第五章 生物反应动力学
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YX/ATP≥10.5 gDW/ATP
12
• 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
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)
18
§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
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.
11
(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
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);
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.
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)
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
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
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 )
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
17
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
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
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。
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
4
➢ 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)
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。
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):
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
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
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
when simultaneously(同时地) coupled to another process
which has a negative(负的) free energy change of
greater magnitude(量).
7
Example : Oxidation-Reduction(氧化还原)
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)
24
细胞生长动力学 (X)
细胞反应动力学
产物合成动力学 (P)
底物消耗动力学 (S)
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。
3
➢ 代谢：细胞内发生的所有化学反应的总和称代谢
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
VR dt
20
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 )
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
14
§2 细胞生长动力学概述
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
Substrates
(ΔS1) (ΔS2 )
System:
Fixed Amount of Cell Material
Cells
(ΔX)
Products
(ΔP1)
(ΔSn )
ຫໍສະໝຸດ Baidu
(ΔPn )
Simplest Macroscopic (宏观的)View of Growth
9
(a) 元素平衡
一个典型的细胞组成可以表示为：
12
• 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
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)
18
§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
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.
11
(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
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);
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.
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)
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
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
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 )
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
17
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
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
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。
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
4
➢ 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)
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。
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):
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
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
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
when simultaneously(同时地) coupled to another process
which has a negative(负的) free energy change of
greater magnitude(量).
7
Example : Oxidation-Reduction(氧化还原)
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)
24
细胞生长动力学 (X)
细胞反应动力学
产物合成动力学 (P)
底物消耗动力学 (S)
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。
3
➢ 代谢：细胞内发生的所有化学反应的总和称代谢
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
VR dt
20
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 )
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
14
§2 细胞生长动力学概述
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
Substrates
(ΔS1) (ΔS2 )
System:
Fixed Amount of Cell Material
Cells
(ΔX)
Products
(ΔP1)
(ΔSn )
ຫໍສະໝຸດ Baidu
(ΔPn )
Simplest Macroscopic (宏观的)View of Growth
9
(a) 元素平衡
一个典型的细胞组成可以表示为：