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细胞反应动力学优秀课件

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第四章第二节细胞反应动力学

第四章第二节细胞反应动力学
b. 仅适用于细胞浓度较低的条件
μ μm μm μ S KS
b) 对于快速生长密度较高的微生物培养过程:
Where S0 ─ 底物的初始浓度 KS0 ─ 无纲量系数 c) 其它方程:

μmS μ KS0S0 S
or
μmS μ KS1 KS0S0 S
Blackman equation
S
限制性底物 的浓度
12
Monod方程与Michaelis-Menten方程的比较
Michaelis-Menten方程
1. 酶催化反应 2. 一种酶参与 3. 单底物的反应 4. 反应速率
kca t E 0 S dP Vm S vP dt Km S Km S
kca t S vP dP E 0 E 0 dt Km S
dS dt dP dt
a) Monod 方程的提出
假设条件： 1.只有一种限制性底物 2. 均衡生长 3. 细胞得率系数为常数
典型的非结构非分离动力学模型是Monod 方程， 表达形式类似于酶的Michaelis-Menten 方程:
μm S μ KS S
半经验公式
Where μ ─ 比生长速率 ( h-1 )
rP
μ
dP dt
dX Xdt
qS
dS Xd t
底物比消耗速率 (h-1)
产物比合成速率 (h-1)
5
dP qP Xdt
4.2.2 细胞反应动力学
细胞生长动力学 (X) 细胞反应动力学 产物合成动力学 (P) 底物消耗动力学 (S)
6
细胞生长与限制
什么是限制性底物？ During the microorganisms growth the environment will change but if the conditions remain favorable growth will continue until one of the essential substrates is depleted. If all other nutrients are available in excess this substrate is called the growth-limiting substrate. 培养基中某一底物S的浓度增加会影响细胞生长速率， 而其它营养物浓度的变化对生长速率无明显影响，则 底物S即为限制性底物。

第二章-生物反应动力学-2-细胞反应PPT课件

第二章-生物反应动力学-2-细胞反应PPT课件
分裂时间为90～120 min。
.
18
霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从
菌丝体（顶端生长）的顶端细胞间形成
隔膜进行生长，一旦形成一个细胞，它
就保持其完整性。霉菌的倍增时间可短
至60～90 min，但典型的霉菌倍增时间
为4～8 h。
.
19
病毒能在活细胞内繁
殖，但不能在一般培
养基中繁殖。病毒是
通过复制方式进行繁
1 细胞反应过程计量学
反应计量学是对反应物的组成和反应
转化程度的数量化研究。通过计量学，可
知道反应过程中有关组分的组成变化规律
以及各反应之间的数量关系。知道了这些
数量关系，就可以由一个物质的消耗或生
成速率来推知其他物质的消耗或生成速率。
.
40
由于细胞反应过程由众多组分参与，
且代谢途径错综复杂，在细胞生长和繁殖
的。
CH
O
m
n aO
2bNH
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
.
45
CH
O
bNH
m
n aO
2
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
• 式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz
是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元
素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z
最伟大的发现。
.
3
第三代现代生物技术产品
从1953年美国的Watson及Crick发现了
DNA分子的双螺旋结构，由此而来21世

第三章 细胞反应动力学

第三章 细胞反应动力学

二、细胞的基本特征

形状 细胞总保持一定的形状，如球状、杆状、菌丝等
细胞形态对细胞的生长反应产生的主要影响： 1) 细胞的生长速率 2) 细胞承受剪切力的能力 3) 物质的传递速率
二、细胞的基本特征
大小 半径0.1～10µm，细胞总保持一定的形状，如球 状、杆状、菌丝等 细胞要求有较高的比表面积 细胞体积的上限将受核质比制约 细胞体积的下限则取决于胞内物质之间进行反应 和交流所需要的空间

研究目的 细胞反应过程动力学是进行细胞反应过程优化 和生物反应器设计的重要理论依据

主要内容
第一节细胞反应概论 第二节细胞反应计量学 第三节细胞反应动力学的非结构模型
第四节底物消耗和产物生成动力学
第一节 细胞反应概论
一、基本概念
细胞 细胞是一切生物体进行生长、遗传和进化等生 命活动的基本单位，也是决定生物体形态、结构和 功能的基本单位

以氧消耗基准的细胞得率 YX / O
YX / O
细胞生成量 mX = 氧的消耗量 mO2
单位：g/g或g/mol（细胞/氧） YX/O 反映了细胞生长过程异化代谢的效率
二、得率系数

其他细胞得率
Yave 以有效电子数为基准的细胞得率
YATP 以ATP为基准的细胞得率
二、得率系数

理论得率与表观得率

三、物质的跨膜输送
简单扩散 推动力是浓度差，扩散速率与膜两侧的浓度差成 正比；不需要细胞提供能量，也不需要载体蛋白协助 促进扩散 通过膜内载体蛋白与胞外分子相结合后扩散进入 膜内，并在膜内扩散；推动力亦为浓度差，但需要细 胞提供输送系统；不需消耗代谢能 主动运输 需要细胞提供载体和代谢能；物质为逆浓度差输 送；如Na+-K+泵

生化反应器 第三章 细胞反应动力学1

生化反应器 第三章 细胞反应动力学1
1.2c + d + 2e − 6 b= 2 1.2 × 0.909 + 3.855 + 2 × 2 − 6 = 2 = 1.473
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）底物对细胞的得率YX / S的计算
YX / S
max
= 1 / 0.0167 = 59.8802(g/mol)
m = 0.0012(mol/g ⋅ h )
由而可看出两种作法的计算结果时接近的
0.04 0.035 0.03 YX/S （g/mol） 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0 5 10 1/ µ （h ） 15 20
0.008 0.007 q S （mol/g·h） 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4
µ （1/h ）
qS及µ的实验数据计算YX/S ，以1/YX/S对1/µ进 行回归得到 则
1 / Y X / S = 0.0167 + 0.0012 / µ
对N元素平衡，有：
a = 0.86c = 0.782
对H元素平衡，有：
12 + 3a = 7.3c + 2d ， 12 + 3a − 7.3c d= 2 12 + 3 × 0.782 − 7.3 × 0.909 = 2 = 3.855
对O元素平衡，有：
6 + 2 × b = 1 .2 c + d + 2 e ，

第二章--细胞反应动力学PPT课件

第二章--细胞反应动力学PPT课件
生物反应工程
戚以政 王炳武 北京化工大学生命科学与技术学院
.
1
第二章 细胞反应动力学
.
2
第一节 细胞反应概论
.
3
一、发展历史
19世纪以前 1857年Pasteur 一战期间 1933年 1945年 1954年White
自然发酵 酒精发酵由yeast引起 丙酮丁醇、甘油发酵 摇瓶培养法 青霉素发酵 补料操作
✓ 均衡生长模型：细胞各 组分按相同比率增加
✓ 确定论模型：忽略个体 差异，取平均值。
.
7
第二节 细胞反应计量学
.
8
一、细胞浓度的测定
测定细胞数目 测定细胞重量
.
9
1、测定细胞数目
比浊法 计数器计数法 活菌平板计数法
.
10
比浊法
分光光度计 菌悬液 只适用于颜色浅、悬浮颗粒极少、细胞
1 1m
YX / S
Y* X/S
.
44
3、用于细胞生长、维持和产物合成
1
1
rSYX */SrXmX CY*P/SrP
1 qSYX */S
mY*1P/SqP
.
45
二、细胞反应中氧的传递
难溶气体 氧的传递的重要性
o在常压和25℃时，空气中的氧在纯水中的饱和溶解度 为0.25mol/m3 o工业发酵常用的微生物的比呼吸速率约为 0.1~0.4kg(O2)/[hr•kg(干细胞)]
.
49
1、相关模型
rP YP/XrX
qP YP/X
产物的生成与细 胞生长相关，保 持同步。
最大值出现在同 关模型
rPrXCX
qP
当细胞生长达到 一定程度后产物 开始合成。

第三章 细胞反应动力学

第三章 细胞反应动力学

四、胞内代谢反应

根据功能分为： 供能反应 生物合成反应 多聚反应 组装反应 根据过程分为： 初级代谢 次级代谢

五、胞内代谢调控
实质 把细胞内所有酶组织起来，通过活化某些酶、抑 制另一些酶，甚至出现一些新酶，去掉某些原有的酶， 以使整个代谢过程适应细胞生理活动的需要

两个重要机制 酶活性调控 酶合成调控
cS cS max exp( ) K S cS K SI cS cS ) exp( )] Teissier等： max [exp( K SI KS
三、有抑制的细胞反应动力学
产物抑制 对产物竞争性抑制：


max cS
cP cS K S (1 ) K PI
三、有抑制的细胞反应动力学
底物抑制 对底物非竞争性抑制：

d max， 0 dcS
* cS KSI KS

*
max
1 2 K S / K SI
三、有抑制的细胞反应动力学
底物抑制 对底物竞争性抑制：


经验方程 Aiba等：
max cS
cS cS K S (1 ) K SI
cS 为限制性底物的质量浓度，g/L K S 为饱和常数，g/L
二、无抑制的细胞反应动力学

Monod模型方程
cS
二、无抑制的细胞反应动力学

Monod模型方程
不同K S值的Monod曲线
二、无抑制的细胞反应动力学

Monod模型方程 max 和 c S 为一级动力学关系 cS ， K S时， 当 cS KS 提高限制性底物浓度可以提高比生长速率
13401370436生物反应工程第三章细胞反应动力学概述研究对象以细胞微生物催化剂的反应过程动力学研究内容在细胞水平上通过对细胞的生长速率代谢产物的生成速率和底物的消耗速率等动力学特性的描述反映出细胞反应过程的本征动力学特性研究目的细胞反应过程动力学是进行细胞反应过程优化和生物反应器设计的重要理论依据主要内容第四节底物消耗和产物生成动力学第一节细胞反应概论一基本概念细胞细胞是一切生物体进行生长遗传和进化等生命活动的基本单位也是决定生物体形态结构和功能的基本单位代谢产物排泄进入胞外非生物相二细胞的基本特征组成chon四种元素约占细胞质量的90spnacakclmgfe含量其次以上12种元素约占细胞质量的99细胞的化学组成二细胞的基本特征组成活细胞的主要成分是水占总量8095干物质中90是由蛋白质核酸糖类和脂类等四类大分子物质所组成细胞的元素和化学组成将直接影响细胞大规模培养时的培养基设计二细胞的基本特征组成蛋白质

第二章 细胞反应过程动力学

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2011-11-29
第3章 >> 3.1 细胞反应过程计量学
3.1 细胞反应过程计量学 什么是反应过程计量学 Cell reaction metrology numerically study that products composition and relation between reactant and product, which together with reactions thermodynamics and reactions kinetics build the theoretical basis of reaction engineering. ◆ reaction metrology Theoretical basis
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2011-11-29
第3章 >> 3.1 微生物反应过程计量学
二、细胞反应过程的得率系数
A cell reaction with exo-product can be described as follow: CHmOn+aO2+bNH3= cCHαOβNδ + dCHxOyNz +eH2O +f CO2 (S) (O) (X) (P) (1)
生化工程电子教案
化学与生命科学学院
第3章
细胞反应动力学>>概述 细胞反应动力学>> >>概述
何为细胞反应过程? 何为细胞反应过程 ■以细胞为反应主体的一类生化反应过程. 以细胞为反应主体的一类生化反应过程
包括微生物和动植物细胞培养过程
微生物过程:酒 醋 味精 味精\药物 微生物过程 酒\醋\味精 药物

第二章生物反应动力学细胞反应


微生物工业生产的物质
(1) 发酵食品(酱、纳豆、酸奶、奶酪、乳酸饮料等) (2) 酒精饮料(白酒、啤酒、葡萄酒等) (3) 菌体(面包酵母、SCP、绿藻、螺旋藻等) (4) 有机酸(醋酸、柠檬酸、乳酸、衣康酸等) (5) 氨基酸(谷氨酸、赖氨酸、色氨酸等) (6) 核酸类物质 (7) 抗生素(青霉素、头孢菌素、链霉素、氯霉素等) (8) 油脂及相关化合物(γ-亚油酸、EPA、DHA等) (9) 具有生理活性的低分子量物质(维生素类、激素等) (10) 高分子物质(酶；多糖类；生理活性蛋白） (11) 其它
例如：
ห้องสมุดไป่ตู้Staphylococcus aureus，前一个词是
属名，是拉丁语的名 词，是“葡萄球菌” 的意思。第二个词字 是种名，是拉丁语的 形容词，意思是“金 黄色”。所以学名是 “金黄色葡萄球菌”。
细菌是单细胞微生物，有不同的形状及大小， 以典型的二分裂殖方式繁殖。 细菌具有一定的形态，形状近似圆形称作球菌； 形状近似圆柱形的成为杆菌。
用动物细胞生产的物质 红细胞生产素、白细胞介素、G-CSF、 单克隆抗体等������ 用植物细胞生产的物质 紫草素类化合物、人参、紫杉醇等
2.1 微生物基础知识
2.1.1 微生物的分类与命名
微生物是对那些肉眼不 能直接观察到、微小的、 但能维持生命并繁殖的 生物的通称，包括细菌、 酵母、霉菌、真菌、藻 类和原生动物和病毒等。
病毒是存在于动物、植物、昆虫、真菌、藻类 和细菌细胞内的专性寄生物，是最小的微生物。 病毒本身不具备或具备最低的合成和代谢能力， 只能在寄主细胞内生长繁殖，常导致寄主细胞 被破坏和死亡。寄生于细菌细胞内的病毒又称 为噬菌体。噬菌体是危害细菌发酵的重要根源。
烟草花叶病毒

Chapter 3 细胞反应过程动力学 [兼容模式]

细胞生产量 细胞含碳量 Y Y c c 基质消耗量 基质含碳量 X/S S
式中： 和 — 单位质量细胞和单位质量基质中所含碳元素量。 c S Y 值一般小于1，为0.4 ~ 0.9。 c
由于Yc仅考虑基质与细胞的共同项-碳，可以认为比Yx/s更合理。
例 5：
求例2中酵母细胞（CH 1.75N 0.15O 0.5）培养的Y x/s和Y x/o
2基质消耗动力学?又有?由monod方程表示时上式变形为sxy????skssksysssx????????maxmax????碳源总消耗速率用于生长用于维持代谢?rrs???两边间除以x则??上式作为连接和的关联式也可看作是含有两个参数的线型模型
第三章 细胞反应过程动力学
主要内容
1、基本概念 2、细胞反应过程中的质量和能量衡算 3、细胞生长的非结构动力学 4、基质消耗与产物生成动力学
解：由化工手册可知， ∆HG＝2816kJ/mol，∆HL= 1363kJ/mol，∆HA= 870kJ/mol，∆HE= 1368kJ/mol， ∆HF= 264kJ/mol，∆Ha= 22.15kJ/mol，∆HM= 3038kJ/mol。 以葡萄糖为能源时，
(H P )YP / S 1363 0.05 870 1.05 1368 0.94 264 1.76 2732(kJ / mol )
例 2：
配平细胞反应方程式时，一部分系数是由实验测 得的，另一部分系数需计算获得。一般基质和产物的 分子式是已知的。细胞的元素组成可通过元素分析方 法测定。 通过测定O2 的消耗速率与CO2的生成速率来确 定好氧培养中评价细胞生物代谢机理的重要指标之一 呼吸商： (respiratory quotient,RQ)

2.细胞反应动力学

转化成CO2的碳量＝192-128＝64g＝12e e＝5.33
对N平衡：14b＝0.86×14c＝0.86×14×2.42 b＝2.085
对H平衡：34×1+3b＝7.3c+2d d＝12.43
对O平衡：2a×16＝1.2c×16+2e×16+16d a＝12.427
葡萄糖：
1mol底物中含有碳量为72g 转化为细胞的碳量为72×2/3＝48g
葡萄糖：
C6H12O6 aO2 bNH3 c C4.4H7.3O0.86N1.2 dH2O eCO 2
（2）计算上述两反应的得率系数YX/S和YX/O
解（1）求计量系数
十六烷烃：
1mol底物中含有碳量为16×12＝192g 转化为细胞的碳量为192×2/3＝128g
根据反应计量方程式，则有：128＝4.4×12c c＝2.42
则生成1Kg细胞量时消耗葡萄糖为1/0. 42= 2.38 g
Q 1.59104 2.38 1.50104 1 2.28104 (kJ )
2.3 细胞反应动力学的非结构模型
细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学过程。 该过程包括细胞内的生化反应，也包括胞内与胞外的物质交
换，还包括胞外的物质传递以反应。该体系的特点： 多相：体系内常含有气体、液体和固相。 多组分：培养液中有多种营养成分；多种代谢产物以及具有
三、细胞反应过程的主要特征
1. 细胞是反应的主体。 2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。 3. 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同。
a. 酶催化为分子水平，酶本身不进行再生产 b. 细胞反应是细胞与分子之间，反应的同时细胞也得到
生长。 c. 整个过程中，细胞要经历生长、繁殖、维持和死亡等
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三、产物合成动力学
初级代谢产物 次级代谢产物
Gaden模型
相关模型（基质的分解代谢产物，如乙醇、 乳酸）
部分相关模型（柠檬酸、氨基酸） 非相关模型（抗生素、微生物毒素）
1、相关模型
rP YP/XrX
qP YP/X
产物的生成与细 胞生长相关，保 持同步。
最大值出现在同 一时刻。
2、部分相关模型
kR
NR ND
dN dt
kd
N
ln CN CN0
kdt
CNCN0exp kdt()
非对数死亡律
kR
NRNS
kSND
C N C N 0
kRk RkS[ex kStp )(k kR Sexk pRt)(]
温度的影响
瞬时高温灭菌(UTH)
依据：热死亡活化能>营养物质受热分解活化能
第四节 底物消耗与 产物生成动力学
maxKSCSCS
Logistic方程
rX
CX
(1CX
)
2、基质抑制
基质抑制动力学（Andrew模型） ➢ 最适基质浓度
max
1
1 KS
CS
CS KIS
3、产物抑制
乙醇对酵母
I
m
a(x1CCP,m P
)
ax
4、温度的影响
动物细胞：31～39度 植物细胞：25～30度 最适生长温度、最适生产温度
5、pH的影响
细菌：6.3～7.5 放线菌：7～8 霉菌、酵母：3～6 乳酸菌、乙酸菌 动物细胞：6.5～7.5 植物细胞：5～6 pH的控制
三、灭菌动力学
灭菌方法
➢ 化学试剂灭菌 ➢ 射线灭菌 ➢ 过滤除菌 ➢ 热灭菌
对数死亡律（营养细胞） 非对数死亡律（芽孢）
对数死亡律
细胞反应动力学优秀课件
第二章 细胞反应动力学
第一节 细胞反应概论
一、发展历史
19世纪以前 1857年Pasteur 一战期间 1933年 1945年 1954年White
自然发酵 酒精发酵由yeast引起 丙酮丁醇、甘油发酵 摇瓶培养法 青霉素发酵 补料操作
二、微生物细胞的性质
细胞组成成分分析法
蛋白质、DNA、RNA 在细胞中的含量比例不得随时间变化
二、得率系数Y
对基质的细胞得率Yx/s 对基质的产物得率Yp/s
➢ 定义式 ➢ 微分（瞬时）得率系数 ➢ 宏观（总）得率系数
三、绝对速率和比速率
细胞比生长速率 基质比消耗速率 产物比合成速率
第三节 细胞反应动力学 的非结构模型
一、细胞生长曲线
❖ 迟滞期 ❖ 指数生长期 ❖ 减速期 ❖ 静止期 ❖ 衰亡期
1、迟滞期
适应阶段 新酶系的合成 细胞数目基本不变，重量略有增加
2、指数生长期
营养物质充分 达到最大比生长速率 倍增时间
rX maC xX
3、减速期
基质浓度降低 有害代谢产物积累
rX CX
4、静止期
第五节 细胞反应动力学的结构模型
2.5.1 分室模型
2.5.2 控制模型
细胞在消耗某一特定底物进行反应时， 必定会存在某一特定的关键酶，它是细 胞消耗某一特定底物进行反应的瓶颈。
2、用于细胞生长和维持代谢
1
rS
Y*
X/S
rX
mCX
qS
1 YX*/ S
m
最大细胞得率（理论细胞得率） 细胞维持系数
最大细胞得率和实际细胞得率的关系
1 1m
YX / S
Y* X/S
3、用于细胞生长、维持和产物合成
1
1
rSYX */SrXmX Байду номын сангаасY*P/SrP
1 qSYX */S
mY*1P/SqP
一、底物消耗动力学 1、仅用于细胞生长
rS
dCS dt
rSY r X X /SY X 1 /S C XY X 1 /S ma K S x C SC SC X
比消耗速率和比生长速率的关系
q SC rS XC 1 XY X 1 /SrX Y X 1 /SC rX X Y X /S
qS
qS,maxCS KS CS
二、细胞反应中氧的传递
难溶气体 氧的传递的重要性
o在常压和25℃时，空气中的氧在纯水中的饱和溶解度 为0.25mol/m3 o工业发酵常用的微生物的比呼吸速率约为 0.1~0.4kg(O2)/[hr•kg(干细胞)]
摄氧率OUR、呼吸强度
1
1
r O 2 Y X /O 2rX Y X /O 2 C X Y X /O 2C X q O 2C X
三、细胞反应过程的主要特征
反应主体为细胞：催化剂；微型反应器 复杂的酶催化体系
酶催化反应 反应式 机理式 差别
▪ 反应过程复杂 ▪ 经验式
细胞反应
四、模型的简化
真实情况
简化模型
✓ 多相体系（气液固） ✓ 均一化模型：细胞和基
✓ 细胞多组分
质均视为液相
✓ 细胞生长不均一
✓ 均衡生长模型：细胞各 组分按相同比率增加
活菌平板计数法
无菌生理盐水 稀释、涂布 不适用于丝状菌 慢
2、测定细胞重量
细胞干重称量法 细胞堆积容积测量法 细胞组成成分分析法
细胞干重称量法
DCW（dry cell weight） >100度 适用于丝状菌 必须清除发酵液中非细胞固体物质
细胞堆积容积测量法
锥形刻度管 离心
生长速率等于死亡速率 达到最大细胞浓度 死亡速率常数
ddCXt (kd)CX 0
5、衰亡期
停止生长 细胞浓度下降
dCX dt
kdCX
CXCX,maexxp kdt()
二、影响比生长速率的因素
1、基质浓度
– Monod方程 – Logistic方程
Monod方程
基本假设
➢ 均衡生长 ➢ 一种生长限制性基质 ➢ 细胞得率为常数
✓ 确定论模型：忽略个体 差异，取平均值。
第二节 细胞反应计量学
一、细胞浓度的测定
测定细胞数目 测定细胞重量
1、测定细胞数目
比浊法 计数器计数法 活菌平板计数法
比浊法
分光光度计 菌悬液 只适用于颜色浅、悬浮颗粒极少、细胞
沉降慢的发酵液。
计数器计数法
显微镜 血球计数器（酵母、霉菌孢子） 细菌计数器（细菌） 活菌数（亚甲基蓝） 不适用于霉菌、放线菌
rPrXCX
qP
当细胞生长达到 一定程度后产物 开始合成。
3、非相关模型
rP CX
qP
产物生成与细胞生长无直 接联系。
细胞生长时无产物积累。 细胞停止生长后产物开始
大量合成。
4、特殊的产物：二氧化碳
呼吸熵（respiratory quotient）
二氧化碳生成速率 RQ 氧气消耗速率