第二章-细胞反应动力学

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（drycellweight）>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：31～39度植物细胞：25～30度最适生长温度、最适生产温度5、pH的影响细菌：6.3～7.5放线菌：7～8霉菌、酵母：3～6乳酸菌、乙酸菌动物细胞：6.5～7.5植物细胞：5～6pH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0.25mol/m3

工业发酵常用的微生物的比呼吸速率约为0.1~0.4kg(O2)/[hr•kg(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（respiratoryquotient）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