生化工程5 细胞反应动力学.共79页

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)

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

3、可逆抑制作用：
抑制作用可通过透析等方法除去。
• 原因：非共价键结合
可 逆 抑 制
竞争性抑制(competitive inhibition) 非竞争性抑制(non-competitive I.） 反竞争性抑制(uncompetitive I.)
（1）竞争性（Competitive)抑制

I： 抑制剂（ inhibitor）
依据： 能否用透析、超滤等物理方法 除去抑制剂，使酶复活。
1、不可逆抑制作用 ：
不 可 逆 抑 制
抑制剂与酶必需基团以牢固的共价键相连 很多为剧毒物质
重金属、有机磷、有机汞、有机砷、
氰化物、青霉素、毒鼠强等。
2、不可逆抑制剂
非专一性不可逆抑制剂
不 可 逆 抑 制
（作用于一/几类基团） 不可逆抑制剂 专一性不可逆抑制剂 （作用于某一种酶的 活性部位基团）
（2） 专一性不可逆抑制剂
①Ks型 • 具有底物类似的结构——（设计） • 带有一活泼基团：与必需基团反应（抑制）
∵利用对酶亲合性进行修饰
∴亲合标记试剂（affinity labeling reagent）
②Kcat型
•具有底物类似的结构 •本身是酶的底物 •还有一潜伏的反应基团 “自杀性底物”
物之间可能进行的历程。
一、底物浓度对酶反应速率的影响
研究前提
单底物、单产物反应；
酶促反应速度一般在规定的反应条件下， 用单位时间内底物的消耗量和产物的生 成量来表示； 反应速度取其初速度，即底物的消耗量 很小（一般在5﹪以内）时的反应速度； 底物浓度远远大于酶浓度。（[S] 》[E]）
初速度
产 酶促反应速度逐渐降低 物
0

“Average cell” (Approximation)
“Average cell” (Approximation)
概
率 论 模 型
Single component heterogeneous individual cells
“Balance growth”
(Approximation)
将细胞种群看成是 多组分多种群的生
CHmOn+aO2+bNH3→cCHαOβNδ+dCHxOyNz+eH2O+fCO2
C:
1=c+d+f
H:
m+3b=cα+dx+2e
O:
n+2a=cβ+dy+e+2f
N:
b=cδ+dz
第2章细胞生长反应动力学
2.2 得率系数
Substrates
(ΔS1) (ΔS2 )
System:
Fixed Amount of Cell Material
17
细胞生长动力学 (X)
细胞反应动力学
代谢产物合成动力学 (P)
基质消耗动力学 (S)
第2章细胞生长反应动力学
18
3.1.1 非结构确定模型的无抑制细胞反应动力学
对细胞生长过程的不同理解产生了不同的动力学模型
非结构模型
结构模型
确
定 论
是否分别描述细胞的各种组成成分
模
型
概
率 论
是否将细胞看成是均一的种群
1
X
rX
1
X
dX dt
μm ─ 最大比生长速率 ( h-1 )
K · S ─ 饱和常第数2章细胞(生k长反g应动m力学-3 )

有序反应：
• 底物的结合和产物的 释放有一定顺序，产 物不能在底物完全被 结合以前释放。在有 序反应中，底物A和酶 结合后，酶的构象发 生变化，暴露出与底 物B的结合部位，使B 再与酶结合：
随机反应
• 游离酶上的结合 部位对两个底物 A和B都是适用的 ，两个底物A和B 能随机与酶结合 ，其产物P和Q也 可以随机地脱离 酶：
Noncompetitive
inhibition
截距
Km不变，Vmax变小
• ①Km值不受影响，只 是 Vm 降 低 了 。 I 越 大 ，非竞争性抑制剂使 不能转变为产物的EI 和 EIS 也 愈 多 ， 酶 与 抑制剂的结合力愈强 ，Vm的降低程度也愈 显著。由于Vm降低， 反应速度也相应地减 小。 ②［I］愈高抑制愈强，但与S无关。底物浓度升高 不能减轻抑制，底物与抑制剂间无竞争关系，故称 非竞争性抑制
Km [S] 1 [S] v Vmax Vmax
多底物的酶促反应动力学
• 在生化代谢研究中，常遇到双底物或多底物间的 反应。如按EC规定所分成的六大酶类中，转移酶 、氧化还原酶和连接酶类的反应均属于此类，其 中尤以转移反应占绝大多数。
• 通常将它们按反应方式和历程分为序列机制和乒 乓机制两大类，前者又包括有序反应和随机反应 两种类型。
K1 K-1
酶 底物 酶－底物复合物
E + S
ES
K2
E + P 酶 产物
中间复合物学说：
第一步: E+S
第二步: ES→E+P
ES
V∝[ES]
1913年Michaelis和 Menten推导了米氏方程
Vmax [S] v K m [S]

a1A1＋ a2A2＋ …. ＋ akAk ak+1Ak+1＋ ak+2Ak+2＋ …. ＋ amAm
a – 摩尔计量系数 A1 …… Ak 反应物； Ak+1 …… Am 产物
特点：（1）电荷平衡 （2）反应物中任何元素的总摩尔数等于产物中 的该元素的总摩尔数
以摩尔为单位的化学计量方程
a1A1＋ a2A2＋ …. ＋ akAk ak+1Ak+1＋ ak+2Ak+2＋ …. ＋ amAm
1 V = 2 Vmax
;
V12
9
1 2 Vmax6
3
Km = S
Vmax
0
S
1
K3 m 5
7
9
11
13
15
2）Km与酶性质有关，与浓度无关；
3）Km受pH、温度的影响，因此测定 Km 需指明具体测试条件；
4）如果一种酶可以作用几种基质，就 会有几个Km，最小Km的基质叫最适基质。
（4）米氏常数的计算：
40
4
35
3
5
30
LnX 25
2
20
15
10
51
0
t
1）延迟期； （1）环境变化造成微生物细胞内物质的流失（镁）； （2）在新环境中微生物必须合成新的酶来适应和分解新的营
养物； （3）延迟期的长短和微生物的年轻与老化有关。
40
4
35
3
5
30
LnX25 20
2
15
10
51
0
t
2）指数生长期
dX dt
T —— 温度（oC） K —— 温度系数

第一节、污水生物处理基本原理
污水中有机底物的生物氧化主要以脱氢（包括失电子）方式实 现，底物氧化后脱下的氢可表示为：
微生物进行分解代谢获取能量。 酶的活性的影响 发酵、呼吸方式（好氧呼吸与缺氧呼吸）
微生物的组成
细菌
真菌
原生动物
后生动物
细菌：主要成分，分解能力强，净化污水的第一承担者 。
真菌：主要是霉菌（丝状菌），能分解（含N）有机物 ，但量不能太多。
③ 当废水的pH值变化较大时，应设置调节池，使进入反应 器（如曝气池）的废水，保持在合适的pH值范围。
4.溶解氧
—好氧生物处理中，如果溶解氧不足，好氧微生物由于 得不到足够的氧，其活性受到影响，新陈代谢能力降 低，同时对溶解氧要求较低的微生物将应运而生，影 响正常的生化反应过程，造成处理效果下降。
，反应常数为负值。
第五节 微生物动力学
一、 莫诺特（Monod）方程式
莫诺特于1942年用纯种的微生物在单一底物的培养基上进行了 微生物增殖速率与底物浓度之间关系的试验。试验结果得出了 如图下所示的形式。这个结果和米歇里斯-门坦于1913年通过试 验所取得的酶促反应速度与底构浓度之间关系的结果是相同的 。因此，莫诺特认为，可以通过经典的米氏方程式来描述底物 浓度与微生物比增殖速度之间的关系,即：
静 止 期 的
机 物 浓 度
于 静 止
效 果 好
液 清 澈
活 性 污
,
较 低 污
状 态 。
的 活 性 污
,
以 滤 纸
泥 絮 凝 性
泥 浓 度 较
细好处有 小，于机 泥混衰物 花合老浓 ，液期度 以沉的低 滤淀污， 纸后泥营 过上较养 滤清松物 时液散质 ，清，明 滤澈沉显 速，降不 快但性足 。有能时

Moser方程：
Sn m KS S n
X Logistic Law方程： （ ) m 1 KX
有抑制的细胞生长动力学
（1）底物抑制动力学（Substrate inhibition kinetics ） 有时，当培养基中某种基质的浓度高到一定程度后， 细胞的比生长速率随该基质浓度的升高而下降，表现 出基质的抑制，提出了一些描述基质抑制的生长动力 学模型。
要简化的内容有以下几点：
•①反应动力学是对细胞群体的动力学行为进行描述。
•②不考虑细胞之间的差别，而是取其性质上的平均值。
•③在细胞的生长过程中，细胞内各种成分视为以相同 的比例增加，而且忽略环境的变化对菌体组成的影响。
均衡生长的非结构模型
研究动力学的步骤
1. 为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽可能 寻找能反映过程变化的各种理化参数。 2. 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起来， 找出它们之间的相互关系和变化规律。
3. 建立各种数学模型以描述各参数随时间变化的关 系。
4. 通过计算机的在线控制，反复验证各种模型的可 行性与适用范围。
过程控制和监测
Agitation pH Cell Dry Weight Product Sugar consumption Temperature
Fermentation time (h)
m
，μ 与S是零级动力学关系。
S m KS S
Monod方程适用于许多微生物生长过程，但是因该方程表 述简单，有的时候不足以完整地说明复杂的生化反应过程， 已发现它在某些情况下与实验结果不符，因此人们又提出了 另外一些方程来描述微生物的生长。
Contois方程：
S m KS X S

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

max

max /2
KS
CS
当底物浓度CS远小于半饱和常数KS时， Monod方程可简化为

C max S max
K C S S K S
C S
此时的细胞生长速率为关于底物浓度的一级动力 学关系
dC m ax X C C C X S X dt K S
当 底 物 浓 度 CS 远 大 于 半 饱 和 常 数 KS 时 ， Monod方程可简化为
当反应开始时，CX值相对较低，此时提高CX 值，有利于其生长速率的提高；当反应后期，CX 值较高，而相应CS值很低，此时若继续提高CX值， 则其生长速率继续下降，VX有一个最大值。
V X ,max
VX
C X,opt
CX
VX—CX关系曲线
2.1.3 细胞生长的Monod方程参数估计 对Monod方程参数估计可用Lineweaver-Burk 法、Hanes-Woolf法、Eadie-Hofstee法及积分法等 确定 。 （1） Lineweaver-Burk法（简称L-B法） 对 Monod方程式取倒数，得到
dC VO O dt
式中 CO——单位体积的培养液中O2的消耗量， （g/L）或（mol/L）
④ 产物生成速率
dC P VP dt
式中 CP——产物浓度，（g/L）或（mol/L） ⑤ CO2生成速率
VCO 2 dC CO 2 dt
式中 CCO2——单位体积的培养液中CO2生成量， （g/L）或（mol/L）

C max S
K S C S
max
此时的细胞生长速率为关于底物浓度的零级动力 学关系
dC X C C X m ax X dt