細胞工程導論

1、細胞工程導論教師：齊念民（教授） 本節(jié)主講： 李巍巍 n推薦參考書：生物反應工程原理：賈士儒 生物反應器工程 ： 張元興，許學書編著 物理化學： 重慶大學物理化學教研室編 基礎化學工程 ： 江體乾 n在交大圖書館主頁選擇電子圖書后，進入超星百萬，搜索“生物反應”即可找到相關參考書Introduction1細胞反應過程動力學3酶反應動力學2Introduction生物技術生物化學工程生物反應工程細胞生物學生物化學化學工程化學工程細胞工程Introductionn生物技術由于在解決人類所面臨的食品，資源，環(huán)境和健康等諸多挑戰(zhàn)中發(fā)揮著巨大的作用，被世界各國視為21世紀最重要的高新技術。n生物技術是指

2、應用自然科學和工程學的原理，依靠生物催化劑的作用，將物料進行加工以提供產(chǎn)品或為社會服務的技術。Introduction生物反應工程的歷史與展望n幾千年前，釀酒，生產(chǎn)醬油，食醋n1857 pasteur首次證明酒精發(fā)酵是由酵母引起的，而酵母是活的細胞，人類控制微生物反應的時期。n20th 40s 高效通氣攪拌供氧技術，無菌空氣過濾技術，大型反應器滅菌技術等，青霉素為代表的微生物發(fā)酵工業(yè)進入新時期。n現(xiàn)代，分子生物學，基因工程，電子計算機，高分子工程，材料工程等的發(fā)展，生物反應工程進入了飛速發(fā)展的時期。Introduction生物催化劑原材料生物反應器產(chǎn)品Introductionn根據(jù)生物催化劑的

3、不同特性，生物反應過程可分為酶催化反應過程，微生物細胞反應過程和動植物細胞反應過程。Introductionn生物反應工程是化學反應工程原理與生物反應工藝過程有機結(jié)合的產(chǎn)物，是解決與生物反應過程的設計和操作相關的工程技術問題的學科，是生物化學工程的主要分支之一。n生物反應工程是一門以生物反應動力學為基礎，研究生物反應器的設計，放大和生物反應過程的優(yōu)化操作與控制的學科。n生物反應工程在生物技術的各個領域，特別是生物反應器的選型與設計，操作技術，生物過程的開發(fā)和優(yōu)化等方面具有不可缺少的作用。Introductionn生物反應工程研究的是以工業(yè)規(guī)模進行的生物反應的規(guī)律。它的主要內(nèi)容可以分為兩大部分：

4、生物反應動力學 生物反應器的設計，優(yōu)化與放大Introductionn生物反應動力學研究生物反應過程的影響速率及其因素，它是生物反應工程學的理論基礎之一。本征動力學：微觀動力學沒有傳遞等工程因素影響時，生物反應固有的速率。宏觀動力學：反應器動力學反應器內(nèi)觀測到的總反應速率與影響因素的關系，反應器的傳熱，傳質(zhì)，物料的流動與混合，反應器的型式和結(jié)構(gòu)及操作方式。Introductionn細胞反應動力學，從不同的研究角度，有不同的動力學模型。 單組分 非結(jié)構(gòu)模型 多組分 結(jié)構(gòu)模型 考慮個體細胞差異 統(tǒng)計模型 不考慮個體細胞差異 非統(tǒng)計模型 均勻分散 均相模型 不均勻分散 非均相模型Introducti

5、onn生物反應器的設計，優(yōu)化與放大 生物反應器是生物反應的核心設備。要求它能為進行各種生物反應過程提供良好的反應環(huán)境和條件。 生物反應器的設計：反應器的型式，結(jié)構(gòu)，和操作方式，以及反應器幾何尺寸的確定。 生物反應器的優(yōu)化：包括優(yōu)化操作和優(yōu)化設計。 生物反應器的放大：實驗室規(guī)模的研究結(jié)果放大到工業(yè)規(guī)模的生物反應器中進行的技術。IntroductionIntroductionn學習本課程的目的 使用微生物學，生物化學和化工原理等基礎知識，并進一步深化提高，以認識與解決生物反應過程中的實際問題，掌握生物反應工程的基本概念及技能，具有從反應速率著手定性或定量討論生物反應過程的初步能力。均相酶反應動力學

6、n酶是生命活動的基礎，是生物生命活動的“推動機”，酶促反應是生物反應的核心，它的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)。n均相酶反應，系指酶與反應物處于同一相-液相的酶催化反應，因此它不存在相間的物質(zhì)傳遞。均相酶反應動力學所描述的反應速率與反應物的基本關系，反映了該反應過程的本征動力學關系，它的作用在于闡明酶反應的機理。均相酶反應動力學n酶反應的基本特征 幾乎所有生物的生理現(xiàn)象都與酶的作用密切相關。均相酶反應動力學n酶的催化共性 酶能參與生物化學反應，降低反應的活化能，加快生化反應的速率；但它不改變反應的方向和平衡關系，即反應的平衡常數(shù)。 動力學與熱力學 酶在反應過程中，其立體結(jié)構(gòu)和離子價態(tài)可能發(fā)生某種變化，但在反

7、應結(jié)束時，一般酶本身并不消耗。均相酶反應動力學n酶的催化特性 高效性 專一性：絕對專一性與相對專一性 需要輔助因子的參與； 溫和的反應條件； 酶易變性與失活。 此外，酶作為催化劑，提取工藝繁瑣，成本昂貴，目前大多數(shù)酶只能在水溶液中進行反應。均相酶反應動力學n單底物酶反應動力學 酶的活性中間復合物假說（酶底復合物假說）PSE11ESESkkPEk2均相酶反應動力學dtdnVrsS1dtdnVrPP111ESESkkPEk22ESPckr反應過程中，酶的濃度保持恒定， 酶的濃度遠遠小于底物濃度，產(chǎn)物濃度很低，可忽略抑制作用，且無逆反應4. 生成產(chǎn)物的速率要慢于底物與酶生成復合物的可逆反應速率，生成

8、復合物的可逆反應達到平衡狀態(tài)均相酶反應動力學nMichaelis-Menten 方程 米式方程 “平衡”假設 “擬穩(wěn)態(tài)”假設sssPKccrrmaxmssPKccrrmax11ESESSCCCkkK12121kkKkkkKsm均相酶反應動力學nMichaelis-Menten 方程 重要意義 提供了一個極為重要的酶促反應動力學常數(shù)KM，并通過KM表達了酶促反應的性質(zhì)，反應條件和反應速率之間的關系。 )21(maxrrsKPm均相酶反應動力學nMichaelis-Menten 方程 動力學特征Prmax21rPrmaxrmsKc msKc othermsPKcrrmaxmaxrrPmSEESKC

9、CC均相酶反應動力學nMichaelis-Menten 方程 參數(shù)求解均相酶反應動力學n反應條件對酶反應速率的影響 內(nèi)部因素：酶的結(jié)構(gòu)特性和底物的結(jié)構(gòu)特性； 外部因素：物質(zhì)的濃度（酶，底物和產(chǎn)物，抑制劑） 操作條件 （溫度，壓力，PH等）均相酶反應動力學n反應條件對酶反應速率的影響 pH均相酶反應動力學n反應條件對酶反應速率的影響 溫度)/exp(2RTEAka細胞反應過程動力學n細胞反應系指以細胞為其反應主體的一類生物反應過程。包括微生物反應與動植物細胞反應過程。1. 細胞是反應過程的主體。2. 細胞反應過程的本質(zhì)是復雜的酶催化反應體系。細胞內(nèi)的代謝作用正是由無數(shù)錯綜復雜的酶促反應來完成的。

10、3. 細胞反應與酶催化反映的區(qū)別 酶：分子水平 酶自身不進行再生產(chǎn) 細胞： 細胞與分子 細胞本身處于動態(tài)變化細胞反應過程動力學n以上因素，造成了描述，控制和開發(fā)細胞反應過程的復雜性。要對細胞反應過程進行量化分析，必須要解決兩個基本問題： 1）反應過程中各種物料和能量的數(shù)量比例 反應計量學 2）反應過程的速率問題 反應過程動力學細胞反應過程動力學n細胞反應過程計量學是對反應物的組成和反應轉(zhuǎn)化程度的數(shù)量化研究。它與反應熱力學和反應動力學一起構(gòu)成了反應工程學的基礎。 然而，對于細胞反應過程，要用標以正確系數(shù)的反應方程式表示由反應組分組成的培養(yǎng)基轉(zhuǎn)化為生成物的反應幾乎是不可能的。細胞反應過程動力學n細

11、胞反應的元素衡算方程 對C,H,O,N做元素平衡 加入呼吸商RQ 2232eCOOdHNOcCHbNHaOOCHnm細胞反應過程動力學 細胞反應過程動力學 細胞工程導論Review2應用舉例4生物反應中的傳遞過程2Introduction生物技術生物化學工程生物反應工程細胞生物學生物化學化學工程化學工程細胞工程Introduction生物催化劑原材料生物反應器產(chǎn)品Introductionn根據(jù)生物催化劑的不同特性，生物反應過程可分為酶催化反應過程，微生物細胞反應過程和動植物細胞反應過程。Introductionn生物反應工程是化學反應工程原理與生物反應工藝過程有機結(jié)合的產(chǎn)物，是解決與生物反應過

12、程的設計和操作相關的工程技術問題的學科，是生物化學工程的主要分支之一。n生物反應工程是一門以生物反應動力學為基礎，研究生物反應器的設計，放大和生物反應過程的優(yōu)化操作與控制的學科。n生物反應工程在生物技術的各個領域，特別是生物反應器的選型與設計，操作技術，生物過程的開發(fā)和優(yōu)化等方面具有不可缺少的作用。Introductionn生物反應工程研究的是以工業(yè)規(guī)模進行的生物反應的規(guī)律。它的主要內(nèi)容可以分為兩大部分：生物反應動力學 生物反應器的設計，優(yōu)化與放大均相酶反應動力學n酶是生命活動的基礎，是生物生命活動的“推動機”，酶促反應是生物反應的核心，它的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)。n均相酶反應，系指酶與反應物處于同

13、一相-液相的酶催化反應，因此它不存在相間的物質(zhì)傳遞。均相酶反應動力學所描述的反應速率與反應物的基本關系，反映了該反應過程的本征動力學關系，它的作用在于闡明酶反應的機理。均相酶反應動力學n酶的催化共性 酶能參與生物化學反應，降低反應的活化能，加快生化反應的速率；但它不改變反應的方向和平衡關系，即反應的平衡常數(shù)。 動力學與熱力學 酶在反應過程中，其立體結(jié)構(gòu)和離子價態(tài)可能發(fā)生某種變化，但在反應結(jié)束時，一般酶本身并不消耗。均相酶反應動力學n酶的催化特性 高效性 專一性：絕對專一性與相對專一性 需要輔助因子的參與； 溫和的反應條件； 酶易變性與失活。 此外，酶作為催化劑，提取工藝繁瑣，成本昂貴，目前大多

14、數(shù)酶只能在水溶液中進行反應。均相酶反應動力學n單底物酶反應動力學 酶的活性中間復合物假說（酶底復合物假說）PSE11ESESkkPEk2均相酶反應動力學dtdnVrsS1dtdnVrPP111ESESkkPEk22ESPckr反應過程中，酶的濃度保持恒定， 酶的濃度遠遠小于底物濃度，產(chǎn)物濃度很低，可忽略抑制作用，且無逆反應4. 生成產(chǎn)物的速率要慢于底物與酶生成復合物的可逆反應速率，生成復合物的可逆反應達到平衡狀態(tài)均相酶反應動力學nMichaelis-Menten 方程 米式方程 “平衡”假設 “擬穩(wěn)態(tài)”假設sssPKccrrmaxmssPKccrrmax11ESESSCCCkkK12121kk

15、KkkkKsm均相酶反應動力學nMichaelis-Menten 方程 動力學特征Prmax21rPrmaxrmsKc msKc othermsPKcrrmaxmaxrrPmSEESKCCC均相酶反應動力學nMichaelis-Menten 方程 參數(shù)求解均相酶反應動力學n反應條件對酶反應速率的影響 內(nèi)部因素：酶的結(jié)構(gòu)特性和底物的結(jié)構(gòu)特性； 外部因素：物質(zhì)的濃度（酶，底物和產(chǎn)物，抑制劑） 操作條件 （溫度，壓力，PH等）細胞反應過程動力學n細胞反應系指以細胞為其反應主體的一類生物反應過程。包括微生物反應與動植物細胞反應過程。1. 細胞是反應過程的主體。2. 細胞反應過程的本質(zhì)是復雜的酶催化反應

16、體系。細胞內(nèi)的代謝作用正是由無數(shù)錯綜復雜的酶促反應來完成的。3. 細胞反應與酶催化反映的區(qū)別 酶：分子水平 酶自身不進行再生產(chǎn) 細胞： 細胞與分子 細胞本身處于動態(tài)變化細胞反應過程動力學n以上因素，造成了描述，控制和開發(fā)細胞反應過程的復雜性。要對細胞反應過程進行量化分析，必須要解決兩個基本問題： 1）反應過程中各種物料和能量的數(shù)量比例 反應計量學 2）反應過程的速率問題 反應過程動力學細胞反應過程動力學n細胞反應過程計量學是對反應物的組成和反應轉(zhuǎn)化程度的數(shù)量化研究。它與反應熱力學和反應動力學一起構(gòu)成了反應工程學的基礎。 然而，對于細胞反應過程，要用標以正確系數(shù)的反應方程式表示由反應組分組成的培

17、養(yǎng)基轉(zhuǎn)化為生成物的反應幾乎是不可能的。細胞反應過程動力學n細胞反應的元素衡算方程 對C,H,O,N做元素平衡 加入呼吸商RQ 2232eCOOdHNOcCHbNHaOOCHnm細胞反應過程動力學n單一胞外代謝產(chǎn)物的細胞反應的元素衡算方程 對C,H,O,N做元素平衡 加入呼吸商RQ 加入還原度 2232fCOOeHNOdCHNOcCHbNHaOOCHzyxnm細胞反應過程動力學 細胞反應過程動力學n得率系數(shù) 由于細胞反應是一個復雜的網(wǎng)絡反應，要建立嚴格的元素衡算方程十分困難，于是，為了簡化研究，提出了得率系數(shù)的概念。n得率系數(shù)的定義：BAY/BABAccmm細胞反應過程動力學n得率系數(shù)的應用：

18、（1） 對底物的細胞得率： （2） 對碳的細胞得率： （3） 對能量的細胞得率： SXY/OXY/SPY/ATPYCY細胞反應過程動力學n得率系數(shù)的應用： （4） 宏觀得率與微觀得率： （5） 得率系數(shù)與計量系數(shù)： 如果。化學反應方程式能夠配平SXY/*/SXYSXY/cMMSX細胞反應過程動力學n例：計算下列反應的計量系數(shù)： 反應過程中，2/3的碳轉(zhuǎn)化為細胞中的碳 222 . 186. 03 . 74 . 4326126eCOOdHNOHcCbNHaOOHC細胞反應過程動力學n細胞生長動力學： 為了工程上的應用，在合理簡化的基礎上建立數(shù)學模型。 非結(jié)構(gòu)模型 簡化內(nèi)容： 1. 細胞反應動力學是

19、對細胞群體的動力學行為的描述，而不是對單一細胞進行描述。 2. 不考慮細胞間的差別，而是取其性質(zhì)上的平均值。 3. 視細胞為單組分，環(huán)境變化對細胞組成的影響可以忽略。 4. 把細胞與培養(yǎng)液視為一項或兩項 細胞反應過程動力學n反應速率（絕對速率） 表示單位時間，單位反應體積某一組分的變化量。 n反應速率的定義：ArdtdctcAA細胞反應過程動力學n反應速率的應用： Sr2OrPr2COrVHr細胞反應過程動力學n比反應速率 表示單位時間，單位反應體積某一組分相對于單位濃度細胞（或單位質(zhì)量）的變化量。 n比反應速率的定義：AqdtdcctccAAAA11細胞反應過程動力學n比反應速率的應用： S

20、r2OrPr2COrVHrtccXX1細胞反應過程動力學n無抑制細胞生長動力學 經(jīng)驗方程，均相，單一限制性底物)(maxMMKccrrsss)(maxMonodKccsss細胞反應過程動力學nMonod 方程 動力學特征Prmax21maxSsKc SsKc otherSsKcmaxmaxMonodXSsXcKcrmaxXXcrmaxXsSsXccKcrmax細胞反應過程動力學n無抑制細胞生長動力學 )(10000/XXSXSSXXSSSXccYccccccYXsSsXccKcrmaxXXSXsSXSXsXccYcKcYcr/max11細胞反應過程動力學XXSXsSXSXsXccYcKcYcr

21、/max11細胞反應過程動力學n無抑制細胞生長動力學 多個限制性底物 2222max,1111max,SSSSSSKccKcc222111maxSSSSSSKccKcc細胞反應過程動力學n有抑制的細胞生長動力學 （1） 底物抑制動力學 2maxsssscKKcc細胞反應過程動力學n有抑制的細胞生長動力學 （2） 產(chǎn)物抑制動力學 PIPsssCKKcc11max)exp(maxPIPsssCKKcc)1 (max,maxPPsssCCKcc細胞反應過程動力學n細胞生長各時期的動力學 （1） 延遲期 （2） 穩(wěn)定期 （3） 死亡期 （4） 維持動力學)1 (/maxLttssseKccXdXckdtdc)(XXXXcccdtdc)1 (max,maxXddckr)1 (max,sdsddcKckkXmcmr細胞反應過程動力學npH對細胞生長的影響 pH細胞反應過程動力學n溫度對細胞生長的影響 )/exp(2RTEAka)/exp(RTEAa)/ex