生化反应器 第三章 细胞反应动力学1
56页1、第三章 细胞反应动力学 (微生物反应过程的质量和能量衡算),3.1 细胞生长及产物生成的反应计量学 反应计量学是对反应物系的组成或反应的程度的量化的研究。通过反应计量学可以得到反应组成分的数量关系及变化规律。反应计量学 反应工程学的理论基础 反应热力学反应动力学 细胞反应的特点 符合化学反应和生化反应的一般规律; 参与反应的组分多;,反应途径错综复杂; 在细胞生长的同时伴随着包括CO2等产物的生成的。微生物细胞化学组成的主要物质为C、H、O、N,及P、S、K、Na等。可将细胞以一般的化学物质的表达形式写作CHON。典型的微生物细胞的组成为CH1.8O0.5N0.2。 例如,大肠杆菌细胞的化学组成(以干基计% ),3.1.1 忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系 对忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系可表示为CmHnOl+aO2+bNH3 cCHON+dCO2+eH2O 底物碳源 氮源 细胞对C元素: (1) 对H元素: (2) 对O元素: (3) 对N元素: (4),上述4个细胞反应的计量方程,不足以计算a、b、c、d、e等5个未知量,因而再寻找1个方程,如在好氧型培养时,可定义呼吸商
2、作为第5个方程(5) 联立15式,有,解得细胞反应方程的a、b、c、d、e等5个系数3.1.2 细胞反应的化学平衡通式底物用于转化为细胞的化学平衡式为 aCmHnOl+bO2+cNH3= dCHON+eH2O +f CO2底物 细胞 (1)底物用于转化为产物的化学平衡式为 aCmHnOl+bO2+cNH3=dCHON+eH2O +f CO2 产物 (2),将a/a乘(2)式有aCmHnOl + (ab/a)O2 + (ac/a) NH3 =(ad/a) CHON + (ae/a) H2O+ (af/a) CO2 (3)以F表示底物转化为产物的分率,则(1-F)为底物转化为细胞的分率,用F乘(3)式有FaCmHnOl + (Fab/a)O2 + (Fac/a)NH3 = (Fad/a) CHON + (Fae/a) H2O+ (Faf/a) CO2 (4),用(1-F)乘(1)式有(1-F) aCmHnOl+ (1-F) bO2+ (1-F) cNH3=(1-F) dCHON+ (1-F) eH2O + (1-F) f CO2 (5) (4)式与(5)式相加,有aCmHnOl+ b-F
3、(ab-ab)/a O2+ c-F (ac-ac)/a NH3= (Fad/a) CHON +d (1-F) CHON+ e-F (ae-ae)/a H2O + b-F (af-af)/a CO2 _ 细胞反应的化学平衡通式,例:某以葡萄糖为底物的微生物细胞培养过程,有2/3的碳转化为细胞。其细胞培养的反应方程为 C6H12O6+aNH3+bO2=cC4.4H7.3O1.2N0.86+dH2O+eCO2葡萄糖 微生物细胞 (1)试确定计量系数a、b、c、d、e; (2)试计算其底物对细胞的得率YX / S ; (3)试计算呼吸商RQ。,解:(1)细胞反应的方程式系数的计算1mol葡萄糖所含有的C元素为72g,根据题意1mol葡萄糖转化为微生物细胞的C元素为:g 则有:转化为CO2的C元素为: g,则:, 对N元素平衡,有:对H元素平衡,有:,,对O元素平衡,有: ,所以:a= 0.782,b=1.473,c=0.909,d=3.855,e=2,即: C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO2(2)底物对细胞
4、的得率YX / S的计算,(3) 呼吸商RQ的计算,3.2 细胞反应的碳平衡 3.2.1 细胞反应的碳元素平衡 对细胞的反应过程的底物(S)、产物(P)、细胞(X)和CO2之间可建立其碳元素平衡关系。,或式中 qS底物的比消耗速率, (mol/gh)细胞的比生长速率, (1/h),qCO2CO2的比生成速率, (mol/gh)qP产物的比生成速率, (mol/gh),11mol底物中的碳元素的含量(g/mol),例如葡萄糖为底物时1=72(g/mol glucose);21g细胞中的碳元素的含量(g/g ),一般2 0.5(gC/g biomass);31molCO2中的碳元素的含量(g/mol),3=12(g/mol CO2); 41mol产物中的碳元素的含量(g/mol)例如产物为乙醇时4=24(gC/mol ethanol);产物为乙酸时4=24(gC/mol acetic acid );产物为乳醇时4=36(gC/mol lactic acid );,3.2.2 细胞反应的碳源平衡对细胞反应,底物的消耗(CS)可由如下项组成 满足于细胞生长所需的碳源底物消耗(CS)G 细胞维持
《生化反应器 第三章 细胞反应动力学1》由会员子分享,可在线阅读,更多相关《生化反应器 第三章 细胞反应动力学1》请在金锄头文库上搜索。
2023-10-12 28页
2022-07-12 126页
2022-06-07 89页
2022-06-07 158页
2022-06-07 60页
2022-06-07 122页
2022-06-07 76页
2022-06-07 79页
2022-06-06 38页
2022-06-06 47页