《生化反应器原理》第四章 细胞反应的质量平衡和能量平衡（1/3）

第四章细胞反应的质量平衡和能量平衡 本章主要内容: 4.1细胞反应的计量学 4,2细胞反应的碳平衡 4.3细胞反应的氧平衡和ATP平衡 44细胞反应的能量平衡

第四章 细胞反应的质量平衡和能量平衡 本章主要内容： 4.1 细胞反应的计量学 4.2 细胞反应的碳平衡 4.3 细胞反应的氧平衡和ATP平衡 4.4 细胞反应的能量平衡

41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;

4.1 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 CaBo 典型的微生物细胞的组成为CH1O05N2 例如

➢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 CHON。 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%) 成分 含量 成分 含量 50 Na CHoNP 20 Ca 0.5 0.5 14 Fe 0.2 其他 0.3 K

大肠杆菌细胞的化学组成（以干基计% ） 成分 含量 成分 含量 C H O N P S K 50 20 8 14 3 1 1 Na Ca Mg Cl Fe 其他 1 0.5 0.5 0.5 0.2 0.3

41.1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 CHO+aO+bNh CCaHBogn+dCO2+eHLO 底物碳源氮源 细胞 对C元素: m=c·C+d (1) 对H元素: n+3.b=B·C+2e(2) 对O元素: +2a=δ·C+2d+e(3) 对N元素 b (4)

4.1.1 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 cCHON +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） m = c + d n + 3  b =   c + 2e l + 2a =   c + 2d + e b =   c

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,可定乂呼吸商作为第5个方程 Ro=d/a (5) 联立1~5式,有 0-3B 20 020 02100 abcd 0 mnl00 RQ00-1

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，可定义呼吸商作为第5个方程 （5） 联立1～5式，有 RQ = d / a                 =                                  − − − − 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 2 0 2 1 0 3 0 2 0 0 1 0 l n m e d c b a RQ    

解得细胞反应方程的a、b、c、d、e等5个系数 4.1.2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 aCmHn,o+bO2+cNH 3- dCdhBoon++fcO2 底物 细胞 底物用于转化为产物的化学平衡式为 a‘CnHO+bO2+cNH2=d℃,HON,+eH2O +广CO2 产物 (2)

解得细胞反应方程的a、b、c、d、e等5个系数 4.1.2 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= dCHON +eH2O +f CO2 底物 细胞 （1） 底物用于转化为产物的化学平衡式为 a’CmHnOl+b’O2+c’NH3 =d’C’H’O’N’+e’H2O +f’ CO2 产物 （2）

将aa乘(2)式有 aCmH,O,+(ab la)02+(ac'la')NH (ad/a,Ch,o,N+(ae'a)HO +(af/a' )co 2 (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 FaC,,,+(Faba,02+(Fac/a'NH3-- (Fada,C.H, osN,+(Faea,)H,O +(Fafla')cO2 (4)

将a/a’乘（2）式有 aCmHnOl + (ab’/a’)O2 + (ac’/a’) NH3 = (ad’/a’) C’H’O’N’ + (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’) C’H’O’N’ + (Fae’/a’) H2O + (Faf’/a’) CO2 （4）

用(1-F)乘(1)式有 (1-F)aCnH,O+(1-F)bO2+(1-F)cNH3(1-F) dCHBoon +(1-F)eH0+(1-F)fCO2 (5) (4)式与(5)式相加,有 aCH,O+ b-Fl(ab-ab)/ao+c-Fl(a'c ac)/a' 1)NH=(Fad'aCaHBOoN, +d(1-F CHOON+te-FL( a'e-ae)/aIH,O+[b FL (af CO 细胞反应的化学平衡通式

用(1-F)乘（1）式有 (1-F) aCmHnOl+ (1-F) bO2+ (1-F) cNH3 =(1-F) dCHON+ (1-F) eH2O + (1-F) f CO2 （5） （4）式与（5）式相加，有 aCmHnOl+ {b-F[ (a’b-ab’)/a ’ ]}O2+ {c-F[ (a’c￾ac’)/a ’ ]} NH3= (Fad’/a’) C’H’O’N’ +d (1-F) CHON+ {e-F[ (a’e-ae’)/a ’ ]} H2O + {b￾F[ (a’f-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 C HiOztaNH,+bo=cHoo 301.210.86 +dhO+eco 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

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