細(xì)胞工程導(dǎo)論

細(xì)胞工程導(dǎo)論教師：齊念民（教授）本節(jié)主講：李巍巍

liweiwei928@163.com推薦參考書：《生物反應(yīng)工程原理》：賈士儒

《生物反應(yīng)器工程》

：張元興，許學(xué)書編著

《物理化學(xué)》：重慶大學(xué)物理化學(xué)教研室編

《基礎(chǔ)化學(xué)工程》

：江體乾

在交大圖書館主頁選擇電子圖書后，進(jìn)入超星百萬，搜索“生物反應(yīng)”即可找到相關(guān)參考書Introduction1細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)3酶反應(yīng)動力學(xué)2Introduction生物技術(shù)生物化學(xué)工程生物反應(yīng)工程細(xì)胞生物學(xué)生物化學(xué)化學(xué)工程化學(xué)工程細(xì)胞工程Introduction生物技術(shù)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(jì)最重要的高新技術(shù)。生物技術(shù)是指應(yīng)用自然科學(xué)和工程學(xué)的原理，依靠生物催化劑的作用，將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或為社會服務(wù)的技術(shù)。Introduction

生物反應(yīng)工程的歷史與展望幾千年前，釀酒，生產(chǎn)醬油，食醋1857pasteur首次證明酒精發(fā)酵是由酵母引起的，而酵母是活的細(xì)胞，人類控制微生物反應(yīng)的時期。20th40’s高效通氣攪拌供氧技術(shù)，無菌空氣過濾技術(shù)，大型反應(yīng)器滅菌技術(shù)等，青霉素為代表的微生物發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入新時期。現(xiàn)代，分子生物學(xué)，基因工程，電子計算機(jī)，高分子工程，材料工程等的發(fā)展，生物反應(yīng)工程進(jìn)入了飛速發(fā)展的時期。Introduction生物催化劑原材料生物反應(yīng)器產(chǎn)品Introduction根據(jù)生物催化劑的不同特性，生物反應(yīng)過程可分為酶催化反應(yīng)過程，微生物細(xì)胞反應(yīng)過程和動植物細(xì)胞反應(yīng)過程。Introduction生物反應(yīng)工程是化學(xué)反應(yīng)工程原理與生物反應(yīng)工藝過程有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，是解決與生物反應(yīng)過程的設(shè)計和操作相關(guān)的工程技術(shù)問題的學(xué)科，是生物化學(xué)工程的主要分支之一。生物反應(yīng)工程是一門以生物反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，研究生物反應(yīng)器的設(shè)計，放大和生物反應(yīng)過程的優(yōu)化操作與控制的學(xué)科。生物反應(yīng)工程在生物技術(shù)的各個領(lǐng)域，特別是生物反應(yīng)器的選型與設(shè)計，操作技術(shù)，生物過程的開發(fā)和優(yōu)化等方面具有不可缺少的作用。Introduction生物反應(yīng)工程研究的是以工業(yè)規(guī)模進(jìn)行的生物反應(yīng)的規(guī)律。它的主要內(nèi)容可以分為兩大部分：生物反應(yīng)動力學(xué)

生物反應(yīng)器的設(shè)計，優(yōu)化與放大Introduction生物反應(yīng)動力學(xué)研究生物反應(yīng)過程的影響速率及其因素，它是生物反應(yīng)工程學(xué)的理論基礎(chǔ)之一。本征動力學(xué)：微觀動力學(xué)沒有傳遞等工程因素影響時，生物反應(yīng)固有的速率。宏觀動力學(xué)：反應(yīng)器動力學(xué)反應(yīng)器內(nèi)觀測到的總反應(yīng)速率與影響因素的關(guān)系，反應(yīng)器的傳熱，傳質(zhì)，物料的流動與混合，反應(yīng)器的型式和結(jié)構(gòu)及操作方式。Introduction細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)，從不同的研究角度，有不同的動力學(xué)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(xì)胞差異統(tǒng)計模型不考慮個體細(xì)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Introduction生物反應(yīng)器的設(shè)計，優(yōu)化與放大

生物反應(yīng)器是生物反應(yīng)的核心設(shè)備。要求它能為進(jìn)行各種生物反應(yīng)過程提供良好的反應(yīng)環(huán)境和條件。

生物反應(yīng)器的設(shè)計：反應(yīng)器的型式，結(jié)構(gòu)，和操作方式，以及反應(yīng)器幾何尺寸的確定。

生物反應(yīng)器的優(yōu)化：包括優(yōu)化操作和優(yōu)化設(shè)計。

生物反應(yīng)器的放大：實(shí)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(yīng)器中進(jìn)行的技術(shù)。IntroductionIntroduction學(xué)習(xí)本課程的目的使用微生物學(xué)，生物化學(xué)和化工原理等基礎(chǔ)知識，并進(jìn)一步深化提高，以認(rèn)識與解決生物反應(yīng)過程中的實(shí)際問題，掌握生物反應(yīng)工程的基本概念及技能，具有從反應(yīng)速率著手定性或定量討論生物反應(yīng)過程的初步能力。均相酶反應(yīng)動力學(xué)酶是生命活動的基礎(chǔ)，是生物生命活動的“推動機(jī)”，酶促反應(yīng)是生物反應(yīng)的核心，它的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。均相酶反應(yīng)，系指酶與反應(yīng)物處于同一相--液相的酶催化反應(yīng)，因此它不存在相間的物質(zhì)傳遞。均相酶反應(yīng)動力學(xué)所描述的反應(yīng)速率與反應(yīng)物的基本關(guān)系，反映了該反應(yīng)過程的本征動力學(xué)關(guān)系，它的作用在于闡明酶反應(yīng)的機(jī)理。均相酶反應(yīng)動力學(xué)酶反應(yīng)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(guān)。均相酶反應(yīng)動力學(xué)酶的催化共性酶能參與生物化學(xué)反應(yīng)，降低反應(yīng)的活化能，加快生化反應(yīng)的速率；但它不改變反應(yīng)的方向和平衡關(guān)系，即反應(yīng)的平衡常數(shù)。動力學(xué)與熱力學(xué)

酶在反應(yīng)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(yīng)結(jié)束時，一般酶本身并不消耗。均相酶反應(yīng)動力學(xué)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(yīng)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(jìn)行反應(yīng)。均相酶反應(yīng)動力學(xué)單底物酶反應(yīng)動力學(xué)

酶的活性中間復(fù)合物假說（酶底復(fù)合物假說）均相酶反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)過程中，酶的濃度保持恒定，酶的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)4.生成產(chǎn)物的速率要慢于底物與酶生成復(fù)合物的可逆反應(yīng)速率，生成復(fù)合物的可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)均相酶反應(yīng)動力學(xué)Michaelis-Menten方程米式方程“平衡”假設(shè)“擬穩(wěn)態(tài)”假設(shè)均相酶反應(yīng)動力學(xué)Michaelis-Menten方程重要意義提供了一個極為重要的酶促反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)KM，并通過KM表達(dá)了酶促反應(yīng)的性質(zhì)，反應(yīng)條件和反應(yīng)速率之間的關(guān)系。

均相酶反應(yīng)動力學(xué)Michaelis-Menten方程動力學(xué)特征①②③均相酶反應(yīng)動力學(xué)Michaelis-Menten方程參數(shù)求解均相酶反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)條件對酶反應(yīng)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(yīng)動力學(xué)反應(yīng)條件對酶反應(yīng)速率的影響

pH均相酶反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)條件對酶反應(yīng)速率的影響溫度細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)系指以細(xì)胞為其反應(yīng)主體的一類生物反應(yīng)過程。包括微生物反應(yīng)與動植物細(xì)胞反應(yīng)過程。1.細(xì)胞是反應(yīng)過程的主體。2.細(xì)胞反應(yīng)過程的本質(zhì)是復(fù)雜的酶催化反應(yīng)體系。細(xì)胞內(nèi)的代謝作用正是由無數(shù)錯綜復(fù)雜的酶促反應(yīng)來完成的。3.細(xì)胞反應(yīng)與酶催化反映的區(qū)別酶：分子水平酶自身不進(jìn)行再生產(chǎn)細(xì)胞：細(xì)胞與分子細(xì)胞本身處于動態(tài)變化細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)以上因素，造成了描述，控制和開發(fā)細(xì)胞反應(yīng)過程的復(fù)雜性。要對細(xì)胞反應(yīng)過程進(jìn)行量化分析，必須要解決兩個基本問題：

1）反應(yīng)過程中各種物料和能量的數(shù)量比例反應(yīng)計量學(xué)

2）反應(yīng)過程的速率問題反應(yīng)過程動力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)過程計量學(xué)是對反應(yīng)物的組成和反應(yīng)轉(zhuǎn)化程度的數(shù)量化研究。它與反應(yīng)熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)一起構(gòu)成了反應(yīng)工程學(xué)的基礎(chǔ)。

然而，對于細(xì)胞反應(yīng)過程，要用標(biāo)以正確系數(shù)的反應(yīng)方程式表示由反應(yīng)組分組成的培養(yǎng)基轉(zhuǎn)化為生成物的反應(yīng)幾乎是不可能的。細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)的元素衡算方程

對C,H,O,N做元素平衡加入呼吸商RQ

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)

細(xì)胞工程導(dǎo)論Review2應(yīng)用舉例4生物反應(yīng)中的傳遞過程2Introduction生物技術(shù)生物化學(xué)工程生物反應(yīng)工程細(xì)胞生物學(xué)生物化學(xué)化學(xué)工程化學(xué)工程細(xì)胞工程Introduction生物催化劑原材料生物反應(yīng)器產(chǎn)品Introduction根據(jù)生物催化劑的不同特性，生物反應(yīng)過程可分為酶催化反應(yīng)過程，微生物細(xì)胞反應(yīng)過程和動植物細(xì)胞反應(yīng)過程。Introduction生物反應(yīng)工程是化學(xué)反應(yīng)工程原理與生物反應(yīng)工藝過程有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，是解決與生物反應(yīng)過程的設(shè)計和操作相關(guān)的工程技術(shù)問題的學(xué)科，是生物化學(xué)工程的主要分支之一。生物反應(yīng)工程是一門以生物反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，研究生物反應(yīng)器的設(shè)計，放大和生物反應(yīng)過程的優(yōu)化操作與控制的學(xué)科。生物反應(yīng)工程在生物技術(shù)的各個領(lǐng)域，特別是生物反應(yīng)器的選型與設(shè)計，操作技術(shù)，生物過程的開發(fā)和優(yōu)化等方面具有不可缺少的作用。Introduction生物反應(yīng)工程研究的是以工業(yè)規(guī)模進(jìn)行的生物反應(yīng)的規(guī)律。它的主要內(nèi)容可以分為兩大部分：生物反應(yīng)動力學(xué)

生物反應(yīng)器的設(shè)計，優(yōu)化與放大均相酶反應(yīng)動力學(xué)酶是生命活動的基礎(chǔ)，是生物生命活動的“推動機(jī)”，酶促反應(yīng)是生物反應(yīng)的核心，它的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。均相酶反應(yīng)，系指酶與反應(yīng)物處于同一相--液相的酶催化反應(yīng)，因此它不存在相間的物質(zhì)傳遞。均相酶反應(yīng)動力學(xué)所描述的反應(yīng)速率與反應(yīng)物的基本關(guān)系，反映了該反應(yīng)過程的本征動力學(xué)關(guān)系，它的作用在于闡明酶反應(yīng)的機(jī)理。均相酶反應(yīng)動力學(xué)酶的催化共性酶能參與生物化學(xué)反應(yīng)，降低反應(yīng)的活化能，加快生化反應(yīng)的速率；但它不改變反應(yīng)的方向和平衡關(guān)系，即反應(yīng)的平衡常數(shù)。動力學(xué)與熱力學(xué)

酶在反應(yīng)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(yīng)結(jié)束時，一般酶本身并不消耗。均相酶反應(yīng)動力學(xué)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(yīng)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(jìn)行反應(yīng)。均相酶反應(yīng)動力學(xué)單底物酶反應(yīng)動力學(xué)

酶的活性中間復(fù)合物假說（酶底復(fù)合物假說）均相酶反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)過程中，酶的濃度保持恒定，酶的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)4.生成產(chǎn)物的速率要慢于底物與酶生成復(fù)合物的可逆反應(yīng)速率，生成復(fù)合物的可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)均相酶反應(yīng)動力學(xué)Michaelis-Menten方程米式方程“平衡”假設(shè)“擬穩(wěn)態(tài)”假設(shè)均相酶反應(yīng)動力學(xué)Michaelis-Menten方程動力學(xué)特征①②③均相酶反應(yīng)動力學(xué)Michaelis-Menten方程參數(shù)求解均相酶反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)條件對酶反應(yīng)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(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)系指以細(xì)胞為其反應(yīng)主體的一類生物反應(yīng)過程。包括微生物反應(yīng)與動植物細(xì)胞反應(yīng)過程。1.細(xì)胞是反應(yīng)過程的主體。2.細(xì)胞反應(yīng)過程的本質(zhì)是復(fù)雜的酶催化反應(yīng)體系。細(xì)胞內(nèi)的代謝作用正是由無數(shù)錯綜復(fù)雜的酶促反應(yīng)來完成的。3.細(xì)胞反應(yīng)與酶催化反映的區(qū)別酶：分子水平酶自身不進(jìn)行再生產(chǎn)細(xì)胞：細(xì)胞與分子細(xì)胞本身處于動態(tài)變化細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)以上因素，造成了描述，控制和開發(fā)細(xì)胞反應(yīng)過程的復(fù)雜性。要對細(xì)胞反應(yīng)過程進(jìn)行量化分析，必須要解決兩個基本問題：

1）反應(yīng)過程中各種物料和能量的數(shù)量比例反應(yīng)計量學(xué)

2）反應(yīng)過程的速率問題反應(yīng)過程動力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)過程計量學(xué)是對反應(yīng)物的組成和反應(yīng)轉(zhuǎn)化程度的數(shù)量化研究。它與反應(yīng)熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)一起構(gòu)成了反應(yīng)工程學(xué)的基礎(chǔ)。

然而，對于細(xì)胞反應(yīng)過程，要用標(biāo)以正確系數(shù)的反應(yīng)方程式表示由反應(yīng)組分組成的培養(yǎng)基轉(zhuǎn)化為生成物的反應(yīng)幾乎是不可能的。細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)的元素衡算方程

對C,H,O,N做元素平衡加入呼吸商RQ

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)單一胞外代謝產(chǎn)物的細(xì)胞反應(yīng)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

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)得率系數(shù)由于細(xì)胞反應(yīng)是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)，要建立嚴(yán)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。得率系數(shù)的定義：細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)得率系數(shù)的應(yīng)用：

（1）對底物的細(xì)胞得率：（2）對碳的細(xì)胞得率：（3）對能量的細(xì)胞得率：

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)得率系數(shù)的應(yīng)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。。?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式能夠配平細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)例：計算下列反應(yīng)的計量系數(shù)：反應(yīng)過程中，2/3的碳轉(zhuǎn)化為細(xì)胞中的碳

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)細(xì)胞生長動力學(xué)：為了工程上的應(yīng)用，在合理簡化的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型?！墙Y(jié)構(gòu)模型

簡化內(nèi)容：

1.細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)是對細(xì)胞群體的動力學(xué)行為的描述，而不是對單一細(xì)胞進(jìn)行描述。

2.不考慮細(xì)胞間的差別，而是取其性質(zhì)上的平均值。

3.視細(xì)胞為單組分，環(huán)境變化對細(xì)胞組成的影響可以忽略。

4.把細(xì)胞與培養(yǎng)液視為一項或兩項

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)反應(yīng)速率（絕對速率）表示單位時間，單位反應(yīng)體積某一組分的變化量。

反應(yīng)速率的定義：細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)反應(yīng)速率的應(yīng)用：

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)比反應(yīng)速率表示單位時間，單位反應(yīng)體積某一組分相對于單位濃度細(xì)胞（或單位質(zhì)量）的變化量。

比反應(yīng)速率的定義：細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)比反應(yīng)速率的應(yīng)用：

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)無抑制細(xì)胞生長動力學(xué)經(jīng)驗方程，均相，單一限制性底物細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)Monod方程動力學(xué)特征①②③細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)無抑制細(xì)胞生長動力學(xué)

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)無抑制細(xì)胞生長動力學(xué)

多個限制性底物

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)有抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)（1）底物抑制動力學(xué)

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)有抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)（2）產(chǎn)物抑制動力學(xué)

細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)細(xì)胞生長各時期的動力學(xué)（1）延遲期（2）穩(wěn)定期（3）死亡期（4）維持動力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)過程動力學(xué)pH對細(xì)胞生長的影響

pH細(xì)胞反應(yīng)過程動