第二章细胞反应动力学.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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 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,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 细胞反应,反应式,机理式,差别,反应过程复杂,经验式,四、模型的简化,真实情况,多相体系（气液固）,细胞多组分,细胞生长不均一,简化模型,均一化模型：细胞和基质均视为液相,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。,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,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,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,Y,x/s,对基质的产物得率,Y,p/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,3、减速期,基质浓度降低,有害代谢产物积累,4、静止期,生长速率等于死亡速率,达到最大细胞浓度,死亡速率常数,5、衰亡期,停止生长,细胞浓度下降,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,Logistic,方程,2、基质抑制,基质抑制动力学（,Andrew,模型）,最适基质浓度,3、产物抑制,乙醇对酵母,4、温度的影响,动物细胞：3139度,植物细胞：2530度,最适生长温度、最适生产温度,5、,pH,的影响,细菌：6.37.5,放线菌：78,霉菌、酵母：36,乳酸菌、乙酸菌,动物细胞：6.57.5,植物细胞：56,pH,的控制,灭菌方法,化学试剂灭菌,射线灭菌,过滤除菌,热灭菌,三、灭菌动力学,对数死亡律（营养细胞）,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),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,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,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,3、用于细胞生长、维持和产物合成,二、细胞反应中氧的传递,难溶气体,氧的传递的重要性,在常压和25时，空气中的氧在纯水中的饱和溶解度为0.25,mol/m,3,工业发酵常用的微生物的比呼吸速率约为0.10.4,kg(O,2,)/hrkg(,干细胞),摄氧率,OUR、,呼吸强度,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,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,当细胞生长达到一定程度后产物开始合成。,3,、非相关模型,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）,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。,第六节,描述细胞群体反应动力学,的分离模型,1,、描述细胞生理特性变化的分离模型,温度,2,、描述细胞形态变异的分离模型,丝状微生物,3,、描述重组细胞反应的分离模型,质粒的不稳定性,The End!,