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生化工程5 细胞反应动力学

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生化工程5 细胞反应动力学的内容简介:

第五章细胞反应动力学
第一节、概论
(一)、动力学
细胞反应动力学:研究细胞反应过程的速率及其影响因素的科学。
实验目的:提高产物浓度,底物转化率等工艺工艺 2.提高产物的(比)生成速率,底物对产物的得率系数等工程 影响因素 微观动力学:没有传递等工程因素影响时,反应固有的速率,只与各反应组分的浓度、催化剂及溶剂性质有关,而与传质、传热等因素无关。 宏观动力学:在反应器内观测到的总反应速率及 其影响因素,这些影响因素包括反应器的形式和 结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传 热等。 研究对象 分子水平动力学:酶反应动力学 细胞水平动力学:细胞反应动力学(包括细胞生 长动力学、反应基质消耗动力学和代谢产物生成 动力学等) 群体动力学:
废水处理动力学 模型的简化
1、细胞体系特点 细胞的生长、繁殖和代谢是一个复杂的生物化学过程。该体系具有多相、多组分、非线性的特点。 多相指的是体系内常含有气相、液相和固相。 多组分是指在培养液中有多种营养成分,有多种代谢产物产生,在细胞内也有具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。 非线性指的是细胞的代谢过程通常需用非线性方程来描述。 同时,细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命活动,通常每1ml培养液中含104~108个细胞,每个细胞都经历着生长、成熟直至衰老的过程,同时还伴有退化、变异。 因此,要对这样一个复杂的体系进行精确的描述几乎是不可能的。为了工程上的应用,首先要进行合理的简化,在简化的基础上建立过程的物理模型,再据此推出数学模型。
2、主要简化的内容 第一,细胞反应动力学是对细胞群体的动力学行为的描述,而不是对单一细胞进行描述。所谓细胞群体是指细胞在一定条件下的大量聚集。 第二,不考虑细胞之间的差别,而是取其性质上的平均值,在此基础上建立的模型称为确定论模型,如果考虑每个细胞之间的差别,则建立的模型为概率论模型。 第三,细胞的组成也是复杂的,它含有蛋白质,脂肪、碳水化合物、核酸、维生素等,而且这些成分的含量大小随着环境条件的变化而变化。如果是在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型,则称为结构模型,该模型能从机理上描述细胞的动态行为。如果把菌体视为单组分,则环境的变化对菌体组成的影响可被忽略,在此基础上建立的模型称为非结构模型。 均衡生长:细胞生长过程中,细胞内各种成分均以相同的比例增加。 非均衡生长:各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例也不同。 第四,如果将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模型称为分离化模型,一般在细胞浓度很高时常采用此模型,在此模型中需要说明培养液与细胞之间的物质传递作用。如果把细胞和培养液视为一相(液相),则在此基础上所建立的模型为均一化模型。
(二)、反应速率
1、绝对速率(速率) 细胞生长速率为:rx=dX/dt单位时间内单位体积培养液中所含细胞(或称菌体)干重的变化量。 基质和氧的消耗速率rS、rO2为: rS=-dS/dtrO2=-dO2/dt(摄氧率) 产物、CO2和反应热的生成速率rP、rCO2、rHv为: rP=dP/dtrCO2=dCO2/dtrH=dHv/dt
2、比速率 细胞生长比速率:μ=1/X dX/dt 基质消耗比速率:qS=1/X dS/dt(ν) 氧消耗比速率:qO2=1/X dO2/dt(Qo2) 产物生成比速率:qP=1/X dP/dt(Qp) 反应热生成比速率:qHv=1/X dHv/dt
(三)、得率系数
基质消耗对细胞的得率Yx/s 氧消耗对细胞的得率Yx/o 基质对代谢产物的得率Yp/s ATP对细胞的得率YATP 在分批培养时,某个时刻的得率系数一般不能视 为常数。

第二节细胞生长动力学
一、无抑制的细胞生长动力学--Monod方程
微生物生长速率受物理因素和化学因素的影响,在一定条件下,微生物生长速率是基质浓度S的函数,即dx/dt=f(S). 1949年莫诺发现,细菌的比生长速率与单一限制性基质存在如下图所示的关系,并建立经验方程:μ=μmS/(Ks+S)(莫诺方程) S限制性基质浓度mol/m3 Ks微生物对基质的半饱和常数mol/m3 限制性基质:在培养细胞的营养物质中,对细 胞生长起到限制作用的营养物。 莫诺方程和米氏方程的形式相同,但前者是经验方程,后者是机理方程。当假设微生物生长速率受限制于单一酶催化反应时,理论上莫诺方程合理。 莫诺方程中的常数m和Ks同样可用倒数图解法、线性回归或计算机直接求解。 这样通过测定不同限制性基质浓度下,微生物的比生长速率,就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。 例题5.1 在一定培养条件下,培养大肠杆菌,测得实验数据如下: 求:该培养条件下,大肠杆菌的最大比生长速率μm,半饱和常数Ks,倍增时间td。 解:依据方程s/μ=Ks/μm+1/μm S,分别采用图解和回归法求解。
例5.2 Monod在其发表的论文中首次提出了以他的名字命名的莫诺方程。作为该方程的实验基础,他提供了在发酵罐中用乳糖培养基间歇培养细菌的四组实验结果,下面摘录了其中一组实验数据,试用莫诺方程拟合上述实验数据,并求其动力学方程。 解:根据细胞生长动力学,细菌的生长速率可表示为: 取其倒数: 根据试验提供的数据,在一段短的实验时间间隔内,上式可表示为 X平/rx平~1/S平作图,图中为一直线,表明细菌在乳糖中的生长符合Monod方程,并由该图确定其动力学参数。
二、单基质限制的细胞生长动力学模型
三、基质抑制的细胞生长动力学模型
四、产物抑制动力学模型
五、细胞浓度对比生长速率影响模型
六、分批培养细胞生长动力学 延迟期(第一和第二阶段)系指培养基接种后,细胞浓度在一段时间内无明显增加的这一阶段。它是细胞在环境改变后表现出来的一个适应阶段。 如果新培养基中含有较丰富的某种营养物质,而在老环境中则缺乏这种物质,细胞在新环境中就必须合成有关的酶来利用该物质,从而表现出延迟期。许多胞内酶需要辅酶或活化剂,它们又是一些小分子或离子,具有较大通过细胞膜的能力,当细胞转移到新环境时,这些物质可能因扩散作用从细胞中向外流失,这也是产生延迟期的一个原因。 延迟期长短与菌种的种龄和接种量的大小以及新培养基的组成有关。 对数期:细胞浓度随时间呈指数生长,单位细胞的生长速率达到并保持最大值,单一细胞的重量、单位重量细胞的脱氧核糖核酸、核糖核酸含量均恒定。 此阶段的细胞分裂繁殖最为旺盛,生理活性最高,因此在工业微生物反应中,常转接处于指数生长期中期的细胞,以保证转接后细胞能迅速生长,微生物反应能快速进行。 减速期:由于当细胞大量生长后,培养基中营养物质大量消耗,加上有害代谢物质的积累,细胞的生长速率开始减缓,从而进入减速期。 静止期:由于营养物质已耗尽或有害物质的大量积累,使细胞浓度不再增加。静止期内的细胞浓度为最大浓度。 衰亡期:由于环境恶化,细胞开始死亡,活细胞浓度下降,细胞生长速率为负值。

第三节、基质消耗动力学
基本概念 维持消耗(m):指维持细胞最低活性所需消耗的能量,一般来讲,单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。 细胞生长过程中,基质消耗主要用于: ①满足于细胞生长需要消耗, ②维持微生物生存的消耗, ③生成代谢产物的消耗, 菌体得率(YX/S)=反应过程生成菌体的质量/反应 过程消耗基质摩尔数=反应过程中菌体生长速度 /反应过程中基质消耗的速度 Yx/s=dx/(-dS)=dX/dt/(-dS/dt) 菌体理论得率(YG)=生成菌体的质量/用于同化为菌体的基质消耗 YG=dX/(-dS)G 代谢产物得率(Yp/s)=dP/(-dS) 代谢产物的理论得率(YP)=生成代谢产物的摩尔 数/用于异化为代谢产物的基质消耗YP=dP/(-dS)P 在以培养细胞为目的的反应过程中,代谢产物忽 略不计,上式简化为;qs=μ/YG+m 1/Yx/s=1/YG+m/μ 利用连续培养,很容易求出qs与μ或Yx/s与μ的 关系,进而求出YG和m。 例题5.3 用葡萄糖为唯一碳源,在通风提供足够溶解氧的情况下连续培养Azotobactervinelandii,结果见下表。求该微生物的理论得率YG、维持常数m和不同情况下葡萄糖消耗对菌体生长的得率Yx/s。

第四节产物生成动力学
一、初级代谢产物和次级代谢产物
初级代谢产物:微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。如氨基酸、核苷酸等等,这些物质称为初级代谢产物。 次级代谢产物:还有一类产物,对细胞的代谢功能没有明显的影响,一般是在稳定期形成,如抗生素等,这一类化合物称为次级代谢产物。
二、Gaden对发酵的三分类
类型Ⅰ为相关模型,产物生成速率与菌体生长速率耦联。乙醇,乳酸以及葡萄糖酸和大部分氨基酸、单细胞蛋白都属于这种类型。 在这种类型的发酵中,微生物的生长、碳水化合物的降解代谢和产物的形成几乎是平行进行的。 对于这种类型的产物来说,调整发酵工艺参数,使微生物保持高的比生长速率,对于快速获得产物、缩短发酵周期十分有利。 类型Ⅱ为部分相关模型,产物生成速率与菌体生长速率部分耦联。间接地与微生物的初级产能代谢途径相关,是由产能代谢派生的代谢途径产生的。柠檬酸、衣糠酸和部分氨基酸为这种类型产物的典型代表。 对于这一类型发酵,只要能保证获得足够高浓度的生物量,就可以获得高速率的产物合成。 类型Ⅲ为非相关模型,产物生成速率与菌体生长速率无关。当培养基中的营养物质消耗尽、微生物的生长停止以后,产物才开始通过中间代谢大量合成。即产生该类产物的微生物,其营养期和分化期在时间上是完全分开的。 属于此类型的产物大多数是微生物的次级代谢产物,大多数的抗生素和生物毒素,以及维生素类。
三、其他类型
qp与μ为负相关联系的模型,例如黑曲霉生产黑素。 (qp与μ为无相关联系的模型) 产物可能存在分解现象时: (kd产物分解常数) 细胞成熟模型、细胞年龄分布模型、细胞成熟时间模型等 Brown和Vass提出成熟时间tM概念,dP/dt=Yp/x (dX/dt)t-tM

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