细胞反应过程动力学

择性
列生化反应组
成
有效催化剂浓 不增殖 度
一般增殖
催化剂稳定性 失活
衰老、菌种退 化、质粒丢失
底物 单一，有时 需辅酶
副产物 少，较易纯 化
供氧 不重要
各种营养物质、 前体物质，自身 具备辅酶再生及 能量供应体系 多，纯化困难
对耗氧菌很重要
2.1.2 微生物反应动力学的描述方法
• 微生物反应动力学包括细胞生长动力学、 反应基质消耗动力学和代谢产物生成动力 学，其中细胞生长动力学是其核心。
CmHnOl+aO2+bNH3 底物碳源 氮源
cCHON+dCO2+eH2O 细胞
对C元素： 对H元素： 对O元素： 对N元素：
m c d
n 3 b c 2e
l 2a c 2d e
bHale Waihona Puke Baidu c
（1） （2） （3） （4）
上述4个细胞反应的计量方程，不足以计算a、b、 c、d、e等5个未知量，因而再寻找1个方程，如 在好氧型培养时，可定义呼吸商作为第5个方程
典型的微生物细胞的组成为 CH1.8O0.5N0.2。 例如
大肠杆菌细胞的化学组成（以干基计% ）
成分
含量
成分
含量
C
50
Na
1
H
20
Ca
0.5
O
8
Mg
0.5
N
14
Cl
0.5
P
3
Fe
0.2
S
1
其他
0.3
K
1
2.2.1 忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系
对忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系可表 示为
（2）细胞反应的比速率：单位时间内单位 菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速， 是生物反应中用于描述反应速度的常用概念（不 同反应间的对比，消除细胞量的效应）在细胞反 应中主要的反应的比速率有：
① 细胞的比生长速率
1 dCX rx
CX dt CX d ln Cx
dt
（1/h）
② 底物的比消耗速率
④ 产物生成速率
rP
dCP dt
式中 CP——产物浓度，（g/L）或（mol/L） ⑤ CO2生成速率
rCO2
dCCO2 dt
式中 CCO2——单位体积的培养液中CO2生成量， （g/L）或（mol/L）
⑥ 热量的生成速率
rH
dCH dt
式中 CH——单位体积的培养液中热量的生成量， （kJ/L）
qS
1 CX
dCS dt
rs CX
（1/h）或 （mol/g·h ）
③ 氧的比消耗速率
qO
1 CX
dCO dt
ro CX
（1/h）或 （mol/g·h ）
④ 产物的比生成速率
qP
1 CX
dCP dt
rp CX
（1/h）或 （mol/g·h ）
⑤ CO2的比生成速率
qCO2
1 CX
dCCO2 dt
YX / S
rX rS
dCX dCS
间歇培养的细胞对底物的总得率
YX / S
CX CX0 CS0 CS
② 细胞对氧的得率
生长的细胞的质量 YX / O 消耗的氧的质量
M X Mo
在间歇的培养过程中的细胞对氧的瞬时得率为
YX /O
rX rO
dCX dCO
③ 产物对底物的得率
YP / S
RQ d / a
（5）
联立1～5式，有
0 0 1 0 a m 0 3 0 2 b n
2
0
2
1
c
l
0 1 0 0 d 0
RQ
0
0
1
0
e
0
解得细胞反应方程的a、b、c、d、e等5个系数
2.2.2 细胞反应的化学平衡通式 底物用于转化为细胞的化学平衡式为
第二章 细胞反应动力学
2.1微生物反应过程概论
• 2.1.1微生物反应过程主要特征 • （1）微生物是该反应过程的主体 • （2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反
应体系 • （3）微生物反应是非常复杂的反应过程
复杂性表现
1. 代谢成网络化分布，并相互影响，无法完全了解 清楚
2. 反应体系中的细胞生长、基质消耗和产物生成， 三者的动力学规律既有联系，又有明显差别，且 有各自的最佳反应条件。
为了描述细胞培养过程的细胞质量、底物 质量、产物质量的变化关系，在细胞反应 动力学中用细胞反应的速率、细胞反应的 比速率、细胞反应的得率等来描述。其定 义分别如下：
（1）细胞反应的速率 表示为单位反 应体积、单位时间内的某一组分的量的变 化。在细胞反应中主要的反应的速率有：
① 细胞生长速率
rX
dCX dt
rCO2 CX
（1/h）或 （mol/g·h ）
⑥ 热量的比生成速率
qH
1 CX
dCH dt
rH CX
（kJ/g·h ）
（3）细胞反应的得率 ① 细胞对底物的得率
YX / S
生长的细胞的质量 消耗的底物的质量
M X M S
在间歇的培养过程中的细胞对底物的得率一般
是随着培养时间而变化的，即因随着培养的进行 培养基的营养成分的组成、细胞的活性是变化的， 所以瞬时的细胞对底物的得率可表示为
式中 CX——细胞浓度，（g/L） t——时间，（h）
细胞浓度通常用单位体积的培养液中的细胞
（或菌体）的干燥质量表示。细胞浓度一般用质 量单位表示，很难用摩尔单位表示。
② 底物消耗速率
rS
dCS dt
式中 CS——底物浓度，（g/L）或（mol/L） ③ 氧消耗速率
rO
dCO dt
式中 CO——单位体积的培养液中O2的消耗量， （g/L）或（mol/L）
生成的产物的质量 消耗的底物的质量
M P M S
在间歇的培养过程中的产物对底物的瞬时得率为
YP / S
rP rS
dCP dCS
④ 生成的热量对底物的得率
生成的热量
H
YH / S
消耗的底物的质量
M S
在间歇的培养过程中生成的热量对底物的瞬时得 率为
YH / S
rH rS
dCH dCS
2.2 细胞反应计量学 反应计量学是对反应物系的组成或反
应的程度的量化的研究。通过反应计量学 可以得到反应组成分的数量关系及变化规 律。
反应计量学
反应工程学的理论基础 反应热力学
反应动力学
微生物细胞化学组成的主要物质为C、H、 O、N，及P、S、K、Na等。
可将细胞以一般的化学物质的表达形 式写作CHON。
3. 时变性强，非线性 4. 无法准确计量、定量 5. 多相：气相、液相和固相 6. 多组分：培养基中多种营养成分，多种代谢产物，
细胞内也具有不同生理功能的大、中、小分子化 合物。 7. 复杂的群体性：同时存在不同生理特性、不同活 力的细胞群体。
与酶反应比较
催化剂
酶
微生物(细胞)
反应类型
单一，高度选 复杂，由一系