§ 微生物生化反应的质量和能量衡算

一、基本内容

微生物反应过程的特点

1. 微生物微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行。

2. 反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂，因而在微生物生长的同时往往还伴随着生成代谢产物反应。

3. 微生物反应还受到众多外界环境因素的影响。

如果只对微生物反应过程做概念性描述，可表示为：

营养物质（碳源、氮源、氧及无机盐）＝新微生物细胞 + 代谢产物 + 二氧化碳

此式不是计量关系式。在生物工业中，有些行业，如酵母生产，只要求菌体的产生，不希望产生其他产物；乙醇工业中，由于是厌氧反应，因此，氧和水项等于零。另一些行业，如氨基酸、酶制剂、抗生素和有机酸等生产，上式各项都不能少。

质量和能量衡算在工程上的意义

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。

对各元素进行原子衡算。

如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为CHxOyNz ，忽略其他元素，可用下式表示微生

物反应：

CHmOn + aO2 + bNH3 = cCHxOyNz + dCHuOvNw + eH2O + fCO2

CHmOn ------ 碳源的元素组成；

CHxOyNz------ 细胞的元素组成；

CHuOvNw ------- 产物的元素组成；

下标 mnuvwxyz----- 与一个碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数。

评价微生物生物代谢机能的重要指标 ----- 呼吸商（respiratory quotient, RQ)RQ = CO2 生成速率/O2消耗速率

例：乙醇为基质，耗氧培养酵母，反应方程为：C2H5OH + aO2 + bNH3 = c(CH1.75N0.15O0.5) + dCO2 + eH2O

呼吸商RQ=0.6。求各系数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联立求解 a=2.394 b=0.085 c=0.564 d=1.436 e=2.634反应式： C2H5OH + 2.394O2 + 0.085NH3 = 0.564(CH1.75N0.15O0.5) + 1.436CO2 + 2.634H2O

微生物反应过程中营养物质和产物之间的碳素衡算

根据大量实验和微生物成分元素分析说明，在相同微生物不同培养条件和限制性基质情况下，微生物细胞的元素组成有些差别，但差别不大，因此可以看作相对稳定。根据培养基中营养物质（S），菌体（X），产物（P）和二氧化碳中含碳元素的数量可以写出微生物反应过程碳元素的衡算式：

(-dS/dt)α1 = (dX/dt)α2 + (dCO2 /dt)α3 + (dP/dt)α4

να1 = μα2 + QCO2α3 + QPα4

ν ----- 营养物质的消耗比速，ν = (1/X)(-dS/dt)(mol/g.h)

μ ----- 微生物菌体生长比速，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 ----- 代谢产物生成比速，QP = (1/X)(dP/dt)(mol/g.h)

α1 ------- 每摩尔基质中碳的含量(g/mol), 葡萄糖α1 = 72

α2 -------- 每克干菌体中碳的含量(g/g), 一般α1 = 0.5

α3 -------- 每摩尔二氧化碳碳的含量（g/mol),α3 =12

α4 -------- 每摩尔产物内碳的含量（g/mol），对乙醇α4 = 24 ，对醋酸α4 = 24 ，对乳酸α4 = 36等。

微生物反应过程中主要基质 --- 碳源的衡算

大部分的发酵过程中都是以糖作为碳源。在微生物中碳源主要消耗于：

（ 1 ）满足于微生物菌体生长的需要，可用(ΔS)G表示。

（ 2 ）维持微生物生存的消耗（如菌体的运动和营养物质的摄取和代谢产物排泄等主动运输的耗能，可用(ΔS)m

（ 3 ）生成代谢产物的消耗，可用(ΔS)P

则有 -ΔS = (-ΔS)G + (-ΔS)m + (-ΔS)P

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菌体得率(细胞得率）=YX/S = ΔX/(-ΔS)= (dX/dt)/(-dS/dt) = dX/(-dS)单位为g/g 或g/mol

②相应代谢产物得率：YP/S = dP/(-dS)

③菌体理论得率: YG = (生成菌体的量)/(用于同化为菌体碳源消耗) = dX/(-dS)G

④代谢产物理论得率YP = (生成产物的量)/(用于异化产物的碳源消耗) = dX/(-dS)G

⑤ YATP ：消耗1molATP所获得的干菌数g/mol

⑥ Ykj : 消耗1kJ热量所获得的干菌数g/kJ

⑦ YX/O : 消耗1g氧所获得的干菌数g/g

⑧ Yave- : 消耗一个有效电子所获得的干菌克数Ykj = Yave- /109.0

109.0----------- 为氧化一个有效电子所伴随的焓变。

有效电子数：当1mol碳源完全氧化时，所需要氧的摩尔数的4倍称为该基质的有效电子数。比如：碳源为葡萄糖，其完全燃烧时每摩尔葡萄糖需要6mol的氧，所以有效电子数为4×6=24

P/O: 每消耗1原子的氧所生成ATP的分子数量，一般酵母1.0，细菌为0.5～1.0

YA/O : 氧消耗对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)

QPm-------- 碳源维持常数mol/(g.h)在以培养微生物细胞为目的微生物反应过程中，代谢产物的积累可以忽略不计，上式可简化为：ν =(1/YG)μ + m以ν为纵坐标，μ为横坐标的图上可得到一直线。该直线在纵纵坐标上的截距为维持常数m ，其斜率为1/YG。ν/μ = 1/YG + m/μ1/(YX/S) = 1/YG + m/μ微生物生长比速μ作为横坐标，将菌体得率YX/S 的倒数为纵坐标的图上所得的直线其斜率为维持常数m ，截距为理论得率的倒数1/YG

例：用葡萄糖为唯一碳源，在通风提供足够溶解氧的情况下连续培养 Azotobacter vinelandii 的结果并根据上面推导的关系求得该微生物的理论得率YG 、维持常数 m 和不同情况下葡萄糖消耗对菌体生长的得率 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为纵坐标，以μ为横坐标做直线，根据直线在纵坐标的截距和它的斜率的倒数分别为：m=0.9 × 10 -3 mol/(g.h) YG =54 g/molYX/S = μYG /(m.YG + μ ) g/mol YX/S : 31.3, 36.1, 38.5, 43.1, 45.1, 46.5, 47.4可以看出微生物生长比速愈大或碳源消耗比速愈大（这是由于碳源作为限制性基质，其浓度增加的结果），YX/S 与 YG愈接近，可以推得YG是YX/S的极限。

微生物反应过程的氧和ATP衡算

在微生物耗氧反应过程中，氧的消耗与呼吸链反应所生成的储能化合物 ATP 成正比。 ATP 中具有高能键，碳源降解过程中释放的能量保存在偶联形成的高能键中。ATP 是生物体内主要的高能物质。1. 微生物反应过程的氧衡算在微生物反应中常用碳水化合物作为能源，碳水化合物完全被分解成二氧化碳和水。若为单一碳源培养基，微生物生长菌体并生成产物的条件下，按碳源和产物完全氧化所需的氧，可建立下列氧的衡算式：

A(-ΔS) = B ΔX + ΔO2 + C ΔP

A---------- 碳源 S 完全氧化需氧量，如葡糖 :A=6(mol/mol)

B---------- 菌体 X 完全氧化需氧量，一般可 B=0.042(mol/g)

C-------- 代谢产物 P 完全氧化需氧量 (mol/mol) ，如乙醇 C=2 ，醋酸 C=2 ，乳酸 C=3

ΔO2 是微生物反应过程中的耗氧量。它由两部分组成，一部分用于微生物维持生命活动的耗氧。另一部分为生长菌体的耗氧。m0: 为菌体需要的氧的维持常数（mol/g.h)若以X为培养液内菌体的浓度，在Δt时间内维持所需的耗氧量应为：m 0.X.Δt 。

YGO: 用于菌体生长氧的理论得率(g/mol)YGO = 生成菌体量 / 用于菌体生长的氧

ΔO2 = m0.X.Δt + ΔX/YGO

忽略代谢产物可得：

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)( m 0 .X + μ X.1/YGO )= m0 + μ/YGO

上式是一直线方程，当在连续培养微生物记录μ所对应QO2 ，在μ为横坐标，QO2 为纵坐标的图上为一直线，以直线在纵坐标上的截距为微生物反应过程氧的维持常数 m0 其斜率即为氧对微生物菌体的理论得率 YGO 的倒数。

微生物反应耗氧量的计算

根据微生物反应的氧衡算可以估计微生物反应的耗氧量。

Δ O2 =m0 .X . Δt + ΔX/YGO

ΔX=( Δ O2 - m0 .X . Δt ) YGO

A(-ΔS)=BΔX + ΔO2 + CΔP

当ΔP=0 ΔX=[A(-ΔS)- ΔO2]/B消去 ΔX 并进行整理得到：

Δ O2 / Δt = [A/(1 + BYGO )]/(-ΔS/Δt ) + [m0 .B.YGO /(1 + BYGO ).X

设 a = A/(1 + BYGO )

b = m0 .B.YGO /(1 + BYGO ) 。式中均为常数物理意义：

a--------- 与碳源完全氧化耗氧相当的菌体生长的需氧量。（ mol/mol, g/g)

b-------- 微生物菌体维持代谢的氧的消耗比速（ mol/g.h, g/g.h)ΔO2 / Δt = a(-ΔS/Δt )+b.X 或是 QO2 = a ν + b

利用曝气池处理污水是一种由生物群对有机物的氧化分解作用。

曝气池处理污水是一种连续培养过程，由连续培养限制性基质物料衡算得出： -dS/dt = D(S0 - Se ) 代入上式得：Δ O2 / Δt = a D(S0 -Se ) + bX(1/X)(d O2 / dt) = a(F/V)[(S0 -Se )/X] + b

V---------- 曝气池有效容积（ m3 ）

F---------- 曝气池污水的流量（ m3 /d ）

X---------- 曝气池悬浮物质浓度（作为生物量）常用 MLSS 表示（ g/m3 ）或（ kg/ m3 ）

例：某有机废水BOD物质浓度为800（g/m3 )，要求处理后BOD下降90%。a=0.5kg/kg，b=0.3kg/kg.d。废水处理量为8360（m3 /d），曝气池有效容积为6000m3 ，曝气池内悬浮物质浓度为3000mgMLSS/L，求该曝气池的耗氧浓度和曝气池的体积溶氧系数kLa。曝气池液体的饱和氧浓度c * =7(mg/L)，运行时实际维持的氧浓度cL 为1(mg/L)

解：耗氧浓度 : V(dO2 /dt)=a.F(S0 -Se ) + b.V.X=350kg/h在稳定状态下，呼吸耗氧速度等于溶氧速度：kL a(c * -cL )=dO2 /dt=350/V=58.3mg/L.hkLa=58.3/(7-1)=9.67(1/h)

微生物反应过程碳源消耗的分析

碳源的消耗 = 维持代谢的消耗 (m0 /A)+ 用于菌体增殖的消耗 (1/A)(B+1/YGO ) μ= 维持代谢的消耗 (m0 /A)+ 合成菌体耗能的碳源的消耗 ( μ/AYGO )+ 构成菌体成分的消耗 (B/A) μ= 分解代谢碳源的消耗 (1/A)(m0 + μ/YGO ) +合成菌体代谢碳源消耗 (Bμ/A)

能量生长偶联型和能量生长非偶联型

当有大量合成菌体材料存在时，微生物生长取决于 ATP 的供能，这种生长就是能量偶联型生长。（ YATP ≥ 10g/mol ）当缺少合成菌体的材料或存在生长抑制物质，这时的生长取决于合成菌体材料的供应或合成反应的进程，这种生长就是能量非偶联型生长。（这时多余的 ATP 会被相应的酶水解，能量以废热的方式释放）（ YATP <10g/mol ）

微生物反应过程的ATP衡算

对于微生物反应过程的 ATP 衡算，可以用碳和氧衡算相似的形式表示：

( ΔATP)s = ( ΔATP)m + ( ΔATP)G

( ΔATP)s ------- 碳源分解代谢所形成的 ATP 数量

( ΔATP)m ----- 用于微生物菌体维持生命活动的 ATP 消耗

( ΔATP)G ----- 用于合成菌体所消耗的 ATP 。

mA -------ATP 的维持常数，则菌体X 在Δt 时间内 ATP 的维持消耗应为 mA .X.Δt

YATP --------ATP 对菌体生长的理论得率，则( ΔATP) G = ΔX/ YATP上式又可以写成：( ΔATP) s = m A .X. Δt + ΔX/YATP( ΔATP)s /(X. Δt) = mA + μ/YATP = QATP

QATP ---------- 碳源分解代谢产生 ATP 的生成比速

通过实验可以测得μ所对应的 QATP ，利用上述方程可以求得 mA 和 YATP

mA 和 m0 YATP 与 YGO 的关系

m0 = mA/YA/OYGO = Y A/O( YATP )即 :YA/O = YGO / YATP