细胞工程导论

1、细胞工程导论教师：齐念民（教授） 本节主讲： 李巍巍 n推荐参考书：生物反应工程原理：贾士儒 生物反应器工程 ： 张元兴，许学书编著 物理化学： 重庆大学物理化学教研室编 基础化学工程 ： 江体乾 n在交大图书馆主页选择电子图书后，进入超星百万，搜索“生物反应”即可找到相关参考书Introduction1细胞反应过程动力学3酶反应动力学2Introduction生物技术生物化学工程生物反应工程细胞生物学生物化学化学工程化学工程细胞工程Introductionn生物技术由于在解决人类所面临的食品，资源，环境和健康等诸多挑战中发挥着巨大的作用，被世界各国视为21世纪最重要的高新技术。n生物技术是指

2、应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂的作用，将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。Introduction生物反应工程的历史与展望n几千年前，酿酒，生产酱油，食醋n1857 pasteur首次证明酒精发酵是由酵母引起的，而酵母是活的细胞，人类控制微生物反应的时期。n20th 40s 高效通气搅拌供氧技术，无菌空气过滤技术，大型反应器灭菌技术等，青霉素为代表的微生物发酵工业进入新时期。n现代，分子生物学，基因工程，电子计算机，高分子工程，材料工程等的发展，生物反应工程进入了飞速发展的时期。Introduction生物催化剂原材料生物反应器产品Introductionn根据生物催化剂的

3、不同特性，生物反应过程可分为酶催化反应过程，微生物细胞反应过程和动植物细胞反应过程。Introductionn生物反应工程是化学反应工程原理与生物反应工艺过程有机结合的产物，是解决与生物反应过程的设计和操作相关的工程技术问题的学科，是生物化学工程的主要分支之一。n生物反应工程是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应器的设计，放大和生物反应过程的优化操作与控制的学科。n生物反应工程在生物技术的各个领域，特别是生物反应器的选型与设计，操作技术，生物过程的开发和优化等方面具有不可缺少的作用。Introductionn生物反应工程研究的是以工业规模进行的生物反应的规律。它的主要内容可以分为两大部分：

4、生物反应动力学 生物反应器的设计，优化与放大Introductionn生物反应动力学研究生物反应过程的影响速率及其因素，它是生物反应工程学的理论基础之一。本征动力学：微观动力学没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。宏观动力学：反应器动力学反应器内观测到的总反应速率与影响因素的关系，反应器的传热，传质，物料的流动与混合，反应器的型式和结构及操作方式。Introductionn细胞反应动力学，从不同的研究角度，有不同的动力学模型。 单组分 非结构模型 多组分 结构模型 考虑个体细胞差异 统计模型 不考虑个体细胞差异 非统计模型 均匀分散 均相模型 不均匀分散 非均相模型Introducti

5、onn生物反应器的设计，优化与放大 生物反应器是生物反应的核心设备。要求它能为进行各种生物反应过程提供良好的反应环境和条件。 生物反应器的设计：反应器的型式，结构，和操作方式，以及反应器几何尺寸的确定。 生物反应器的优化：包括优化操作和优化设计。 生物反应器的放大：实验室规模的研究结果放大到工业规模的生物反应器中进行的技术。IntroductionIntroductionn学习本课程的目的 使用微生物学，生物化学和化工原理等基础知识，并进一步深化提高，以认识与解决生物反应过程中的实际问题，掌握生物反应工程的基本概念及技能，具有从反应速率着手定性或定量讨论生物反应过程的初步能力。均相酶反应动力学

6、n酶是生命活动的基础，是生物生命活动的“推动机”，酶促反应是生物反应的核心，它的化学本质是蛋白质。n均相酶反应，系指酶与反应物处于同一相-液相的酶催化反应，因此它不存在相间的物质传递。均相酶反应动力学所描述的反应速率与反应物的基本关系，反映了该反应过程的本征动力学关系，它的作用在于阐明酶反应的机理。均相酶反应动力学n酶反应的基本特征 几乎所有生物的生理现象都与酶的作用密切相关。均相酶反应动力学n酶的催化共性 酶能参与生物化学反应，降低反应的活化能，加快生化反应的速率；但它不改变反应的方向和平衡关系，即反应的平衡常数。 动力学与热力学 酶在反应过程中，其立体结构和离子价态可能发生某种变化，但在反

7、应结束时，一般酶本身并不消耗。均相酶反应动力学n酶的催化特性 高效性 专一性：绝对专一性与相对专一性 需要辅助因子的参与； 温和的反应条件； 酶易变性与失活。 此外，酶作为催化剂，提取工艺繁琐，成本昂贵，目前大多数酶只能在水溶液中进行反应。均相酶反应动力学n单底物酶反应动力学 酶的活性中间复合物假说（酶底复合物假说）PSE11ESESkkPEk2均相酶反应动力学dtdnVrsS1dtdnVrPP111ESESkkPEk22ESPckr反应过程中，酶的浓度保持恒定， 酶的浓度远远小于底物浓度，产物浓度很低，可忽略抑制作用，且无逆反应4. 生成产物的速率要慢于底物与酶生成复合物的可逆反应速率，生成

8、复合物的可逆反应达到平衡状态均相酶反应动力学nMichaelis-Menten 方程 米式方程 “平衡”假设 “拟稳态”假设sssPKccrrmaxmssPKccrrmax11ESESSCCCkkK12121kkKkkkKsm均相酶反应动力学nMichaelis-Menten 方程 重要意义 提供了一个极为重要的酶促反应动力学常数KM，并通过KM表达了酶促反应的性质，反应条件和反应速率之间的关系。 )21(maxrrsKPm均相酶反应动力学nMichaelis-Menten 方程 动力学特征Prmax21rPrmaxrmsKc msKc othermsPKcrrmaxmaxrrPmSEESKC

9、CC均相酶反应动力学nMichaelis-Menten 方程 参数求解均相酶反应动力学n反应条件对酶反应速率的影响 内部因素：酶的结构特性和底物的结构特性； 外部因素：物质的浓度（酶，底物和产物，抑制剂） 操作条件 （温度，压力，PH等）均相酶反应动力学n反应条件对酶反应速率的影响 pH均相酶反应动力学n反应条件对酶反应速率的影响 温度)/exp(2RTEAka细胞反应过程动力学n细胞反应系指以细胞为其反应主体的一类生物反应过程。包括微生物反应与动植物细胞反应过程。1. 细胞是反应过程的主体。2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。细胞内的代谢作用正是由无数错综复杂的酶促反应来完成的。

10、3. 细胞反应与酶催化反映的区别 酶：分子水平 酶自身不进行再生产 细胞： 细胞与分子 细胞本身处于动态变化细胞反应过程动力学n以上因素，造成了描述，控制和开发细胞反应过程的复杂性。要对细胞反应过程进行量化分析，必须要解决两个基本问题： 1）反应过程中各种物料和能量的数量比例 反应计量学 2）反应过程的速率问题 反应过程动力学细胞反应过程动力学n细胞反应过程计量学是对反应物的组成和反应转化程度的数量化研究。它与反应热力学和反应动力学一起构成了反应工程学的基础。 然而，对于细胞反应过程，要用标以正确系数的反应方程式表示由反应组分组成的培养基转化为生成物的反应几乎是不可能的。细胞反应过程动力学n细

11、胞反应的元素衡算方程 对C,H,O,N做元素平衡 加入呼吸商RQ 2232eCOOdHNOcCHbNHaOOCHnm细胞反应过程动力学 细胞反应过程动力学 细胞工程导论Review2应用举例4生物反应中的传递过程2Introduction生物技术生物化学工程生物反应工程细胞生物学生物化学化学工程化学工程细胞工程Introduction生物催化剂原材料生物反应器产品Introductionn根据生物催化剂的不同特性，生物反应过程可分为酶催化反应过程，微生物细胞反应过程和动植物细胞反应过程。Introductionn生物反应工程是化学反应工程原理与生物反应工艺过程有机结合的产物，是解决与生物反应过

12、程的设计和操作相关的工程技术问题的学科，是生物化学工程的主要分支之一。n生物反应工程是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应器的设计，放大和生物反应过程的优化操作与控制的学科。n生物反应工程在生物技术的各个领域，特别是生物反应器的选型与设计，操作技术，生物过程的开发和优化等方面具有不可缺少的作用。Introductionn生物反应工程研究的是以工业规模进行的生物反应的规律。它的主要内容可以分为两大部分：生物反应动力学 生物反应器的设计，优化与放大均相酶反应动力学n酶是生命活动的基础，是生物生命活动的“推动机”，酶促反应是生物反应的核心，它的化学本质是蛋白质。n均相酶反应，系指酶与反应物处于同

13、一相-液相的酶催化反应，因此它不存在相间的物质传递。均相酶反应动力学所描述的反应速率与反应物的基本关系，反映了该反应过程的本征动力学关系，它的作用在于阐明酶反应的机理。均相酶反应动力学n酶的催化共性 酶能参与生物化学反应，降低反应的活化能，加快生化反应的速率；但它不改变反应的方向和平衡关系，即反应的平衡常数。 动力学与热力学 酶在反应过程中，其立体结构和离子价态可能发生某种变化，但在反应结束时，一般酶本身并不消耗。均相酶反应动力学n酶的催化特性 高效性 专一性：绝对专一性与相对专一性 需要辅助因子的参与； 温和的反应条件； 酶易变性与失活。 此外，酶作为催化剂，提取工艺繁琐，成本昂贵，目前大多

14、数酶只能在水溶液中进行反应。均相酶反应动力学n单底物酶反应动力学 酶的活性中间复合物假说（酶底复合物假说）PSE11ESESkkPEk2均相酶反应动力学dtdnVrsS1dtdnVrPP111ESESkkPEk22ESPckr反应过程中，酶的浓度保持恒定， 酶的浓度远远小于底物浓度，产物浓度很低，可忽略抑制作用，且无逆反应4. 生成产物的速率要慢于底物与酶生成复合物的可逆反应速率，生成复合物的可逆反应达到平衡状态均相酶反应动力学nMichaelis-Menten 方程 米式方程 “平衡”假设 “拟稳态”假设sssPKccrrmaxmssPKccrrmax11ESESSCCCkkK12121kk

15、KkkkKsm均相酶反应动力学nMichaelis-Menten 方程 动力学特征Prmax21rPrmaxrmsKc msKc othermsPKcrrmaxmaxrrPmSEESKCCC均相酶反应动力学nMichaelis-Menten 方程 参数求解均相酶反应动力学n反应条件对酶反应速率的影响 内部因素：酶的结构特性和底物的结构特性； 外部因素：物质的浓度（酶，底物和产物，抑制剂） 操作条件 （温度，压力，PH等）细胞反应过程动力学n细胞反应系指以细胞为其反应主体的一类生物反应过程。包括微生物反应与动植物细胞反应过程。1. 细胞是反应过程的主体。2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应

16、体系。细胞内的代谢作用正是由无数错综复杂的酶促反应来完成的。3. 细胞反应与酶催化反映的区别 酶：分子水平 酶自身不进行再生产 细胞： 细胞与分子 细胞本身处于动态变化细胞反应过程动力学n以上因素，造成了描述，控制和开发细胞反应过程的复杂性。要对细胞反应过程进行量化分析，必须要解决两个基本问题： 1）反应过程中各种物料和能量的数量比例 反应计量学 2）反应过程的速率问题 反应过程动力学细胞反应过程动力学n细胞反应过程计量学是对反应物的组成和反应转化程度的数量化研究。它与反应热力学和反应动力学一起构成了反应工程学的基础。 然而，对于细胞反应过程，要用标以正确系数的反应方程式表示由反应组分组成的培

17、养基转化为生成物的反应几乎是不可能的。细胞反应过程动力学n细胞反应的元素衡算方程 对C,H,O,N做元素平衡 加入呼吸商RQ 2232eCOOdHNOcCHbNHaOOCHnm细胞反应过程动力学n单一胞外代谢产物的细胞反应的元素衡算方程 对C,H,O,N做元素平衡 加入呼吸商RQ 加入还原度 2232fCOOeHNOdCHNOcCHbNHaOOCHzyxnm细胞反应过程动力学 细胞反应过程动力学n得率系数 由于细胞反应是一个复杂的网络反应，要建立严格的元素衡算方程十分困难，于是，为了简化研究，提出了得率系数的概念。n得率系数的定义：BAY/BABAccmm细胞反应过程动力学n得率系数的应用：

18、（1） 对底物的细胞得率： （2） 对碳的细胞得率： （3） 对能量的细胞得率： SXY/OXY/SPY/ATPYCY细胞反应过程动力学n得率系数的应用： （4） 宏观得率与微观得率： （5） 得率系数与计量系数： 如果。化学反应方程式能够配平SXY/*/SXYSXY/cMMSX细胞反应过程动力学n例：计算下列反应的计量系数： 反应过程中，2/3的碳转化为细胞中的碳 222 . 186. 03 . 74 . 4326126eCOOdHNOHcCbNHaOOHC细胞反应过程动力学n细胞生长动力学： 为了工程上的应用，在合理简化的基础上建立数学模型。 非结构模型 简化内容： 1. 细胞反应动力学是

19、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。 2. 不考虑细胞间的差别，而是取其性质上的平均值。 3. 视细胞为单组分，环境变化对细胞组成的影响可以忽略。 4. 把细胞与培养液视为一项或两项 细胞反应过程动力学n反应速率（绝对速率） 表示单位时间，单位反应体积某一组分的变化量。 n反应速率的定义：ArdtdctcAA细胞反应过程动力学n反应速率的应用： Sr2OrPr2COrVHr细胞反应过程动力学n比反应速率 表示单位时间，单位反应体积某一组分相对于单位浓度细胞（或单位质量）的变化量。 n比反应速率的定义：AqdtdcctccAAAA11细胞反应过程动力学n比反应速率的应用： S

20、r2OrPr2COrVHrtccXX1细胞反应过程动力学n无抑制细胞生长动力学 经验方程，均相，单一限制性底物)(maxMMKccrrsss)(maxMonodKccsss细胞反应过程动力学nMonod 方程 动力学特征Prmax21maxSsKc SsKc otherSsKcmaxmaxMonodXSsXcKcrmaxXXcrmaxXsSsXccKcrmax细胞反应过程动力学n无抑制细胞生长动力学 )(10000/XXSXSSXXSSSXccYccccccYXsSsXccKcrmaxXXSXsSXSXsXccYcKcYcr/max11细胞反应过程动力学XXSXsSXSXsXccYcKcYcr

21、/max11细胞反应过程动力学n无抑制细胞生长动力学 多个限制性底物 2222max,1111max,SSSSSSKccKcc222111maxSSSSSSKccKcc细胞反应过程动力学n有抑制的细胞生长动力学 （1） 底物抑制动力学 2maxsssscKKcc细胞反应过程动力学n有抑制的细胞生长动力学 （2） 产物抑制动力学 PIPsssCKKcc11max)exp(maxPIPsssCKKcc)1 (max,maxPPsssCCKcc细胞反应过程动力学n细胞生长各时期的动力学 （1） 延迟期 （2） 稳定期 （3） 死亡期 （4） 维持动力学)1 (/maxLttssseKccXdXckdtdc)(XXXXcccdtdc)1 (max,maxXddckr)1 (max,sdsddcKckkXmcmr细胞反应过程动力学npH对细胞生长的影响 pH细胞反应过程动力学n温度对细胞生长的影响 )/exp(2RTEAka)/exp(RTEAa)/ex