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1、形成主要代谢物的质量能量守恒摘要：选定的主要代谢主要产物的形成的质量-能量平衡计算是建立在分析实验和文献数据的基础上。使用平衡方程测定化学计量系数，热力学效率和发酵热实际上就是一种说明。使用符号：b,s,p生物质，基质，产物还原性的程度（1mol C/1mol电子）b,s, p生物质，基质，产物的质量分数（g/g）b转换成生物质的热力学效率（%）p转换成产物的热力学效率 （%）Yx/s与收益有关的生物量 （g/g）Yx/sT与理论收益有关的生物量 （g/g）Yp/sT与理论收益率有关的产物（g/g）a1an 厌氧过程的化学计量系数 (mol/L)x1xn好样过程的化学计量系数 (mol/L)Q
2、s发酵热 （kJ/g）Qs热流（kJ/g）msCHaOb类型的基质的分子质量 （g）Na氧气吸收速率 (moL-1 h-1)H0b,p,s生物质，产物，基质的自由焓（kJ/moL电子）选定代谢产物的质量能量守恒计算建立在对实验和文献数据进行分析的基础上。使用化学计量系数，热力学效率和发酵热确定的平衡方程是实际上的说明。微生物处理过程分析必须有质量能量平衡过程，它来源于两个观点：数字模型的识别和优化自动控制系统的主要过程的建设。过程控制之间的平衡设置限制是可以被影响的。这个平衡提供了一个衬底部门的增长时期和产品的形成流程图，并描述了在发酵热形势下化学能量的利用率和这一过程的热力学效率。它还包括生
3、物转化的化学计量学，化学计量学反映了选定的工艺参数对微生物活动的影响。理论和结果宏观上好氧和厌氧过程的质量能量守恒是基于自由电子的质量和能量的平衡和最重要的捐助者和受体自由电子的元素。这种平衡可以被在这过程中有关键作用的其他元素所代替。从化学元素的构成，产品和生物量可以计算出两个主要参数：还原性程度和质量分数。这些参数对理论生物量和产品产量的估计系数非常重要。下面的方程指出了生物一般形式的元素组成和相关摩尔数：b=4 + a-2b-3z (1a) b = M(C)/M(CHaObNz) (2a)下面的方程对基质和CHaOb类型的产物是有效的，分别为：s=4+a-2b (lb) s = M(C)
4、/M(CHaOb) (2b)p = 4 + a - 2b (lc) p = M(C)/M(CHaOb) (2c)由理论产量系数导出的两个方程对产物的形成和增长是有效的：Y(x/s)T = ss/bb (3a)Y(p/s)T = sas/pp (3b)这些系数推导出的条件为C物质100%转化为生物量或产品。他们代表可能的最大收益,用于评估的发酵设备的能力，即其最大负载和分离的投影单元。表1总结了主要代谢产物的相关数据，例如柠檬酸，乙醇，生物量和甲烷。表1 平衡参数微生物基质产物公式Y(x/s)TY(p/s)T酵母菌酵母葡萄糖CH 1.86O0.56N0.174.200.480.80曲霉属真菌尼日
5、尔葡萄糖CH 1.62O0.75N0.124.030.480.83假丝酵母菌亚硫酸盐蒸煮液CH 1.84O0.57N0.124.660.450.85发酵单胞菌属mobilis葡萄糖CH 1.86O0.50N0.204.200.490.75葡萄糖CH2O4.000.40CH 1.65O0.77N0.064.390.56甲烷CH48.000.750.29葡萄糖甲烷CH48.000.750.27葡萄糖柠檬酸CH1.33O1.123.000.371.42葡萄糖乙醇CH3 O0.56.000.520.51生物量转化的热力学效率和产品由两个方程表示：b = Yx/s/Y(x/s)T100 p = Yp/s
6、/Y(p/s)T100 （4）表2 热力学效率微生物因此，实验产量系数和生物转化率依赖于微生物的活性，这个活性被工艺参数和分析方法的准确性，这个方法使我们能够分析包括细胞内浓度的所有副产品。表2总结了计算生物转化效率的价值，例如柠檬酸生产，乙醇发酵和生物产量。制定平衡的下一步是估量化学计量系数。C物质和自由电子的平衡由与1摩尔C物质有关的厌氧和好氧过程的一般生化方程所描述。CHaOb + alNH4 + a2CHaObNz + a3CHaOb + a4CO2 + a5H +CHaOb + xlNH4 + x2o2 x3CHaObNz + x4CHaOb + x5CO2 + x6H +各自的平衡
7、如下所示：碳： 1 = a2 + a3 + a4 （5） 1 =x3 +x4 +x5（6）等价电子：s = a2b + a3p (7)s-4xc2 = x3b + x4p (8) 通过修改7和8两个方程式来确定化学计量系数的关系。 a2 =s / ab; a3 = s/pp (9)x3 =s / ab; x4 =s/pp ; x2 = s - x3b - x4p/4 (10)实验数据表明，厌氧过程中化学计量系数之和a2 + a3(产品+生物质)达到0.68到0.72最大值的，这意味着C物质68%72%转化为生物量和产品，而只有30%转化为二氧化碳。如果化学计量系数a2，a3的值和参数b，p是知
8、道的，基于实验数据，是可以算出代表反向控制的平衡s的值。如果这个平衡时不一致的那么不包括在平衡内形成的副产品或者细胞内部结构重组被消耗的一定数量的能量。这样的能源消耗的特点是循环连续查看，然而，一个基质，如酵母菌提取物是不包含在平衡内的。尽管它的浓度相对较低，但其化合物的组成是它成了一个关键的基质。在好氧反应过程中，系数x3+x4之和 (生物质+产品)在0.58到0.62的最大范围内，这就意味着，C物质的62%转化成生物质和产品，约40%转化为为CO2。这些数据表明发生在最大的热力学附近的过程，因此，更高价位的生物转化是不能实现的。从技术的角度来看，如果要设计和建造一个发酵罐和换热器，就有必要
9、知道发酵温度，热流的自主增长，产物和基质的消耗速率。以下关系式通过氧的化学计量系数推导有氧发酵热（x2） -Qs = 4x2 Q0/ms (11)Q0代表117.04 kJ / g的热量相当的自由电子。在有氧和厌氧发酵中计算热量的一般方程是：-Qs = 4.186 (ss)/12 (H0s -bH0b-pH0p) (12)根据方程11计算出的柠檬酸产量的最大值Qmax（x2=1）为12.6kJ/g的基质。根据表2所示，-Qs的增长和生产阶段计算分别为7.111.7kJ/g和 4.56.5kJ/g。这个研究符合方程12，因为根据方程计算出的值分别为8.111.9 kJ/g和 4.36.6 kJ/
10、g。如果基质的消耗(ds / dt)是已知的，那么热流也存在以下关系式：-Qs = - ds/dt Qs （13）结果符合方程式-Qs = 0.452Na （14）方程的制定基于对氧气吸收速率的了解。发酵温度的值可以通过产品的使用价值和产生的生物量以及加上总质量-能量平衡的过程图的系数Y x/Q ,Y p/o来估计。上述宏观质能平衡的发展来描述保证一个常数生物质成分的生物质连续生产。当应用于生物质生产的一批系统或产品(如乙醇、柠檬酸、等等)，馈料式或循环连续培养，生物质成分必须不断地检查方法，这个方法有一个不可或缺的角色，不用考虑人口动态。具体来说，如果当瞬时状态时生产发酵热和产热率计算出内部重建细胞内结构能量消耗，能量平衡不足以改变微生物的生理活动的变化，在扩大上起着关键作用。 因此，过程工程师使用动态版本的质能平衡时将微生物瞬态状态的生理状态的改变考虑在内是有必要的。
