的

8、來源與消耗途徑,(1) 底物消耗速率與消耗比速率,底物最大消耗比速率,底物消耗比速率,單位體積培養(yǎng)液中的細胞在單位時間內攝取(消耗)氧的量稱為攝氧率(OUR)或氧的消耗速率，可表示為：,與細胞濃度之比，為耗氧比速率，或稱為呼吸強度。,當?shù)孜锛仁悄茉从质翘荚磿r、就應考慮維持能所消耗的底物。維持能用于維持其滲透壓，修復DNA、RNA和其他大分子。維持細胞的結構和生命活性。因此，對底物消耗動力學方程中必須考慮維持能這一項。 底物消耗速

9、率可表示為,(2) 包括維持能的底物消耗動力學,4.3.2 代謝產(chǎn)物生成動力學,一．相關模型： 是指產(chǎn)物的生成與細胞的生長過程相關，即產(chǎn)物通常是基質的分解代謝產(chǎn)物(如乙醇發(fā)酵)或代謝過程的中間產(chǎn)物(如氨基酸發(fā)酵),代謝產(chǎn)物的生成與細胞的生長是同步的。 產(chǎn)物的生成速率為：,等式兩邊除以X，則有：,說明：第一項與細胞生長有關，第二項無關 ；?、?由細胞生理特性與生長條件而定，只有通過對不同的細胞代謝過程進行研究，

10、才能找出其與細胞生長條件、環(huán)境因素的關系。,二．部分相關模型： 產(chǎn)物的生成與細胞生長部分相關。動力學方程為：,三．非相關模型： 產(chǎn)物的生成與細胞的生長無直接關系，特點是當細胞處于生長階段時，并無產(chǎn)物積累，而當細胞生長停止后，產(chǎn)物卻大量生成 。,4.4 微生物受熱死亡動力學,1.微生物死亡速率,各種不同微生物在含濕加熱時所呈現(xiàn)的相對耐熱性,設計滅菌操作，必須以細菌芽孢作為殺滅對象，因為要殺滅了芽孢，其他雜菌一定也殺滅。這

11、一點，既是食品滅菌的依據(jù)，同時也是發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌操作的基礎。,微生物受熱死亡的原因主要是因高溫使微生物體內的一些重要蛋白質，如酶等發(fā)生變性，從而導致微生物無法生存而死亡。微生物受熱死亡的規(guī)律有很多類型，但常見的是對數(shù)死亡律，也稱對數(shù)殘存律。-dN/dt=kN其中：N是活菌體濃度，以活菌體個數(shù)/mlK是比死亡速率常數(shù)，min-1t是時間,對數(shù)死亡律,-dN/dt=kNln(N/N0)=-ktN=N0exp(-

12、kt)t=2.303×log(N/N0)/kk值反應了微生物耐熱性的強弱，越小表明微生物越不易熱死；反之越易熱死。,各種不同微生物k值,dNR/dt=-kRNRdNS/dt=-krNR-kSNSkr耐熱芽孢的比失活速率常數(shù)，min-1kS耐敏感中間芽孢的比失活速率常數(shù)，min-1聯(lián)立求解微分方程組的：N/N0=kR[exp(kSt)-kS/krexp(-krt)]/(kR-kS),2.溫度對死亡速率的影響,死亡速

13、率常數(shù)k與溫度的關系，可用阿累尼烏斯公式來表示： K=Aexp(-ΔE/RT)或 lnK=lnA- ΔE/RTA:頻率常數(shù)，min-1ΔE：死亡活化能，J/molT：絕對溫度R：氣體常數(shù)ΔE/R：微生物受熱死亡時對溫度敏感性的度量，越大，隨溫度的變化越敏感。,,,絕對溫度的倒數(shù)，1/T,對數(shù)比死亡速率常數(shù)，lnk,斜率， -ΔE/R,,,,,,,,當培養(yǎng)基加熱滅菌時，常會出現(xiàn)雜菌被殺滅的同時，營養(yǎng)物質也被破

14、壞，如何解決這一矛盾？對表達式lnK=lnA- ΔE/(RT)取微分：dlnK=- ΔE/Rd(1/T)方程中，ΔE越大，對于同樣的d(1/T)， dlnK變化越大。微生物受熱死亡的活化能一般要比營養(yǎng)成分熱分解的活化能大的多，這就意味著當溫度升高時，微生物的死亡速率要比營養(yǎng)成分的破壞速率增加的多，這就是為什么采用高溫、瞬時滅菌-HTST (High Temperature Short Time)。,一般芽孢的ΔE約為293100

15、J/mol，營養(yǎng)成分的ΔE約為83740J/mol。嗜熱脂肪芽孢桿菌的死亡和維生素B1的熱分解距離：溫度從105 ℃升高到130 ℃，芽孢的K值將從0.1min-1增加至26.82min-1，增大268倍；但同樣的溫度變化， B1的K值從0.019min-1增加至0.117min-1，增大6.16倍。,不同滅菌溫度和不同滅菌時間下，維生素B1的破壞對照滅菌度N/N0=10-16,4.5 培養(yǎng)基滅菌的工程設計,1.間歇滅菌整個滅菌

16、過程由加熱、保溫和冷卻三個階段組成，每一階段均有菌體的死亡，整個間歇過程的滅菌作用是這三個階段的總和。,在保溫階段，K為常數(shù)，可以直接積分，在升溫和冷卻階段K是變化的，即溫度T是時間的函數(shù)，而且這些經(jīng)驗函數(shù)關系非常復雜（一般不推介使用這些公式），積分過程很復雜，往往使用數(shù)值法求解；▽加熱和▽冷卻可以從一些手冊中查得。,VT培養(yǎng)基的總體積；N0VT每批培養(yǎng)基開始的雜菌總數(shù)； NVT培養(yǎng)基滅菌后的雜菌數(shù)。如果殘留一個雜菌，如果營養(yǎng)物充

17、足，經(jīng)過24小時，倍增時間20分鐘計算，這個雜菌將繁殖成 (2)72;如果一個雜菌不留，則NVT=0，這也辦不到，如果達到此滅菌度，滅菌時間需無窮大；實際計算中常常取NVT=10-3，表示1000次發(fā)酵中，將可能由于滅菌不當而殘留一個雜菌。NVT通常根據(jù)操作難易、滅菌費用、產(chǎn)品和培養(yǎng)基的代價等多方面因素決定。,一般來講，完成整個滅菌周期約3-5小時，各階段對滅菌的貢獻大致如下：▽加熱/ ▽總=0.20;▽保溫/ ▽總=0.75；

18、▽保溫/ ▽總=0.05盡量縮短加熱時間，可減少營養(yǎng)物的減少。,2.連續(xù)滅菌與間歇滅菌相同，連續(xù)滅菌也需要加熱、保溫和冷卻三個階段；間歇滅菌這三個階段在空間上相同，在時間上不同；連續(xù)滅菌這三個過程同時發(fā)生，但在空間上不同，因此需要有加熱設備、保溫設別和冷卻設備。,4.5 細胞反應動力學參數(shù)的估計,動力學實驗的目的確定反應速率與反應物濃度之間的函數(shù)關系，這實際上是確立速率方程的基本形式；確定動力學參數(shù)，例如細胞反應器中的Ks和

19、μmax的值；確定動力學參數(shù)與反應條件，例如溫度、pH等因素的關系。動力學方程是否合適，動力學參數(shù)的值是否正確，取決于實驗設備和實驗方法是否能夠提供正確的動力學信息，取決一實驗數(shù)據(jù)的處理方法是否準確！,積分反應器與微分反應器的差別,4.5.1 實驗反應器,管式積分反應器的分類:(a)真積分反應器和(b)準積分反應器,微分反應器的分類:(a)真微分反應器和(b)準微分反應器,4.5.2 動力學參數(shù)的估算（1）積分法求取動力學參