细胞反应动力学概要
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第2章 细胞反应动力学
2.1 细胞反应概论
2.2 细胞反应计量学
2.3 细胞反应动力学的非结构模型
2.4 底物消耗与产物生成动力学 2.5 细胞反应动力学的结构模型
2.6 描述细胞群体反应动力学的分离模型
总结
2.1 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
酶活性调控包括激活和抑制 酶合成调控包括诱导和阻遏
2.2 细胞反应计量学
2.2.1 细胞反应的元素衡算方程
碳源＋氮源＋氧＝菌体＋有机产物＋CO2＋H2O
CHmOn aO2 bNH3 cCHαOβ Nδ dCH xO y N z eH2O fCO2
菌体（细胞）浓度，干菌体质量浓度：kg/m3
（1）对底物的细胞得率YX/S
YX / S
生成细胞的质量 mX 消耗底物的质量 mS
微分细胞得率YX/S ＝ rX/rS
总细胞得率YX / S
c Xt c Xo cSo cSt
（2）对碳的细胞得率YC
生成细胞量 细胞含碳量 mX X X YC YX / S 消耗底物量 底物含碳量 mS S S
YX / S
YATP / S 10YATP / S YX / ATP Ms Ms
（6）理论得率和表观得率(宏观得率)
mX mX mST mSG mSR
YX / S
Y
m X /S
mX mSG
（6）得率系数与计量系数
CHmOn aO2 bNH3 cCHαOβ Nδ dCH xO y N z eH2O fCO2
三、细胞反应过程的主要特征
1. 细胞是反应的主体。 2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。 3. 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同。
a. 酶催化为分子水平，酶本身不进行再生产 b. 细胞反应是细胞与分子之间，反应的同时细胞也得到 生长。 c. 整个过程中，细胞要经历生长、繁殖、维持和死亡等 不同阶段。
葡萄糖：
C6H12O6 aO2 bNH3 cC4.4H7.3O0.86 N1.2 dH 2O eCO2
二、微生物细胞的性质
细胞的基本特征
（1）组成 细胞的元素组成主要由C，H，O，N四种元素，约占细胞质量的90% （2）形状 细胞形态的不同对细胞的生长反应产生的主要影响： •影响细胞的生长速率 •影响细胞承受剪切力的能力 •影响物质的传递速率 （3）大小 0.1～10微米,在生物反应工程中,通常要考虑细胞微小的这一特性
主动输送：逆着浓度差的方向进行，除了要借助于载体蛋 白外，还要消耗细胞的代谢能。
胞内代谢调控
代谢调控的实质就是把细胞内的所有的酶组 织起来,通过活化某些酶,抑制另一些酶,甚至 出现一些新的酶,去掉某些原有的酶,以使整 个代谢过程适应细胞生理活动的需要. 胞内酶调控的重要机制:酶活性调控(反应水 平)和酶合成调控(基因水平)
真实情况 简化模型
多相体系（气液固） 均一化模型：细胞和基 质均视为液相 细胞多组分 均衡生长模型：细胞各 细胞生长不均一 组分按相同比率增加 确定论模型：忽略个体 差异，取平均值。
物质的跨膜输送
简单扩散：扩散速率与膜两侧的浓度差成正比 促进扩散：扩散速率与膜两侧的浓度差不成正比；要求细 胞提供载体蛋白来促进跨膜输送
1
c b
s
d p
s
4a
s
b p
例：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.
2.2.2 细胞反应过程的得率系数
得率系数：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1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或 称生长得率Yx/s (cell yield或growth yield)。
（3）以氧消耗为基准的细胞得率
生成细胞的质量 mX 消耗氧的质量 mO
YX / O
（4）以有效电子数为基准的细胞得率YaveYave
YX / S 细胞质量 g / mol 底物的有效电子数 Yave / S
（5）对能量的细胞得率YC
YATP mX YX / S M S g / m ol nATP YATP / S
一 优点：能分泌有用物质，改良生产品种；生长速率快； 条件温和；兼cat与产品一体。 二 缺点：稀溶液。同化作用，提纯难；复杂反应影响产 品质量；遗传变异难稳定；纯培养 要解决的两个基本问题：各种物料和能量的数量比例关系及反 应过程速率的问题。前者涉及的是反应计量学，后者是反应过
程动力学。
四、模型的简化
有单一胞外产物：
CHmOn aO2 bNH3 cCHαOβ Nδ dCH xO y N z eH2O fCO2
细胞： γb＝4 + α － 2β － 3δ 底物： γs＝4 + m － 2n 产物： γp＝4 + x － 2y － 3z 有效电子平衡方程： γs － 4a＝cγb + dγp
百度文库重点
呼吸商[Respiratory Quotient]（RQ）：
重点
CO2产生速率 RQ O2消耗速率
还原度（γ）：某一化合物的还原度为该组分中每一个碳原 子的有效电子当量数，所谓有效电子当量数指化合物氧化成 CO2、H2O和NH3时所传递给氧的电子数。在一化合物中， 任何元素的还原度等于该元素的化合价。细胞的还原度近似 为一常数。
YX / S MX c MS MX c MO a M Pd MS
YX / O YP / S
[例2-1] 假设通过实验测定，反应底物十六烷烃和 葡萄糖中有2/3的碳转化为细胞中的碳， (1)计算下述反应的计量系数 十六烷烃：
C16 H34 aO2 bNH3 cC4.4H7.3O0.86N1.2 dH 2O eCO2
2.1 细胞反应概论
2.2 细胞反应计量学
2.3 细胞反应动力学的非结构模型
2.4 底物消耗与产物生成动力学 2.5 细胞反应动力学的结构模型
2.6 描述细胞群体反应动力学的分离模型
总结
2.1 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
酶活性调控包括激活和抑制 酶合成调控包括诱导和阻遏
2.2 细胞反应计量学
2.2.1 细胞反应的元素衡算方程
碳源＋氮源＋氧＝菌体＋有机产物＋CO2＋H2O
CHmOn aO2 bNH3 cCHαOβ Nδ dCH xO y N z eH2O fCO2
菌体（细胞）浓度，干菌体质量浓度：kg/m3
（1）对底物的细胞得率YX/S
YX / S
生成细胞的质量 mX 消耗底物的质量 mS
微分细胞得率YX/S ＝ rX/rS
总细胞得率YX / S
c Xt c Xo cSo cSt
（2）对碳的细胞得率YC
生成细胞量 细胞含碳量 mX X X YC YX / S 消耗底物量 底物含碳量 mS S S
YX / S
YATP / S 10YATP / S YX / ATP Ms Ms
（6）理论得率和表观得率(宏观得率)
mX mX mST mSG mSR
YX / S
Y
m X /S
mX mSG
（6）得率系数与计量系数
CHmOn aO2 bNH3 cCHαOβ Nδ dCH xO y N z eH2O fCO2
三、细胞反应过程的主要特征
1. 细胞是反应的主体。 2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。 3. 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同。
a. 酶催化为分子水平，酶本身不进行再生产 b. 细胞反应是细胞与分子之间，反应的同时细胞也得到 生长。 c. 整个过程中，细胞要经历生长、繁殖、维持和死亡等 不同阶段。
葡萄糖：
C6H12O6 aO2 bNH3 cC4.4H7.3O0.86 N1.2 dH 2O eCO2
二、微生物细胞的性质
细胞的基本特征
（1）组成 细胞的元素组成主要由C，H，O，N四种元素，约占细胞质量的90% （2）形状 细胞形态的不同对细胞的生长反应产生的主要影响： •影响细胞的生长速率 •影响细胞承受剪切力的能力 •影响物质的传递速率 （3）大小 0.1～10微米,在生物反应工程中,通常要考虑细胞微小的这一特性
主动输送：逆着浓度差的方向进行，除了要借助于载体蛋 白外，还要消耗细胞的代谢能。
胞内代谢调控
代谢调控的实质就是把细胞内的所有的酶组 织起来,通过活化某些酶,抑制另一些酶,甚至 出现一些新的酶,去掉某些原有的酶,以使整 个代谢过程适应细胞生理活动的需要. 胞内酶调控的重要机制:酶活性调控(反应水 平)和酶合成调控(基因水平)
真实情况 简化模型
多相体系（气液固） 均一化模型：细胞和基 质均视为液相 细胞多组分 均衡生长模型：细胞各 细胞生长不均一 组分按相同比率增加 确定论模型：忽略个体 差异，取平均值。
物质的跨膜输送
简单扩散：扩散速率与膜两侧的浓度差成正比 促进扩散：扩散速率与膜两侧的浓度差不成正比；要求细 胞提供载体蛋白来促进跨膜输送
1
c b
s
d p
s
4a
s
b p
例：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.
2.2.2 细胞反应过程的得率系数
得率系数：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1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或 称生长得率Yx/s (cell yield或growth yield)。
（3）以氧消耗为基准的细胞得率
生成细胞的质量 mX 消耗氧的质量 mO
YX / O
（4）以有效电子数为基准的细胞得率YaveYave
YX / S 细胞质量 g / mol 底物的有效电子数 Yave / S
（5）对能量的细胞得率YC
YATP mX YX / S M S g / m ol nATP YATP / S
一 优点：能分泌有用物质，改良生产品种；生长速率快； 条件温和；兼cat与产品一体。 二 缺点：稀溶液。同化作用，提纯难；复杂反应影响产 品质量；遗传变异难稳定；纯培养 要解决的两个基本问题：各种物料和能量的数量比例关系及反 应过程速率的问题。前者涉及的是反应计量学，后者是反应过
程动力学。
四、模型的简化
有单一胞外产物：
CHmOn aO2 bNH3 cCHαOβ Nδ dCH xO y N z eH2O fCO2
细胞： γb＝4 + α － 2β － 3δ 底物： γs＝4 + m － 2n 产物： γp＝4 + x － 2y － 3z 有效电子平衡方程： γs － 4a＝cγb + dγp
百度文库重点
呼吸商[Respiratory Quotient]（RQ）：
重点
CO2产生速率 RQ O2消耗速率
还原度（γ）：某一化合物的还原度为该组分中每一个碳原 子的有效电子当量数，所谓有效电子当量数指化合物氧化成 CO2、H2O和NH3时所传递给氧的电子数。在一化合物中， 任何元素的还原度等于该元素的化合价。细胞的还原度近似 为一常数。
YX / S MX c MS MX c MO a M Pd MS
YX / O YP / S
[例2-1] 假设通过实验测定，反应底物十六烷烃和 葡萄糖中有2/3的碳转化为细胞中的碳， (1)计算下述反应的计量系数 十六烷烃：
C16 H34 aO2 bNH3 cC4.4H7.3O0.86N1.2 dH 2O eCO2