li細胞生長及代謝過程動力學

李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering生物化學工程基礎

BiochemicalEngineering李強化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering一個問題(以生成菌體為例)總得率總收率？＝李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering細胞生長及代謝過程動力學李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering本節(jié)課主要內容

4.1細胞生長的特點、描述方法4.2分批培養(yǎng)中細胞的生長

4.3分批培養(yǎng)中細胞生長動力學4.4分批培養(yǎng)中基質的消耗動力學

4.5分批培養(yǎng)中產物的生成動力學李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering生物培養(yǎng)體系的特點反應途徑復雜反應物（基質）成分復雜生成的產物(菌體、目的產物、副產物)復雜體系復雜（多相體系）反應過程體系成分變化對生物反應進行定量研究的基礎是生物反應動力學。李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering什么是動力學生物過程動力學研究的主要問題:*細胞生長的速率*基質消耗的速率*代謝產物的生成速率。定量地描述速率隨時間的變化規(guī)律以及與影響過程速率諸因素的關系。李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering動力學表述的形式真養(yǎng)產堿桿菌代謝曲線李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering4.1細胞生長的特點、描述方法

細胞的培養(yǎng)和代謝是一個復雜的群體的生命活動，通常每毫升培養(yǎng)液中含104～108個細胞。細胞都經歷新生、成長、成熟直至衰老的過程。李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering微生物的生長形式李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering均衡生長模型

通常簡稱為：均衡生長模型。不考慮細胞內部的結構(組分)，不考慮各種細胞之間的差異，將細胞看成一種“溶質”.李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering4.2分批培養(yǎng)中細胞的生長細胞的批式培養(yǎng)

間歇的、非穩(wěn)態(tài)過程。???細胞濃度、基質濃度、產物濃度、均不斷發(fā)生變化。物質交換：通氣（好氧）加入酸堿溶液調節(jié)培養(yǎng)液的pH，補加營養(yǎng)物質排出廢氣(包括二氧化碳)是一種最簡單、應用最廣泛的基本培養(yǎng)方式。李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering添加大標題(d)Deathphase:cellsbegintodieLagPhaseLogarithmicgrowthphaseStationaryPhaseDeathPhase批式培養(yǎng)菌體生長時變曲線(a)

Lagphase:cellsbegintosynthesizeinducibleenzymes.(b)

Logarithmicgrowthphase:thespecificgrowth

rateofmultiplicationisconstant.(c)

Stationaryphase:deathrateisequaltorateofincrease.停滯期（延遲期）快速生長期穩(wěn)定期死亡（衰亡）期李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering4.2.1延遲期細胞濃度的增加不明顯。適應新培養(yǎng)環(huán)境。細胞須合成有關酶來利用該營養(yǎng)物質。種子年輕延遲期較短，種齡較老的種子延遲期較長。不同培養(yǎng)條件下的種子影響延遲期同樣種齡的種子，接種量愈大則延遲期愈短。李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering接種量對延遲期的影響限制性基質濃度s0一定，細胞初濃度X0不同；延遲期李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering4.2.2快速生長期細胞濃度隨培養(yǎng)時間快速增長，稱為指數(shù)生長期(快速生長期)。培養(yǎng)液中的細胞濃度愈大，細胞濃度的增長速率也就愈大。李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering4.2.3靜止期細胞濃度不再增大，達到最大值原因：

營養(yǎng)物質耗盡或有害物質的大量積累營養(yǎng)物質的供給不足以使得生物生長

人為控制生長停止細胞死亡速率等于生長速率

李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering4.2.4衰亡期細胞死亡成了主要因素，活細胞濃度不斷下降。

生產過程在進入衰亡期之前結束。李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering4.3細胞生長動力學其中

X

——

細胞濃度t——

培養(yǎng)時間；μ——

比生長速率，時間-1。比生長速率的定義（specificgrowth

rate

）：μ

比生長速率μ與細胞種類、培養(yǎng)溫度、pH、培養(yǎng)基組成和限制性基質濃度等因素有關。李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering其它比速率定義其它比速率的定義：當n為X（細胞濃度）時：比生長速率當n為S（基質濃度）時：比消耗速率當n為P（產物濃度）時：比生成速率。。。。。。。。。李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering生長動力學數(shù)學表達式

在快速生長期，比生長速率達到最大值μm，為常數(shù)μ＝常數(shù)？

t1時的細胞濃度為X1，則t2時的細胞濃度X2為：or李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering倍增時間

細胞濃度增長一倍所需時間稱為倍增時間(doublingtime)或增代時間(代時)(generationtime)。估算式為：微生物細胞的倍增時間較短。

細菌一般為0.75-1h，酵母菌約為0.6-2h;霉菌約為2-8h。動植物細胞的倍增時間較長。

哺乳動物細胞一般為15-100h；植物細胞約為24-74h。李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering4.3.1單基質限制的生長動力學當培養(yǎng)液只有一種限制性基質S時

限制≠抑制其中：μm

—最大比生長速率，s-1

S—限制性基質濃度，mol/m3

Ks

—飽和常數(shù)（Monod常數(shù)），mol/m3

表示細胞生長對限制性基質攝取能力的程度，數(shù)值上為比生長速率為最大比生長速率一半時的基質濃度。orMonod方程李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering一些細胞的飽和常數(shù)（Monod常數(shù)）細胞限制性基質Ks×10-3kg/m3大腸桿菌葡萄糖0.068甘露醇2.0乳酸20PO43-1.6曲霉葡萄糖5.0假絲酵母甘油4.5氧0.45酵母葡萄糖25假單胞菌甲醇0.7甲烷0.4克雷伯氏菌二氧化碳0.4Mg2+0.59K+0.39SO42-2.7煙草細胞葡萄糖250果糖940李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering生長模型的分析當S>>Ks通常S>10×Ks

μ≈μm=常數(shù)當S<<Ks通常10×S<Ks

李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering4.3.2動力學模型的修正

細胞濃度較高時，傳質受到限制，影響了細胞對基質的攝取，生長受到影響。怎樣修正來體現(xiàn)高濃度菌體的影響？Contois方程李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering4.4分批培養(yǎng)中基質的消耗動力學

在分批培養(yǎng)時，基質的減少（消耗）走向？生成細胞（細胞生長）產物生成維持代謝李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering限制性基質消耗的物料衡算？李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering基質消耗動力學表達式同理：基質消耗動力學表達式：李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering各種比速率之間的關系李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering4.5分批培養(yǎng)中產物的生成動力學分三種情況：1）產物生成只跟菌體生長速度有關（乙醇發(fā)酵）2）產物生成跟菌體生長速度無關，只跟菌體的濃度有關

（抗生素發(fā)酵）3）跟菌體生長速度和菌體的濃度都有關（乳酸和檸檬酸發(fā)酵）其中：P

——產物濃度

YP/X

（α）——產物對于細胞的得率系數(shù)。產物生成動力學：第一種李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering第二種產物生成動力學：第三種產物生成動力學：李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering分批培養(yǎng)中產物生成與細胞生長的關系與生長相關；

(b)與生長部分相關；

(c)與生長不相關

生長耦聯(lián)型混合生長耦聯(lián)型非生長耦聯(lián)型李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering動力學模型匯總本征得率系數(shù)表觀得率系數(shù)李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering生物培養(yǎng)過程動力學最重要的是？菌體生長動力學李強

化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎BiochemicalEngineering作業(yè)三

1.面包酵母發(fā)酵生產單