微生物反应动力学制药工程

微生物反应动力学制药工程第一页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4.1微生物反应过程的质量和能量衡算4.1.1微生物反应过程的质量衡算

微生物反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂。如果把微生物反应看成是生成多种产物的复合反应：碳源+氧+氮源=菌体+有机产物+二氧化碳+水CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eCO2+fH2O第二页，共六十二页，编辑于2023年，星期六呼吸商：细胞生长过程中放出的CO2与消耗的O2的摩尔比式中:ΔCO2

为一定时间内细胞生长放出的CO2量(mol、Kmol)；第三页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4.1.2微生物反应过程的得率系数得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数。消耗1克基质生成细胞的克数称为细胞得率或生长得率。对底物的细胞得率系数第四页，共六十二页，编辑于2023年，星期六对底物的产物得率系数第五页，共六十二页，编辑于2023年，星期六与碳元素相关的得率系数YC：当基质为碳源，一部分被同化为细胞组成成分，其余部分被异化分解为CO2和代谢产物。XC和SC---单位质量细胞的含碳量和单位质量基质的含碳量与氧相关的得率系数YO：生成细胞质量与消耗氧的比值。第六页，共六十二页，编辑于2023年，星期六举例：C6H12O6+aO2+bNH3→cC4.4OH7.3N0.86O1.2+dH2O+eCO2已知：葡萄糖中的碳2/3转化为细胞中的碳计算c值计算e值根据原子的平衡关系计算b,d,a值求YX/S求YX/O第七页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4.2细胞生长的非结构动力学4.2.1细胞生长动力学描述方法 （1）微生物反应过程细胞群体

①细菌群体的复杂性：通常1mL培养液中含有107～108个细胞，每个细胞都经历生长、成熟、衰亡的过程，同时伴有退化、变异②多相：体系中有液相、固相、气相，性质不同，相内、相间有反应、传质③多组份：细胞组成复杂,蛋白质、脂肪、糖、核酸、维生素、无机盐、水等,培养液中的营养物，代谢产物④非线性：生化反应过程复杂,不能用线性方程描述第八页，共六十二页，编辑于2023年，星期六（2）细菌群体描述的简化①微生物反应动力学是对细菌群体而言，而不是对单一细胞②不考虑细胞之间的差异，性质上取平均值。此模型为确定论模型；考虑细胞之间的差异为概率论模型③把细胞视为单组成，忽略环境变化对菌体组成的影响，所建立的模型为非结构性模型.它是在实验数据的基础上建立的经验或半经验关联模型④假设细胞生长过程，各子成份均以相同的比例生长⑤把细胞和培养液视为一相（液相）,不考虑培养液和细胞之间的物质传递作用,即均一化模型第九页，共六十二页，编辑于2023年，星期六对细胞群体的描述模型

第十页，共六十二页，编辑于2023年，星期六（3）反应速率的定义

①绝对速率第十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期六②相对速率细胞生长比速率底物消耗比速率氧消耗比速率产物生成比速率反应热生成比速率比速率与催化活性物质的量有关。因此比速率的大小反映了细胞活力的大小。第十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4.2.2无抑制细胞生长动力学式中:cS——限制性底物质量浓度，g/L；Ks——饱和常数，其值等于生长比速率恰为最大生长比速率的浓度一半时的限制性底物浓度。第十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期六

当限制性底物浓度很低时，cs<<Ks，此时若提高限制性底物浓度，可以明显提高细胞的生长速率。此时有细胞生长比速率与底物浓度为一级动力学关系第十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期六

当cs>>Ks时，若继续提高底物浓度，细胞生长速率基本不变。此时细胞生长比速率与底物浓度无关，为零级动力学特点。第十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第二十页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第二十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4.2.4细胞生长延迟期、稳定期、死亡起和细胞维持动力学4.2.4.1延迟期动力学第二十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4.2.5温度对细胞生长速率的影响第二十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4.3底物消耗与产物生成动力学4.3.1底物消耗动力学碳源简单的碳化合物能量以ATP形式储存分解氧从细胞排出CO2和水新细胞物质以复杂的生化物质排除维持能量供给图4-10细胞中碳的利用及能置的来源与消耗途径第二十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期六(1)底物消耗速率与消耗比速率第二十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期六底物最大消耗比速率底物消耗比速率第二十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期六

单位体积培养液中的细胞在单位时间内摄取(消耗)氧的量称为摄氧率(OUR)或氧的消耗速率，可表示为：与细胞浓度之比，为耗氧比速率，或称为呼吸强度。第二十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期六

当底物既是能源又是碳源时、就应考虑维持能所消耗的底物。维持能用于维持其渗透压，修复DNA、RNA和其他大分子。维持细胞的结构和生命活性。因此，对底物消耗动力学方程中必须考虑维持能这一项。底物消耗速率可表示为(2)包括维持能的底物消耗动力学第二十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4.3.2代谢产物生成动力学一．相关模型：是指产物的生成与细胞的生长过程相关，即产物通常是基质的分解代谢产物(如乙醇发酵)或代谢过程的中间产物(如氨基酸发酵),代谢产物的生成与细胞的生长是同步的。产物的生成速率为：第二十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期六等式两边除以X，则有：说明：第一项与细胞生长有关，第二项无关；、由细胞生理特性与生长条件而定，只有通过对不同的细胞代谢过程进行研究，才能找出其与细胞生长条件、环境因素的关系。

二．部分相关模型：产物的生成与细胞生长部分相关。动力学方程为：第三十页，共六十二页，编辑于2023年，星期六三．非相关模型：产物的生成与细胞的生长无直接关系，特点是当细胞处于生长阶段时，并无产物积累，而当细胞生长停止后，产物却大量生成。第三十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第三十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4.4微生物受热死亡动力学1.微生物死亡速率生物体种类相对耐热性营养细胞及酵母1.0噬菌体和病毒1~5霉菌孢子2~10细菌芽孢3×106各种不同微生物在含湿加热时所呈现的相对耐热性设计灭菌操作，必须以细菌芽孢作为杀灭对象，因为要杀灭了芽孢，其他杂菌一定也杀灭。这一点，既是食品灭菌的依据，同时也是发酵培养基灭菌操作的基础。第三十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期六微生物受热死亡的原因主要是因高温使微生物体内的一些重要蛋白质，如酶等发生变性，从而导致微生物无法生存而死亡。微生物受热死亡的规律有很多类型，但常见的是对数死亡律，也称对数残存律。-dN/dt=kN

其中：

N是活菌体浓度，以活菌体个数/ml K是比死亡速率常数，min-1

t是时间第三十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期六对数死亡律-dN/dt=kNln(N/N0)=-ktN=N0exp(-kt)t=2.303×log(N/N0)/kk值反应了微生物耐热性的强弱，越小表明微生物越不易热死；反之越易热死。第三十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期六生物体种类k值营养细胞及酵母1010min-1(115.5℃)细菌芽孢1.0min-1(115.5℃)各种不同微生物k值第三十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期六dNR/dt=-kRNRdNS/dt=-krNR-kSNSkr耐热芽孢的比失活速率常数，min-1kS耐敏感中间芽孢的比失活速率常数，min-1联立求解微分方程组的：N/N0=kR[exp(kSt)-kS/krexp(-krt)]/(kR-kS)第三十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期六2.温度对死亡速率的影响死亡速率常数k与温度的关系，可用阿累尼乌斯公式来表示：

K=Aexp(-ΔE/RT)或lnK=lnA-ΔE/RTA:频率常数，min-1ΔE：死亡活化能，J/molT：绝对温度R：气体常数ΔE/R：微生物受热死亡时对温度敏感性的度量，越大，随温度的变化越敏感。第三十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期六绝对温度的倒数，1/T对数比死亡速率常数，lnk斜率，-ΔE/R第三十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期六当培养基加热灭菌时，常会出现杂菌被杀灭的同时，营养物质也被破坏，如何解决这一矛盾？对表达式lnK=lnA-ΔE/(RT)取微分：dlnK=-ΔE/Rd(1/T)方程中，ΔE越大，对于同样的d(1/T)，dlnK变化越大。微生物受热死亡的活化能一般要比营养成分热分解的活化能大的多，这就意味着当温度升高时，微生物的死亡速率要比营养成分的破坏速率增加的多，这就是为什么采用高温、瞬时灭菌-HTST(HighTemperatureShortTime)。第四十页，共六十二页，编辑于2023年，星期六一般芽孢的ΔE约为293100J/mol，营养成分的ΔE约为83740J/mol。嗜热脂肪芽孢杆菌的死亡和维生素B1的热分解距离：温度从105℃升高到130℃，芽孢的K值将从0.1min-1增加至26.82min-1，增大268倍；但同样的温度变化，B1的K值从0.019min-1增加至0.117min-1，增大6.16倍。第四十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期六灭菌温度，℃需要的灭菌时间，min维生素B1的损失，%100110120130140150123211411.81.370.1770.0252>99.9995.749.614.83.951.0不同灭菌温度和不同灭菌时间下，维生素B1的破坏对照灭菌度N/N0=10-16第四十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4.5培养基灭菌的工程设计1.间歇灭菌整个灭菌过程由加热、保温和冷却三个阶段组成，每一阶段均有菌体的死亡，整个间歇过程的灭菌作用是这三个阶段的总和。第四十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期六在保温阶段，K为常数，可以直接积分，在升温和冷却阶段K是变化的，即温度T是时间的函数，而且这些经验函数关系非常复杂（一般不推介使用这些公式），积分过程很复杂，往往使用数值法求解；▽加热和▽冷却可以从一些手册中查得。第四十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期六VT培养基的总体积；N0VT每批培养基开始的杂菌总数；

NVT培养基灭菌后的杂菌数。如果残留一个杂菌，如果营养物充足，经过24小时，倍增时间20分钟计算，这个杂菌将繁殖成(2)72;如果一个杂菌不留，则NVT=0，这也办不到，如果达到此灭菌度，灭菌时间需无穷大；实际计算中常常取NVT=10-3，表示1000次发酵中，将可能由于灭菌不当而残留一个杂菌。NVT通常根据操作难易、灭菌费用、产品和培养基的代价等多方面因素决定。第四十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期六加热阶段保温阶段冷却阶段一般来讲，完成整个灭菌周期约3-5小时，各阶段对灭菌的贡献大致如下：▽加热/▽总=0.20;▽保温/▽总=0.75；▽保温/▽总=0.05尽量缩短加热时间，可减少营养物的减少。第四十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期六2.连续灭菌与间歇灭菌相同，连续灭菌也需要加热、保温和冷却三个阶段；间歇灭菌这三个阶段在空间上相同，在时间上不同；连续灭菌这三个过程同时发生，但在空间上不同，因此需要有加热设备、保温设别和冷却设备。第四十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第四十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期六第四十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期六4.5细胞反应动力学参数的估计动力学实验的目的确定反应速率与反应物浓度之间的函数关系，这实际上是确立速率方程的基本形式；确定动力学参数，例如细胞反应器中的Ks和μmax的值；确定动力学参数与反应条件，例如温度、pH等因素的关系。

动力学方程是否合适，动力学参数的值是否正确，取决于实验设