第七章细胞培养及动力学1
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• 因此，要对这样一个复杂的体系进行精确 的描述几乎是不可能的。为了工程上的应 用，首先要进行合理的简化，在简化的基 础上建立过程的模型。
• 要简化的内容有以下几点：
• ①微生物反应动力学是对细胞群体的动力 学行为进行描述。
• ②不考虑细胞之间的差别(Treated all cells as equivalent)，而是取其性质上的平均值。 （在此基础上建立的模型称为非确定论模 型Unsegregated）。
• ③在细胞的生长过程中，细胞内各种成分 视为以相同的比例增加，而且忽略环境的 变化对菌体组成的影响。
• 两个概念：均衡生长和非结构模型。
• 在细胞的生长过程中，如果细胞内各种成分均以 相同的比例增加，则称为均衡生长；那么非均衡 生长呢？细胞生长时胞内各组分增加的比例不同， 称为非均衡生长。
• 结构模型：细胞的组分是复杂的，有蛋白质、脂 肪、碳水化合物、核酸、维生素等，这些成分的 含量大小随环境条件的变化而变化。如果是在考 虑细胞组成变化的基础上建立的模型，则称为结 构模型，它能从机理描述细胞的动态行为。
Acid/base
Inlet Air Flow Exit Gas Flow Antifoam
Fresh Media Feed
Level Sensor pH Sensor
Dissolve O2 Sensor Thermocouple
Agitator Sparser
Exit Liquid Flow
• 多相指的是体系内常含有气相、液相和固相；
• 2、对碳的细胞得率Yc
• 考虑碳源基质时，无论是需氧还是厌氧培养， 宏观上碳源的一部分被同化为细胞组成物质， 其余部分分别被异化、分解为二氧化碳及其它 代谢产物。
• 为了表示由碳源同化为细胞组成物质过程的转 化效益，采用对碳的细胞得率Yc
生成细胞量 × 细胞含碳量
•
Yc= 基质消耗量 × 基质含碳量
• 研究化学计量学的目的是对反应过程进行控制和 优化，争取获得最大的经济收益。
• 微生物反应过程的计量学：
• 碳源（多种）+氮源（多种）+无机盐（多种）+有机生长因子（多种）
+水+氧气
细胞+主产物+副产物（多种）+二氧化碳
• 对于微生物反应过程，由于参加反应的组分多， 代谢途径错综复杂，同时微生物在生长，并且微 生物菌体也不能用摩尔—摩尔的对应关系表示其 计量关系。所以要用元素平衡的方法对微生物反 应进行计量，将是十分复杂和困难的。
第七章 细胞培养技术及动力学
Operation of bioreactor 反应器操作
1. Batch operation 间歇反应 Periods of operation for batch operation
1. Batch operation
2. Semi-continuous or fed-batch operation 半连续操作 3. Continuous operation 连续操作
7.2 微生物反应动力学的描述方法
wenku.baidu.com
•
细胞生长动力学
• 微生物反应动力学 反应基质消耗动力学
•
代谢产物生成动力学
• 1、模型的简化
• 细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学 过程。该过程既包括细胞内的生化反应，也包 括胞内与胞外的物质交换，还包括胞外的物质 传递及反应。该体系具有多相、多组分、非线 性的特点。
• 在结构模型中，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋 白质的含量作为过程的变量，将其表示为细胞组 成的函数。
•
•
Yc<1 一般在0.4~0.9左右的范围内。
• 3、对ATP生成的细胞得率YATP
• 微生物通过基质的氧化而获得细胞合成、物质代 谢、物质传递过程等生命活动所必需的能量。但 是它并不是利用了基质氧化的全部能量，而只有 在氧化反应中以生成ATP形式获得自由能，被微 生物生命活动所利用，其余部分作为反应热释放 到环境中。
• 工程上又不能回避这个问题，每一个工业化的微 生物反应过程都需要计量。
• 人们提出了一个相对简单的方法，就是引入得率 系数（Yield coefficients）的概念，作为描述微生 物反应中计量关系的宏观参数。
• 得率系数有以下几种定义：
• 1、对基质的细胞得率Yx/s (Monod提出的)
生成细胞的质量
△x
•
Yx/s=
消耗基质的质量
=
-△s
• 在分批培养时，培养基的组分在不断地变 化，因此在培养过程中细胞得率系数不能 视为常数，在某一瞬时的细胞得率称为微 分细胞得率（或者称为瞬时细胞得率）。
• 分批培养过程，总的细胞得率为：
•
Yx/s＝
xt - x0 s0 - st
• x0、s0：反应开始时细胞和基质浓度 • xt、st：反应结束时细胞和基质浓度
• 本章主要分析讨论间歇培养和连续培养这两 种基本方法，然后对其它培养方法进行扩展 讨论。
7.1 微生物反应过程的计量学
• 化学计量学：
• 是对化学反应的组成和化学反应转化程度的数量 化研究。 A+B C+D 元素平衡法
•
• 反应工程学 •
化学计量学 反应热力学 反应动力学
• 根据化学计量学，可知有关反应过程中各种反应 组分的数量关系。
• 多组分是指在培养液中有多种营养成分，有多种 代谢产物产生，在细胞内也具有不同生理功能的 大、中、小分子化合物；
• 非线性指的是细胞的代谢通常需用非线性方程来 描述。
• 同时，细胞的培养和代谢还是一个复杂的 群体的生命活动，通常每1ml培养液中含有 104~108个细胞，每个细胞都经历着生长、 成熟直至衰老的过程，同时还伴有退化、 变异。
• 据此，ATP的生成量和细胞生长量有关联，以异 化代谢过程中ATP的生成量作为细胞得率的基准。 YATP表示为：
碳源对菌体的得率
• YATP＝ 消耗1mol碳源由分解代谢产生ATP的摩尔数
• 根据大量实验发现，在厌氧培养时，YATP值与 微生物、基质的种类无关，基本上为常数， YATP=10
• Yield coefficients • Biomass / substrate: Yx/s = -△x / △s • Product / substrate: Yp/s = -△p / △s • Product / biomass: Yp/x = -△p / △x
• 要简化的内容有以下几点：
• ①微生物反应动力学是对细胞群体的动力 学行为进行描述。
• ②不考虑细胞之间的差别(Treated all cells as equivalent)，而是取其性质上的平均值。 （在此基础上建立的模型称为非确定论模 型Unsegregated）。
• ③在细胞的生长过程中，细胞内各种成分 视为以相同的比例增加，而且忽略环境的 变化对菌体组成的影响。
• 两个概念：均衡生长和非结构模型。
• 在细胞的生长过程中，如果细胞内各种成分均以 相同的比例增加，则称为均衡生长；那么非均衡 生长呢？细胞生长时胞内各组分增加的比例不同， 称为非均衡生长。
• 结构模型：细胞的组分是复杂的，有蛋白质、脂 肪、碳水化合物、核酸、维生素等，这些成分的 含量大小随环境条件的变化而变化。如果是在考 虑细胞组成变化的基础上建立的模型，则称为结 构模型，它能从机理描述细胞的动态行为。
Acid/base
Inlet Air Flow Exit Gas Flow Antifoam
Fresh Media Feed
Level Sensor pH Sensor
Dissolve O2 Sensor Thermocouple
Agitator Sparser
Exit Liquid Flow
• 多相指的是体系内常含有气相、液相和固相；
• 2、对碳的细胞得率Yc
• 考虑碳源基质时，无论是需氧还是厌氧培养， 宏观上碳源的一部分被同化为细胞组成物质， 其余部分分别被异化、分解为二氧化碳及其它 代谢产物。
• 为了表示由碳源同化为细胞组成物质过程的转 化效益，采用对碳的细胞得率Yc
生成细胞量 × 细胞含碳量
•
Yc= 基质消耗量 × 基质含碳量
• 研究化学计量学的目的是对反应过程进行控制和 优化，争取获得最大的经济收益。
• 微生物反应过程的计量学：
• 碳源（多种）+氮源（多种）+无机盐（多种）+有机生长因子（多种）
+水+氧气
细胞+主产物+副产物（多种）+二氧化碳
• 对于微生物反应过程，由于参加反应的组分多， 代谢途径错综复杂，同时微生物在生长，并且微 生物菌体也不能用摩尔—摩尔的对应关系表示其 计量关系。所以要用元素平衡的方法对微生物反 应进行计量，将是十分复杂和困难的。
第七章 细胞培养技术及动力学
Operation of bioreactor 反应器操作
1. Batch operation 间歇反应 Periods of operation for batch operation
1. Batch operation
2. Semi-continuous or fed-batch operation 半连续操作 3. Continuous operation 连续操作
7.2 微生物反应动力学的描述方法
wenku.baidu.com
•
细胞生长动力学
• 微生物反应动力学 反应基质消耗动力学
•
代谢产物生成动力学
• 1、模型的简化
• 细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学 过程。该过程既包括细胞内的生化反应，也包 括胞内与胞外的物质交换，还包括胞外的物质 传递及反应。该体系具有多相、多组分、非线 性的特点。
• 在结构模型中，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋 白质的含量作为过程的变量，将其表示为细胞组 成的函数。
•
•
Yc<1 一般在0.4~0.9左右的范围内。
• 3、对ATP生成的细胞得率YATP
• 微生物通过基质的氧化而获得细胞合成、物质代 谢、物质传递过程等生命活动所必需的能量。但 是它并不是利用了基质氧化的全部能量，而只有 在氧化反应中以生成ATP形式获得自由能，被微 生物生命活动所利用，其余部分作为反应热释放 到环境中。
• 工程上又不能回避这个问题，每一个工业化的微 生物反应过程都需要计量。
• 人们提出了一个相对简单的方法，就是引入得率 系数（Yield coefficients）的概念，作为描述微生 物反应中计量关系的宏观参数。
• 得率系数有以下几种定义：
• 1、对基质的细胞得率Yx/s (Monod提出的)
生成细胞的质量
△x
•
Yx/s=
消耗基质的质量
=
-△s
• 在分批培养时，培养基的组分在不断地变 化，因此在培养过程中细胞得率系数不能 视为常数，在某一瞬时的细胞得率称为微 分细胞得率（或者称为瞬时细胞得率）。
• 分批培养过程，总的细胞得率为：
•
Yx/s＝
xt - x0 s0 - st
• x0、s0：反应开始时细胞和基质浓度 • xt、st：反应结束时细胞和基质浓度
• 本章主要分析讨论间歇培养和连续培养这两 种基本方法，然后对其它培养方法进行扩展 讨论。
7.1 微生物反应过程的计量学
• 化学计量学：
• 是对化学反应的组成和化学反应转化程度的数量 化研究。 A+B C+D 元素平衡法
•
• 反应工程学 •
化学计量学 反应热力学 反应动力学
• 根据化学计量学，可知有关反应过程中各种反应 组分的数量关系。
• 多组分是指在培养液中有多种营养成分，有多种 代谢产物产生，在细胞内也具有不同生理功能的 大、中、小分子化合物；
• 非线性指的是细胞的代谢通常需用非线性方程来 描述。
• 同时，细胞的培养和代谢还是一个复杂的 群体的生命活动，通常每1ml培养液中含有 104~108个细胞，每个细胞都经历着生长、 成熟直至衰老的过程，同时还伴有退化、 变异。
• 据此，ATP的生成量和细胞生长量有关联，以异 化代谢过程中ATP的生成量作为细胞得率的基准。 YATP表示为：
碳源对菌体的得率
• YATP＝ 消耗1mol碳源由分解代谢产生ATP的摩尔数
• 根据大量实验发现，在厌氧培养时，YATP值与 微生物、基质的种类无关，基本上为常数， YATP=10
• Yield coefficients • Biomass / substrate: Yx/s = -△x / △s • Product / substrate: Yp/s = -△p / △s • Product / biomass: Yp/x = -△p / △x