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1、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第二章第二章 细胞反应动力学细胞反应动力学第一节 细胞反应概论一、发展历史l19世纪以前世纪以前l1857年年Pasteurl一战期间一战期间l1933年年l1945年年l1954年年Whitel自然发酵自然发酵l酒精发酵由酒精发酵由yeast引起引起l丙酮丁醇、甘油发酵丙酮丁醇、甘油发酵l摇瓶培养法摇瓶培养法l青霉素发酵青霉素发酵l补料操作补料操作二、微生物细胞的性质三、细胞反应过程的主要特征l反应主体为细胞：反应主体为细胞：催化剂；微型反应器催化剂；微型反应器l复杂的酶催化体系复杂的酶催化体系 酶催化反应酶催化反应 细胞反应细胞反应反
2、应式反应式机理式机理式差别差别 反应过程复杂反应过程复杂经验式经验式四、模型的简化l真实情况真实情况多相体系（气液固）多相体系（气液固）细胞多组分细胞多组分细胞生长不均一细胞生长不均一l简化模型简化模型均一化模型：细胞和基均一化模型：细胞和基质均视为液相质均视为液相均衡生长模型：细胞各均衡生长模型：细胞各组分按相同比率增加组分按相同比率增加确定论模型：忽略个体确定论模型：忽略个体差异，取平均值。差异，取平均值。第二节 细胞反应计量学一、细胞浓度的测定l测定细胞数目测定细胞数目l测定细胞重量测定细胞重量1、测定细胞数目l比浊法l计数器计数法l活菌平板计数法比浊法l分光光度计l菌悬液l只适用于颜色
3、浅、悬浮颗粒极少、细胞沉降慢的发酵液。计数器计数法l显微镜l血球计数器（酵母、霉菌孢子）l细菌计数器（细菌）l活菌数（亚甲基蓝）l不适用于霉菌、放线菌活菌平板计数法l无菌生理盐水l稀释、涂布l不适用于丝状菌l慢2、测定细胞重量l细胞干重称量法l细胞堆积容积测量法l细胞组成成分分析法细胞干重称量法lDCW（dry cell weight）l100度l适用于丝状菌l必须清除发酵液中非细胞固体物质细胞堆积容积测量法l锥形刻度管l离心细胞组成成分分析法l蛋白质、DNA、RNAl在细胞中的含量比例不得随时间变化二、得率系数Yl对基质的细胞得率对基质的细胞得率Yx/sl对基质的产物得率对基质的产物得率Yp
4、/s定义式定义式微分（瞬时）得率系数微分（瞬时）得率系数宏观（总）得率系数宏观（总）得率系数三、绝对速率和比速率l细胞比生长速率细胞比生长速率l基质比消耗速率基质比消耗速率l产物比合成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v迟滞期迟滞期v指数生长期指数生长期v减速期减速期v静止期静止期v衰亡期衰亡期1、迟滞期l适应阶段l新酶系的合成l细胞数目基本不变，重量略有增加2、指数生长期l营养物质充分l达到最大比生长速率l倍增时间3、减速期l基质浓度降低l有害代谢产物积累4、静止期l生长速率等于死亡速率l达到最大细胞浓度l死亡速率常数5、衰亡期l停止生长l细胞浓度下降二、影
5、响比生长速率的因素l1、基质浓度、基质浓度Monod方程方程Logistic方程方程Monod方程l基本假设基本假设均衡生长均衡生长一种生长限制性基质一种生长限制性基质细胞得率为常数细胞得率为常数Logistic方程2、基质抑制l基质抑制动力学（基质抑制动力学（Andrew模型）模型）最适基质浓度最适基质浓度3、产物抑制l乙醇对酵母4、温度的影响l动物细胞：3139度l植物细胞：2530度l最适生长温度、最适生产温度5、pH的影响l细菌：6.37.5l放线菌：78l霉菌、酵母：36l乳酸菌、乙酸菌l动物细胞：6.57.5l植物细胞：56lpH的控制l灭菌方法灭菌方法化学试剂灭菌化学试剂灭菌射线
6、灭菌射线灭菌过滤除菌过滤除菌热灭菌热灭菌三、灭菌动力学l对数死亡律（营养细胞）l非对数死亡律（芽孢）对数死亡律非对数死亡律温度的影响瞬时高温灭菌(UTH)l依据：热死亡活化能依据：热死亡活化能营养物质受热分解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一、底物消耗动力学1、仅用于细胞生长比消耗速率和比生长速率的关系2、用于细胞生长和维持代谢n最大细胞得率（理论细胞得率）n细胞维持系数最大细胞得率和实际细胞得率的关系3、用于细胞生长、维持和产物合成二、细胞反应中氧的传递l难溶气体l氧的传递的重要性o在常压和在常压和25时，空气中的氧在纯水中的饱和溶解度时，空气中的氧在纯水中的饱和
7、溶解度为为0.25mol/m3 o工业发酵常用的微生物的比呼吸速率约为工业发酵常用的微生物的比呼吸速率约为0.10.4kg(O2)/hrkg(干细胞干细胞)摄氧率OUR、呼吸强度三、产物合成动力学l初级代谢产物l次级代谢产物Gaden模型l相关模型（基质的分解代谢产物，如乙醇、乳酸）l部分相关模型（柠檬酸、氨基酸）l非相关模型（抗生素、微生物毒素）1、相关模型l产物的生成与细胞生长相关，保持同步。l最大值出现在同一时刻。2、部分相关模型l当细胞生长达到当细胞生长达到一定程度后产物一定程度后产物开始合成。开始合成。3、非相关模型l产物生成与细胞生长无直产物生成与细胞生长无直接联系。接联系。l细胞
8、生长时无产物积累。细胞生长时无产物积累。l细胞停止生长后产物开始细胞停止生长后产物开始大量合成。大量合成。4、特殊的产物：二氧化碳l呼吸熵（respiratory quotient）第五节第五节细胞反应动力学的结构模型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l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。第六节第六节描述细胞群体反应动力学描述细胞群体反应动力学的分离模型的分离模型1、描述细胞生理特性变化的分离模型l温度2、描述细胞形态变异的分离模型l丝状微生物3、描述重组细胞反应的分离模型l质粒的不稳定性The End!