细胞反应动力学优秀课件

一、底物消耗动力学 1、仅用于细胞生长
rS
dCS dt
rSY r X X /SY X 1 /S C XY X 1 /S ma K S x C SC SC X
比消耗速率和比生长速率的关系
q SC rS XC 1 XY X 1 /SrX Y X 1 /SC rX X Y X /S
qS
qS,maxCS KS CS
生长速率等于死亡速率 达到最大细胞浓度 死亡速率常数
ddCXt (kd)CX 0
5、衰亡期
停止生长 细胞浓度下降
dCX dt
kdCX
CXCX,maexxp kdt()
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
✓ 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
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。
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 反应式 机理式 差别
▪ 反应过程复杂 ▪ 经验式
细胞反应
四、模型的简化
真实情况
简化模型
✓ 多相体系（气液固） ✓ 均一化模型：细胞和基
✓ 细胞多组分
质均视为液相
✓ 细胞生长不均一
✓ 均衡生长模型：细胞各 组分按相同比率增加
rPrXCX
qP
当细胞生长达到 一定程度后产物 开始合成。
3、非相关模型
rPwenku.baidu.comCX
qP
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）
二氧化碳生成速率 RQ 氧气消耗速率
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
rP YP/XrX
qP YP/X
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
二、细胞反应中氧的传递
难溶气体 氧的传递的重要性
o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 o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
1
1
r O 2 Y X /O 2rX Y X /O 2 C X Y X /O 2C X q O 2C X
maxKSCSCS
Logistic方程
rX
CX
(1CX
)
2、基质抑制
基质抑制动力学（Andrew模型） ➢ 最适基质浓度
max
1
1 KS
CS
CS KIS
3、产物抑制
乙醇对酵母
I
m
a(x1CCP,m P
)
ax
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：5～6 pH的控制
三、灭菌动力学
灭菌方法
➢ 化学试剂灭菌 ➢ 射线灭菌 ➢ 过滤除菌 ➢ 热灭菌
对数死亡律（营养细胞） 非对数死亡律（芽孢）
对数死亡律
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
rX maC xX
3、减速期
基质浓度降低 有害代谢产物积累
rX CX
4、静止期
kR
NR ND
dN dt
kd
N
ln CN CN0
kdt
CNCN0exp kdt()
非对数死亡律
kR
NRNS
kSND
C N C N 0
kRk RkS[ex kStp )(k kR Sexk pRt)(]
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
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
2、用于细胞生长和维持代谢
1
rS
Y*
X/S
rX
mCX
qS
1 YX*/ S
m
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
1 1m
YX / S
Y* X/S
3、用于细胞生长、维持和产物合成
1
1
rSYX */SrXmX CY*P/SrP
1 qSYX */S
mY*1P/SqP
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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
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