第二章 细胞反应过程动力学

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2014-3-19
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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
4、对能量的细胞得率
For cell reaction process, the main aim is to search the optimizing culture conditions.
YATP
◆ thermodynamics of reactions
◆ reactions kinetics
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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
由于参与反应组分多、代谢途径复杂、底物的消耗并非全 部用于生成产物（一部分用于什么？）
营养要求 生长速率
代谢调节 环境敏感 细胞分化 剪切应力敏感 细胞或产物浓度
简单 快，倍增时间 0.5-5小时 内部 不敏感 无 低 较高
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第3章
细胞反应过程动力学>>概述
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第3章
细胞反应过程动力学>>概述
◆植物细胞对营养要求较动物细胞简单。但由于植物细胞培养 一般要求在高密度下才能得到一定浓度的培养产物，以及 植物细胞生长较微生物要缓慢，长时间的培养对无菌要求 及反应器的设计也提出特殊的要求。
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第3章
细胞反应过程动力学>>概述
微生物 动物细胞
Yx / S
此时计算基质的细胞得率有两种方法： 一种是定义： 另一种是：
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m X m X mST (mSG mSM mSR )
宏观得率
Yxm /S
m X mSG
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理论得率, which is also called
maximum potential yield
CHmOn+aO2+bNH3= cCHON + dCHxOyNz +eH2O +f CO2 (S) (O) (X) (P) (1)
1、得率系数的定义
①对底物的细胞得率
YX / S
生成细胞的质量 mx 消耗底物的质量 mS
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单位：g/g 或 g/mol
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难以用系数确定由培养基组分到产物的方程式来表示。 一、细胞反应的元素衡算方程
细胞的元素组成包括：？ C,H,O,Ｎ,
通常将细胞分子式定义为： CHON
P,S,K, Na 。
而忽略微量元素
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第3章 >> 3.1 细胞反应过程计量学
一、细胞反应的元素衡算方程 细胞的元素组成受种类、生长阶段等因素影响。 Example:Chemical composition of E. coli (dry basis %) element
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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 1、得率系数的定义
② 对氧的细胞得率
YX / O
生成细胞的质量 mx 消耗氧的质量 mo
③ 对底物的产物得率
YP / S 生成代谢产物的质量 m p 消耗基质的质量 mS
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第3章
细胞反应过程动力学>>概述
动、植物细胞培养与微生物培养区别
◆动物细胞无细胞壁，且大多数哺乳动物细胞附着在固体或半 固体的表面才能生长；对营养要求严格，除氨基酸、维生素、 盐类、葡萄糖或半乳糖外，还需有血清。动物细胞对环境敏 感，包括pH、溶氧、温度、剪切应力都比微生物有更严的要 求，一般须严格的监测和控制。
YP / S
MP d MS
Where Mx,Ms,Mo,Mp——molecular weight of cell ,substrate and oxygen ,products,respectively; a,c,d——stoischiometry
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Y M mX X / S S (g / mol) mATP YATP / S
Where YATP/S —— 相对于基质的ATP生成得率，即消耗1mol基质所生成的ATP的量; Ms —— substrate molecular weight
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◆ More component take part in reaction
◆Essentials of cell reaction is a serial reaction catalyzed by enzymes system;
metabolism; assimilation, dissimilation
C6H12O6+aNH3+bO2=cC4.4H7.3O1.2N0.86+dH2O+eCO2
(glucose) (microbe cell) Please give: (1)Determine the stoischiometric coefficient,a,b,c,d,e (2)Cell yield to substrate, YX / S (3) respiratory quotient (RQ).
一、细胞反应的元素衡算方程
对无胞外产物的简单反应: CHmOn+aO2+bNH3 cCHON+dH2O+eCO2
式中 CHmOn——element composition of carbon source
CHON——celluar element composition
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◆The differences between cell reaction and enzyme reaction is cell level & molecular level reaction
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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
72 2 / 3 48( g )
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三、example Use glucose as substrate to culture microbe. It is known that 2/3 of carbon converted to microbe cell. The reaction is as follow:
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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 2、对碳的细胞得率系数, Yc The Yc indicates that efficiency carbon source in substrate convert to cell’s ingredient.
C H O N P S K
content
50 20 8 14 3 1 1
element
Na Ca Mg Cl Fe others
content
1 0.5 0.5 0.5 0.2 0.3
典型的分子结构式: CH1.8O0.5N0.2
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第3章 >> 3.1 细胞反应过程计量学
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 5、得率系数与计量系数的关系
CHmOn+aO2+bNH3= cCHON + dCHxOyNz +eH2O +f CO2 (S) (O) (X) (P) (1)
YX / S
MX c MS
Yx / O
MX c MO a
s 4a c （ x 6）
化合物的还原度以一个碳原子计。见表2-1
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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:
10-100 多数细胞需附着表面 才能生长 非常复杂 慢，倍增时间15-100 小时 内部、激素 非常敏感 有 非常高 低
动植物、微生物细胞的培养比较
植物细胞
10-100 可以，但易结团，无 单个细胞 较复杂 慢，倍增时间24-74小 时 内部、激素 能忍受广泛范围 有 高 低 大 小 悬浮生长 1-10 可以
YC mx . x 生成细胞量 细胞含碳量 x YX / S （g/g） 消耗底物量 底物含碳量 (mS ). S S
Yc--Βιβλιοθήκη Baidu---(0.4-0.9)
Where σx ,σs=carbon content per mass cell or per mass sustrate
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（1）
（2） （ 3） （ 4）
四个方程,五个未知数???
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第3章 >> 3.1 微生物反应过程计量学
一、细胞反应的元素衡算方程
引入呼吸商,定义:
CO2产生速率 RQ e/a O2消耗速率
引入还原度（γ）:
（5）
元素的还原度等于该元素的化合价。 C=4，H=1，N=-3，O=-2，P=5，S=6
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
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.
包括微生物和动植物细胞培养过程
微生物过程:酒\醋\味精\药物
动植物细胞培养过程: 指动植物细胞在体外条件下的存活 或生长,此时细胞不再形成组织。
如:红豆杉细胞培养生产紫杉醇
功用：紫杉醇主要适用于卵巢癌和乳腺癌，对肺癌、大肠癌、黑色素瘤、头 颈部癌、淋巴瘤、脑瘤也都有一定疗效。
细胞反应过程的特征
◆Cell is the key body of cell reaction: cell absorb the nourishment
of medium and form products. A cell is a micro-reactor; ◆Cell reaction generally following the bio-reaction rule
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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
3、宏观得率系数和理论得率系数
消耗的总底物ΔmST，一部分用于细胞生长(ΔmSG ),一部分用 于维持能（ ΔmSM ），一部用于形成代谢产物(ΔmSR). 即
mST mSG mSM mSR
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第3章 >> 3.1 微生物反应过程计量学
solution (1) The stoischiometric coefficient The quality of carbon in 1 mol glucose is 72(g),so the converted carbon to microbe cell in 1 mol glucose is
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第3章 >> 3.1 细胞反应过程计量学
一、细胞反应的元素衡算方程
CHmOn+aO2+bNH3
对 C, H,O, N 作元素衡算: cCHON+dH2O+eCO2
C: H:
O: N:
1 ce m 3 b c 2d n 2a c 2e d b c