生物反应工程 第五章 生物反应动力学
生物反应工程重点
⽣物反应⼯程重点
⽣物反应⼯程重点
1.⽣物反应研究的内容？
A. ⽣物反应动⼒学
动⼒学——研究⼯业⽣产中⽣物反应速率问题；影响⽣物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结果。
本征动⼒学（微观动⼒学）
反应器动⼒学（宏观动⼒系学）
B. ⽣物反应器
传递特性——传质、传热和动量传递
设计与放⼤——选型、操作⽅式、计算
优化与控制——优化操作与优化设计、反应参数测定与控制
2.均相酶促反应动⼒学
见打印（均相酶促反应动⼒学）ppt
3. 固定化酶催化反应过程动⼒学
A.本征动⼒学概念：
本征动⼒学：⼜称微观动⼒学，它是指没有传递等⼯程因素影响时，⽣物反应固有的速率。该速率除反应本⾝的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，⽽与传递因素⽆关。
B.外扩散因⼦、内扩散因⼦
见打印（外扩散因⼦、内扩散因⼦）ppt
C.分⼦扩散、努森扩散
分⼦扩散：⽓体在多孔固体中扩散，当固体的孔径较⼤时，分⼦的扩散阻⼒主要是由于分⼦间的碰撞所致，这种扩散就是通常所说的分⼦扩散或容积扩散。
努森扩散：⽓体在多孔固体中扩散时，如果孔径⼩于⽓体分⼦的平均⾃由程（约0.1um），则⽓体分⼦对孔壁的碰撞，较之⽓体分⼦间的碰撞要频繁得多，这种扩散，称为Knudsen扩散。
D.曲节因⼦
没找到
4.细胞反应动⼒学
A.细胞的⽣长曲线
见书86页
B.各种⽐速率
见书81页
C.细胞⽣长速率及各种⽐速率
Monod⽅程与⽶⽒⽅程的区别是什么？
答：monod⽅程与⽶⽒⽅程的区别如下表所⽰。
Monod⽅程：⽶⽒⽅程：
描述微⽣物⽣长描述酶促反应
经验⽅程理论推导的机理
《生物反应工程》课件
通过创新的生物反应工程技术，我们可以利用生物体内的反应机制来解决各 种实际问题，为人类提供更好的生活。
1. 介绍
生物反应工程涉及使用生物体和生物体内的反应机制来开发和改善产品和过 程的工程学科。本章将介绍生物反应工程的概念和生物反应器的分类。
2. 生物反应动力学
生物反应动力学研究生物反应的速度和机理。我们将探索反应动力学方程和确定动力学参数的方法。
9. 结语
生物反应工程对于推动生物技术的发展和提升人类生活质量具有重要意义。通过不断学习和实践，我们可以不 断突破与改进。
6. 生物反应器的优化
通过优化反应器的参数和操作条件，我们可以实现更高效、更可持续的反应过程，并在结果分析和评估中加以 验证。
7. 生物反应器的应用
生物反应工程在各个领域都有广泛的应用。我们将探讨生物转化与合成以及 生物降解与治理的应用案例。
8. 生物反应工程的发展
了解生物反应工程的现状、趋势以及未来发展方向，对于我们在这个领域中 保持创新思维和持续学习至关重要。
3. 生物反应器设计
生物反应器是进行生物反应的关键设备。了解反应器的基本组成和设计参数 对于优化反应过程至关重要。
ห้องสมุดไป่ตู้
4. 生物反应器操作
对于生物反应器的操作和参数调节有着重要的影响。我们将讨论不同的操作模式和调节方法。
5. 生物反应器的监控
《生物反应工程》课程教学大纲
《生物反应工程》课程教学大纲
一、课程性质
本课程是生物工程专业的一门专业必修课，是一门以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多门学科为基础的交叉学科。它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。生物反应工程主要研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题，其在生物工业中起着举足轻重的作用。从学科分类看，生物反应工程是工业生物技术的核心。
二、教学目的
通过本课程的学习，使学生掌握生物反应过程动力学基本规律，掌握生物反应器的基本理论和设计的基本方法，了解本领域国内外的研究进展，能够运用所学的理论知识进行生物反应过程的工程分析与开发，以及生物反应器的设计、扩大、操作和优化控制等工作。
三、教材教参
教材：《生物反应工程原理》,贾士儒，科学出版社，2008年3月。
教参：《生物反应工程》，岑沛林，高等教育出版社，2005年5月；
《生物化学工程基础》，李再资，化学工业出版社，2006年1月；
《生化工程》，伦世仪，中国轻工业出版社，1997年7月。
四、教学方式
本课程以课堂讲授为主，自学和讨论为辅的方式组织教学。借助多媒体教学系统实物展示台，将实物、图表等抽象东西尽量展示，制作图文并茂的课件进行教学，增加课堂信息量，扩大学生知识面。
五、教学内容及时数
根据生物工程专业人才培养方案，本课程共2学分，总的教学时数为32学时，其中讲授32学时。具体如下：
1．绪论（2学时，其中讲授2学时）
生物反应工程原理总复习
5.1.1 反应器分类
生化反应器 间隙操作 半连续操作 连续操作
生物团块反应器 全混流型 活塞流型
生物膜反应器 全混流型 活塞流型
搅拌槽式反 应器 循环反应器 环流反应器
管式反应器 鼓泡塔 多级串联式 反应器
硫化床反应器 循环管反应器 完全混合膜反 应器
固定床 生物转盘 渗滤器 膜反应器
5.1.2 生物反应器的基本设计方程
r dX / dt dX )( 4 − 5 ) = x (= dC S / dt dC S rs
Yx / s =
式中： rx — 微生物细胞的生长速率 rs — 基质的消耗速率
4.3 细胞生长的非结构动力学
4.3.1 细胞生长动力学的描述方法
是否考虑细胞的个体差异 确定论模型 概率论模型 是否认为细胞是单组分 结构模型 非结构模型 胞内各组分是否按比例变化 均衡生长 非均衡生长 是否把细胞看成一种溶质 分离化模型 均一化模型
（1）物料衡算式 （在定常态下，累计项均为0。） 对反应基质和产物作物料衡算： 组分进 入反应 器体积 单元量 组分流 出反应 器体积 单元量 体积单 元内组 分转化 的量 体积单 元内组 分累计 的量
=
+
+
对细胞作物料衡算： 细胞进 入反应 器体积 单元量 细胞流 出反应 器体积 单元量 体积单 元内细 胞生长 量 体积单 元内细 胞死亡 量 体积单 元内细 胞累积 量
生物反应动力学生物反应器的设计放大与缩小-化学反应工程
1947年美国的Merch制药厂因在建立抗 生素工业中由于解决了高效通气搅拌技术、 无菌空气过滤技术、大型反应器灭菌等一 系列工程技术问题，使以青霉素为代表的 微生物发酵工业进入一个新的发展阶段， 而被授予“生化工程专题研究”成果奖， 一门反映生物和化学工程交叉的学科—— 生物化学工程诞生，并取得了快速的发展。
2 反应工程的用途、作用
反应动力学
反应模式 速率方程 活化能
反应器的设计与分析
各因素（T, P, c）的变化规律 最佳工况
研究目的：
提供适宜的动力学方程，以描 述微生物（酶、动植物等）反应体 系，确定这些方程在设计方面的用 途，规划实验室的实验，决定动力 学方程所需的速率常数。
1.2生物反应工程的发展过程
生物反应过程的分类及其特征
分类 反应水平 酶催化反 应 分子水平 单一细胞反 应过程 细胞水平 多细胞反应过 程 细胞水平 动植物细胞 反应体系 细胞或组织 水平
底物数量
产物数量 反应的复杂性 反应速率或生 长速率
1-2种
1-2种
若干种
细胞和若干 种代谢产物
若干种
若干种菌体和 CO2、CH4等
若干种
生物反应器的设计，包括反应器型式、 结构和操作方式的选择，以及反应器几何 尺寸的确定。
机械搅拌罐
气升式发酵罐
第五章 微生物反应动力学
对数生长期内的比生长速率： 为常数，而且达到最大值，即=m ②对数生长动力学： 对数生长期内，对
dx x 积分可得： dt
dx dt x
或
x
x0
t 1 dx dt 0 x
x x0 e
t
x ln t x0
③世代时间td：
也称倍增时间（doubling time），是细胞浓度增长一倍 所需要的时间，也即细胞分裂一次，繁殖一代所用的时间。
dx f s dt
莫诺方程（Monod）：
s m Ks s
描述比生长速率与单一限制性底 物之间的关系。
——比生长速率，hr-1 Ks——细胞对底物的半饱和常数，g/L s——单一限制性底物的浓度，g/L
Ks：细胞比生长速率达到最大值一半时所需要的底物浓度
莫诺方程的应用前提条件：
rx dx s x m x dt Ks s
s﹥﹥Ks 时：rx≈mx
第三节 连续培养动力学
连续培养或连续发酵是指在培养过程中，连续地 向发酵罐中加入培养基，同时以相同流速从发酵 罐中排出含有产品的培养基，这种操作方式称为 连续培养。 连续培养一般分两种方式：一种是罐式或搅拌发 酵罐，另一种是管式反应器。
一、连续培养的优点
在分批培养中，微生物要经过延迟期、对数 生长期、减速期、稳定期和衰亡期五个时期， 但对特定的发酵产物合成仅在一个时期，其 余时期都是多余的。
生化工程第五章微生物培养及发酵动力学
内容
1 2 3 4 基本概念 微生物反应的物料衡算 微生物反应的能量衡算 微生物反应动力学
微生物生长的基质
微生物反应的特点
二 微生物反应过程的质量衡算
例题：(选自贾士儒48－69页) 1. 葡萄糖为基质进行面包酵母（ S.cereviseae ） 培养，培养的反应式可用下式表达，求计量关 系中的系数a、b、c、d。 反应式为： C6H12O6＋3O2＋aNH3 →bC6H10 NO3(面包酵母)＋ cH2O＋dCO2
注：
1 ）一般情况下，在微生物生长的各阶段，细 胞增值规律均符合指数生长定律，但μ值随 时间变化； 2）在指数生长期，μ值达最大μm ，且保持稳 定；其他生长期， μ值随时间变化。 3）表示微生物生长快慢的另一方法： 倍增时间td：菌体细胞质量增加一倍所需的时间 td =0.693/μ
例： 以乙醇为碳源进行产气杆菌培养，菌体初 始浓度X0=0.1kg/m3,培养至3.2h,菌体浓 度为8.44kg/m3 ，若不考虑延迟期， 而且μ 一定，求td
2． 反应热（代谢热或发酵热）
ΔHh ＝基质燃烧热－菌体燃烧热－产物燃烧热 = ΔHsΔ[S]- ΔHxΔX -∑ΔHpΔ[P] 例题： 葡萄糖为惟一碳源进行酵母培养。反应式为： 1.11C6H12O6＋2.10O2 →C.3. 92 H6. 5O 1. 94＋3.42H2O＋ 2.75CO2 求（1）Yx/s; (2) 生成 1kg细胞量时的ΔHh。已知酵母细胞和葡 萄 糖 的 燃 烧 热 分 别 为 1.50×104kJ/kg 和 1.59×104kJ/kg。
05生物工艺学第五章生物反应动力学
目录
第五章 生物反应动力学
• 5.1 生物反应动力学概述 ◊ 5.1.1 菌体生长速率 ◊ 5.1.2 基质消耗速率 ◊ 5.1.3 代谢产物的生产速率 • 5.2 生物反应过程的质量和能量平衡 ◊ 5.2.1 质量平衡 ◊ 5.2.2 能量平衡 • 5.3 微生物发酵动力学 ◊ 5.3.1 分批发酵 ◊ 5.3.2 连续发酵 ◊ 5.3.3 分批补料发酵
目录
5.1.3
代谢产物的生成速率
一、根据代谢产物与微生物生长繁殖的关系 ： (1)初级代谢产物：与微生物自身生长繁殖关系密切， 是微生物生长过程必需的一类结构简单、代谢途径明确、产 量较大的小分子物质。如：氨基酸、核苷酸、核酸等。 (2)次级代谢产物：与微生物的生长繁殖无明确关系， 在微生物的生长后期，细胞浓度积累到一定量后产生的分子 结构复杂、代谢途径独特的物质（初级代谢产物作其前体）。 如：抗生素、生物碱、色素、毒素等。 二、根据产物生成速率与细胞生成速率之间的动态关系： （1）生长关联型 （2）生长部分关联型 （3）非生长关联型
共38页 第12页
目录
5.1.3.3
非生长关联型
在图中也可看出在细胞浓度较高时，产物才开始生成、积 非生长关联型是指产物的生成与细胞的生长无直接联系， 即产物的生成与细胞的生长无偶联关系。当细胞处于生长阶段 累；在反应前期细胞的生长速率及比速率大时，产物的生产速 时，几乎无产物生成，细胞生长处于静止阶段时，细胞浓度积 率很小，几乎为零，而反应的后期恰相反。其动力学方程可表 累到一定值时，产物才大量积累。此类产物多属细胞的次级代 示为： 谢产物，如抗生素、微生物毒素、甾体类物质的生成。 q rp Cx
生物反应工程第二版课后习题答案
生物反应工程第二版课后习题答案
生物反应工程第二版课后习题答案
生物反应工程是一门研究利用生物体进行工程化生产的学科，它涉及到生物体
的生理学、微生物学、化学工程学等多个学科的知识。生物反应工程的目标是
通过合理设计和优化反应条件，提高生物体的生产能力和产物质量，从而实现
高效、可持续的生产。
在学习生物反应工程的过程中，课后习题是检验学生对知识掌握程度的重要方式。下面是《生物反应工程第二版》课后习题的答案，供大家参考。
第一章：生物反应工程概述
1. 生物反应工程是一门研究利用生物体进行工程化生产的学科。
2. 生物反应工程的目标是通过合理设计和优化反应条件，提高生物体的生产能
力和产物质量。
3. 生物反应工程涉及到生物体的生理学、微生物学、化学工程学等多个学科的
知识。
第二章：微生物生长动力学
1. 微生物生长动力学是研究微生物生长和代谢的数量关系的学科。
2. 在生物反应工程中，通常使用生长速率方程来描述微生物生长的动力学过程。
3. 常见的生长速率方程有Monod方程、麦克斯韦方程等。
第三章：反应器设计与操作
1. 反应器是进行生物反应工程的核心设备，其设计与操作对反应过程的效果有
重要影响。
2. 常见的反应器类型有批式反应器、连续流动反应器、气液循环反应器等。
3. 反应器的设计应考虑反应物的输送、温度、pH值等因素。
第四章：质量传递与传质过程
1. 质量传递是指物质在反应器中的传输过程，包括物质的输送和扩散。
2. 传质过程对反应的速率和效果有重要影响，需要进行合理的设计和优化。
3. 常见的传质方式有对流传质、扩散传质等。
生物化学反应过程的动力学
生物化学反应过程的动力学
生物化学反应过程是生命活动中不可或缺的一部分，它们在细
胞内发挥着重要的作用，影响着机体的正常运转。动力学是研究
反应速率和反应机理的学科，是了解生物化学反应过程的关键。
本文将介绍生物化学反应过程的动力学，并探讨它对我们的理解
和应用的意义。
生物化学反应速率的测定
生物化学反应速率是指单位时间内消耗反应物或产生产物的数量。其计算公式为：
速率= Δ物质/Δ时间
在反应初期，反应速率较快，反应物浓度逐渐下降，反应速率
逐渐变慢，直到到达反应末期，反应速率接近于零。因此，计算
反应速率需要根据反应物和产物的增减量对时间的变化进行测量。其中，反应速率与反应温度、浓度、催化剂等因素密切相关。
生物化学反应动力学
生物化学反应动力学主要研究反应速率与反应浓度、反应温度、催化剂等因素之间的关系，同时也探讨反应机理。
反应数学模型
在研究反应动力学时，通常需要建立数学模型，以便进行反应
速率的计算。最常见的模型是以下两种：
1. 零级反应模型
零级反应模型指的是反应速率与反应物浓度无关的反应。其反
应速率公式为：
速率 = k
其中，k为反应速率常数，表示单位时间内反应物分子最小浓
度的变化。零级反应模型在反应物浓度较低时较为适用。
2. 一级反应模型
一级反应模型指的是反应速率与反应物浓度成正比的反应。其反应速率公式为：
速率 = k[A]
其中，[A]为反应物浓度，k为反应速率常数，表示单位时间内反应物分子浓度减少一半的变化。一级反应模型在反应物浓度较高时较为适用。
反应速率常数
反应速率常数是表示单位时间内反应物分子浓度减少的量的常数。它不仅受到反应物浓度的影响，还受到反应温度、催化剂等因素的影响。一般来说，反应温度越高，反应速率常数越大；催化剂可以促进反应，并降低反应活化能，因此也会增加反应速率常数。
生物反应工程原理
生物反应工程的定义
生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。
生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生物催化剂参与反应。特点： 1）反应在温和的条件下进行； 2）反应速率比化学反应过程慢很多； 3）反应的复杂性有时难于预计。
共性的基本问题： 1）反应过程的定量； 2）动力学研究；
生物反应过程的四个组成部分
①原材料的预处理及培养基的制备；②生物催化剂的制备；③生物反应器及反应条件的选择与监控；④产物的分离纯化工程；
生物反应工程的研究内容 1、生物反应动力学
生物反应动力学主要研究生物反应速率和影响反应速率的各种因素。基本内容：
1）酶反应动力学的特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶的失活动力学； 2）微生物反应过程的质量与能量衡算、发酵动力学和微生物的培养操作技术； 3）影响动植物细胞反应的因素、动植物细胞反应及反应动力学。 2、生物反应器
生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备。
1）生物反应体系中的流变学特性、氧的传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关因素、溶氧方程及溶氧速率调节； 2）酶反应器及设计、机械搅拌式发酵罐及设计、气升式生化反应器设计、生物废水处理设备及动植物细胞培养用反应器等； 3）分批、流加和连续式操作，及动植物细胞培养技术等。 3、生物反应过程的放大与缩小
1）探讨各种类型生物反应的内在规律； 2）从概念上注意与相关学科的区别； 3）要全面、深入地看待问题； 4）确立评价生物反应过程的标准。
第五章生物反应工程习题.答案
单击此处添加标题
应用：细胞的大规模培养技术在生物医药、生物农业、生物环保等领域有着 广泛的应用，如疫苗生产、生物农药制备、生物燃料生产等。
生物反应器的类型和特点：介绍不同类型的生物反应器，如搅拌罐式反应器、固定床式反应 器、流化床式反应器等，并阐述各自的特点和应用范围。
生物反应器的设计原则：介绍生物反应器的设计原则，包括细胞生长和产物合成的动力学、 氧的传递和消耗、剪切力、pH值等参数的控制和优化。
医药领域：用于 药物研发、生产 及质量控制
食品工业：用于 食品加工、保藏 及功能食品开发
环保领域：用于 废水处理、固体 废弃物资源化利 用
能源领域：用于 生物燃料、生物 质能发电等
酶的分类与特性
酶促反应动力学方程
酶促反应速率的影响因素
酶促反应的应用
细胞生长速率与细胞密度之间的关系 细胞生长速率与培养液中营养物质浓度之间的关系 细胞生长速率与培养液中代谢废物浓度的关系 细胞生长速率与培养液中pH值的关系
酶的未来发展：随着科技的不断进步，酶的发掘与优化将成为生物反应工 程领域的重要研究方向
细胞培养技术的 现状和问题
细胞培养技术的 改进方向
细胞培养技术的 未来发展趋势
细胞培养技术在 生物反应工程中 的应用前景
生物反应器智能化设计的概念和意义 生物反应器智能化设计的技术手段 生物反应器智能化设计的应用前景 生物反应器智能化设计的挑战与展望
第五章 生物计量学与反应动力学
3、生物反应的计量式与元素平衡
菌体的化学式
按照元素的百分组成并忽略灰份的存在，可以得 到酵母菌的化学计量式如下：C3.92H6O2.03N0.61 近似为 C4H6O2N0.6
葡萄糖为基质进行面包酵母(S.cerevisiae)培养，培养的反应式可用下式表 达，求计量关系中的系数a,b,c,d.
用经验模型
• 速率间不象酶反应存在简单关系，因此须研究
反应计量学。（常用速率：细胞生长、底物
（氧〕消耗、产物（CO2）生成〕
细胞反应过程的计量学与 动力学
细胞反应过程特点
生物反应过程的计量学
细胞生长动力学
产物生成和基质消耗动力学
基因工程菌发酵动力学分析
1、研究计量学的目的及计量学特点
• 设计概算的基础
三种定义： Yx
s
rx x C xt C x 0 rs s Cs 0 Cst
Yp s
p C pt C p 0 rs s Cs 0 Cst rp
O2
RQ YC O2
rCO2 rO2
CO2 qCO2 O2 qO2
对基质的得率系数
单位为质量比
菌体的元素分析 - 酵母干物质中的元素百分组成
元素 Carbon (C) Hydrogen (H) Oxygen (O) Nitrogen (N) Total ash Phosphate (as P2O5) Potash (as K2O) Calcium (as CaO) Magnesium (as MgO) Aluminium (as Al2O3 ) Sulphate (as SO4) Chloride (Cl) Iron (as Fe2O3 ) Copper (Cu) Silica (SiO2) 含量范围(%) 45.0 – 49.0 5 -7 30 - 35 7.1 – 10.8 4.7 – 10.5 1.9 – 5.5 1.4 – 4.3 0.005 – 0.2 0.1 – 0.7 0.002 – 0.02 0.01 – 0.05 0.004 – 0.1 0.005 – 0.012 10 – 100 p.p.m 0.02 – 0.2 平均含量(%) 47.0 6.0 32.5 8.5 6.0 2.6 2.5 0.05 0.4 0.005 0.03 0.02 0.007 20 p.p.m 0.08
生化工程知识点
生物反应工程知识点
第一章绪论
*生物反应过程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。
技术产品的生产过程。
生物反应过程
最重要特征：有生物催化剂的参与
*由四部分组成：
原材料的预处理---生物催化剂的制备---
生物反应器及反应条件的选择与监控---产品的分离纯化。
整个生物反应过程以生物反应器为核心把反应前与后称为上游加工和下游加工。
重点内容：
1）建立生物反应过程动力学，以确定包括传质因素影响在内的生物反应过程的宏观速率；2）建立与设计生物反应器，以保证为生物反应过程提供适宜的物理和化学环境，实现反应过程的优化。
反应过程的特点：
1）采用可再生资源为主要原料，来源丰富，价格低廉，原料成分难以控制。
2）反应条件温和。 3）生物催化剂易失活，难以长期使用。
4）生产设备较简单、能耗较低。 5）反应基质与产物浓度不能太高，生产效率较低。6）反应机理复杂，较难检测与控制。 7）反应液杂质多，分离提纯困难
1.2.2.1生物反应动力学
①本征动力学：（微观动力学）它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。
该速率除反应本身的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。
②宏观动力学：（反应器动力学）它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响
因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。
研究方法（细胞反应动力学模型--数学模型方法）：机理模型（结构模型）、半经验模型、经验模型
生物技术的最终目的：建立工业生产过程，并且又以生化反应过程为核心。
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§3 生长动力学的定量描述
对发酵过程的动力学描述不仅对于理论研究很有用，而且能应用 于实际优化发酵过程和反应器的设计之中.
对研究系统中的各变量变化过程进行数学描述.
平衡方程
(物料衡算, 能量衡算)
反应速率方程 (传质, 细胞和产物合成速率、底物的消耗速率)
热力学
(状态方程, 亨利定理)
19
d MWproduct 1 MWsubstrate
YX
ATP
amount of biomass synthesize d moles of ATP generated
Anaerobic conditions 厌氧条件
Aerobic conditions 有氧条件
Heterotrophic(异养的) growth: YX/ATP=10~11 gDW/ATP Autotrophic（自养的）growth: YX/ATP=6.5 gDW/ATP
NAD: Nicotinamide Adenine Dinucleotide烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
NADH: Phosphorylated form of NAD
H HO
C
HC
C C NH2 + H+
HC CH
N R
NADH
+ 2H+ - 2H+
H
O
C
HC
C C NH2
HC CH
N R
NAD
8
(II) 化学计量学 得率系数
6
➢ Cell Growth And Energy Release
Energy obtained from environment is stored and shuttled(运送) in high-energy intermediates, such as ATP
The cell uses this energy to perform three types of
分 离 模 型
Single component heterogeneous ( 不
同个体)individual
“Balance growth”
(Approximation)
cells
将细胞种群看成是 多组分多种群的生
物系统
最接近现实的模型
23
符号定义
rX
dX dt
生长速率 (kg m-3 h-1)
10
CHmOn + a O2 + b NH3
c CHON + d H2O + e CO2
Simple elemental balances on C, H, O and N yield the following equations:
C 1ce H m 3b c 2d O n 2a c d 2e
Some parameters(参数) are nearly the same irrespective(无关的) of the species or substrate involved:
0.462 g carbon in biomass per gram of dry biomass 每克细胞干重的微生物中含0.462 g 碳元素; typical bacteria composition: CH1.8O0.5N0.2
in which no extracellular(胞外的) products other than
H2O and CO2:
CHmOn + a O2 + b NH3
c CHON + d H2O + e CO2
where CHmOn : 1mole of carbohydrate(碳水化合物); CHON : 1mole of cellular material.
下标, i or o, 表示流入(input)或流出(output)反应器的变量.
21
动力学模型
对细胞生长过程的不同理解产生了不同的动力学模型
非结构模型
结构模型
非
分
离
是否分别描述细胞的各种组成成分
模
型
分 离
是否将细胞看成是均一的种群
模
型
22
对细胞生长过程的不同理解产生了不同的动力学模型
非结构模型
3. Mechanical(机械的) work required for cell division and motion.
All these processes are, by themselves,
nonspontaneous(非自发的), and result an increase of
free energy of the cell. Consequently(同时), they occur
平衡方程
平衡方程的一般形式
体系中的积累速率＝流入体系的速率-流出体系的速率
体系中的积累速率: 细胞浓度: X ( kg m-3 )
反应器体积: VR ( m3 )
细胞的质量: VRX ( kg ) 细胞的积累速率 = d (VR X )
dt
( kg· h-1 )
单位体积细胞的积累速率 = 1 d (VR X ) ( kg· m-3· h-1 )
营养成分 底物 产物
热量
机械 相互作用
细胞体 多组分 细胞异质性 多反应体系 受基因调控 自适应 随机性 遗传不稳定性
细胞消耗营养成分，将培养环境中的底物转化为产物。
细胞在生命活动中产生热量，与此同时，通过设置培养环境的温 度控制细胞的生长或产物合成。
细胞生长、增殖和代谢产物的积累，使培养环境的流变学性质(固 含量、粘度)发生改变，细胞与培养环境之间的机械相互作用趋于 明显，对于动物细胞培养过程的影响尤为显著。
VR dt
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流入速率与流出速率:
where F ─ 体积流量 ( m3· h-1 ) FX ─ 质量流量 ( kg· h-1 ) V ─ 反应器体积 (m3)
合成速率与消耗速率: 细胞合成速率 = rX ( kg· m-3· h-1 ) 产物合成速率 = rP ( kg· m-3· h-1 ) 底物消耗速率 = rS ( kg· m-3· h-1 )
work:
1. Chemical synthesis of large or complex molecules;
2. Transport of ionic and neutral(中间的) substrates into or out of the cell or its internal organelles(细胞器);
N b c
The respiratory quotient(呼吸商):
RQ
e a
which denotes the moles of carbon dioxide (CO2) produced per moles of oxygen (O2) consumed. It provides an indication of metabolic(代谢的) state, and can be used in process control.
第五章 细胞反应过程动力学
• 化学计量学 • 细胞生长动力学概述 • 生长动力学的定量描述 • 分批培养的动力学工程 • 分批发酵动力学
§1 化学计量学
Ⅰ 简介
➢ 一个活的细胞 = 一个复杂的化学反应器
物质限制 化学反应 能量限制
热力学原理
化学反应的一些概念也可以应用到生物系统中来。
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➢ 代谢：细胞内发生的所有化学反应的总和称代谢
when simultaneously(同时地) coupled to another process
which has a negative(负的) free energy change of
greater magnitude(量).
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Example : Oxidation-Reduction(氧化还原)
Oxidation: loses electrons,
CH3
dehydrogenation(脱氢作用) Reduction: addition of electrons, C O
hydrogenation(氢化作用)COOH
+ 2H - 2H
CH3 CHOH COOH
Proton(质子) is provided by some coenzymes(辅酶):
And most measured values of YX/S for aerobic growth on glucose are 0.38~0.51 g DW/g glucose. 以葡萄糖为唯一碳源时的好氧发酵过程，
YX/S = 0.38~0.51 g DW/g 葡萄糖
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§2 细胞生长动力学概述
YX/ATP≥10.5 gDW/ATP
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• 碳源+氮源 + 氧
△S + △N + △O2
S-S0
细胞 +产物+CO2+H2O
△X + △P + △CO2+△H2O
X-X0
细胞得率系数：即每消耗1g基质所生成的细 胞克数（Yx/s） 产物得率系数：即每消耗1g基质所生成的产物克数 (Yp/s)
➢ Regularity 规律
rS
dS dt
底物消耗速率 (kg m-3 h-1)
rP
dP dt
产物合成速率 (kg m-3 h-1)
dX Xdt
比生长速率 (h-1)
qS
dS Xdt
底物比消耗速率 (h-1)
qP
dP Xdt
产物比合成速率 (h-1)
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细胞生长动力学 (X)
细胞反应动力学
产物合成动力学 (P)
源自文库
底物消耗动力学 (S)
结构模型
最理想的模型
非
分 将细胞种群看成
离 是均一单一组分
模 型
的溶质
“Balance growth”
(Approximation)
Multicomponent(多成 分的) average cell description
“Average cell” (Approximation)
“Average cell” (Approximation)
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(b) Other Definitions(定义)
➢ The yield coefficients得率系数
YX S
X S
biomass produced mass of substrate consumed
c MWcell 1 MWsubstrate
YP S
P S
amount of product mass of substrate consumed
CH1.8O0.5N0.2
We postulate(假定) one mole of biological material would be defined as the amount containing one mole of
carbon, such as, CHON
Consider the following simplified biological conversion
Sulfur (S) Phosphorus (P)
Source CO2, Sugar, Proteins, fats Proteins, NH3, NO2Proteins, SO42PO43-
Hydrogen (H) Oxygen (O)
H2O, Medium components
➢ 产物合成
醇 (乙醇), 有机酸 (乳酸, 柠檬酸,氨酸酸),抗生素, 酶…… 这些物质的大量合成，对于微生物细胞的正常功能维 持可能是没有必要的或者是无用的，但对于人类却是 很有价值的。
Substrates
(ΔS1) (ΔS2 )
System:
Fixed Amount of Cell Material
Cells
(ΔX)
Products
(ΔP1)
(ΔSn )
(ΔPn )
Simplest Macroscopic (宏观的)View of Growth
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(a) 元素平衡
一个典型的细胞组成可以表示为：
小分子 合成代谢
大分子
分解代谢 —— 营养物的降解
C源 N源 P源 S源
分解代谢
小分子 能量
培养基
代谢产物
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➢ 培养基组成 = 营养物的降解
细胞为了生长和繁殖，必须消耗培养基中的营养成
分用于合成细胞壁，蛋白质，酶，脂肪等物质和细
胞构成单元。
元素的基本来源
Element
Carbon (C) Nitrogen (N)
决定细胞反应动力学的主要因素、现象及其相互关系
培养环境
细胞体
多组分
多组分
在 细液胞相生反长应的过程中，包含两个相互作用的 系细统胞：异质性
酸碱平衡
多反应体系
pH, T等变化
培液养体环流境变学变化
受基因调控
自适应细胞体
多相 (气、固、液)
随机性
空间的非均一性
遗传不稳定性
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培养环境 多组分 液相反应 酸碱平衡 pH, T等变化 液体流变学变化 多相 (气、固、液) 空间的非均一性