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 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
2、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
3、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Yx/s 对基质的产物得率Yp/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
4、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
5、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0.25mol/m3 工业发酵常
6、用的微生物的比呼吸速率约为0.10.4kg(O2)/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 !,
