生化反應(yīng)器第三章酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

生化反應(yīng)器第三章酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第1頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六產(chǎn)物抑制與非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用相類似的可表達(dá)為式中KPI——產(chǎn)物抑制常數(shù)（3）pH值及培養(yǎng)溫度對(duì)細(xì)胞反應(yīng)的影響微生物通常微生物細(xì)胞生長(zhǎng)因菌種的不同而具有各自的適宜的pH值的范圍。這個(gè)范圍一般在3～4個(gè)pH單位，且在其范圍內(nèi)有最適的生長(zhǎng)pH。第2頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六表2-1各種細(xì)胞培養(yǎng)的適宜pH范圍細(xì)胞類型最適的培養(yǎng)pH范圍細(xì)菌（大多數(shù)）放線菌酵母菌霉菌植物細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞6.3～7.57～83～63～65～66.5～7.5第3頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六微生物細(xì)胞生長(zhǎng)所具有適宜的pH范圍或許是種群數(shù)量自身調(diào)節(jié)的行為，在微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)過程中，隨著底物的利用、有機(jī)酸和氨基氮的生成，使反應(yīng)體系的pH值發(fā)生變化，都將會(huì)對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)速率造成影響。在生產(chǎn)中通過pH電極在線測(cè)定pH的變化情況，并及時(shí)調(diào)節(jié)pH值，使之保持在最適的范圍。第4頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六微生物細(xì)胞在其生長(zhǎng)溫度的范圍內(nèi)可以生長(zhǎng)，且存在最適宜的生長(zhǎng)溫度，當(dāng)提高溫度到生長(zhǎng)溫度范圍以外時(shí)，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的結(jié)構(gòu)物質(zhì)的變性，使得生長(zhǎng)速率下降甚至細(xì)胞死亡。在適宜的培養(yǎng)溫度范圍內(nèi)，細(xì)胞的生長(zhǎng)速率為第5頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率與培養(yǎng)溫度的函數(shù)關(guān)系可用Arrhenius方程的形式表示

式中ΔEu——細(xì)胞生長(zhǎng)的活化能（J/mol）Au——細(xì)胞生長(zhǎng)的Arrhenius因子，（1/h）

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314（J/mol·K）T——培養(yǎng)溫度，（K）第6頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六同樣細(xì)胞的比死亡速率與培養(yǎng)溫度的函數(shù)關(guān)系也可用Arrhenius方程的形式表示

式中ΔEd——細(xì)胞死亡的活化能，（J/mol）

Ad——細(xì)胞死亡的Arrhenius因子，（1/h）ΔEu的典型數(shù)值為25～33kJ/molΔEd的典型數(shù)值為104～122kJ/mol第7頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

活化能大的反應(yīng)其隨溫度的變化也大，反之亦然。由而表明細(xì)胞的死亡速率較生長(zhǎng)速率對(duì)培養(yǎng)溫度的升高更敏感。

細(xì)胞生長(zhǎng)的最適溫度不一定是產(chǎn)物代謝積累的最適溫度。

第8頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.2底物消耗的動(dòng)力學(xué)2.2.1底物消耗與細(xì)胞生長(zhǎng)的關(guān)聯(lián)當(dāng)細(xì)胞反應(yīng)過程消耗的底物僅用于生長(zhǎng)細(xì)胞，底物濃度的變化與細(xì)胞濃度變化可關(guān)聯(lián)為

底物消耗速率與細(xì)胞生長(zhǎng)速率可關(guān)聯(lián)為

第9頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六底物比消耗速率與細(xì)胞比生長(zhǎng)速率可關(guān)聯(lián)為

定義底物的最大比消耗速率為第10頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六有對(duì)需氧的細(xì)胞反應(yīng)，氧的消耗速率為式中——細(xì)胞對(duì)氧的得率，（g/g）或（g/mol）第11頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六氧的比消耗速率（也稱呼吸強(qiáng)度）為且第12頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.2.2包括維持代謝的底物消耗動(dòng)力學(xué)對(duì)于在熱力學(xué)意義上的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的活細(xì)胞，為了維持其活性，需要獲取高能物質(zhì)并將其化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，以維持細(xì)胞的滲透壓、修復(fù)DNA、RNA和其他大分子物質(zhì)，因此能量消耗不僅是用于細(xì)胞生長(zhǎng)上，同時(shí)也用于細(xì)胞的維持上。提供細(xì)胞反應(yīng)的能量的來(lái)源是以碳源為底物的物質(zhì)，則底物的消耗速率可表示為

第13頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六式中m——細(xì)胞的維持常數(shù)，（g/g·h=1/h）或（mol/g·h）

底物的比消耗速率可表示為第14頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六同樣地氧的消耗速率為

式中——細(xì)胞對(duì)氧的最大得率，即細(xì)胞對(duì)氧的理論得率（g/g）或（g/mol）

——細(xì)胞對(duì)氧的維持常數(shù)，（g/g·h=1/h）或（mol/g·h）第15頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六氧的比消耗速率2.2.2包括產(chǎn)物生成的底物消耗動(dòng)力學(xué)當(dāng)?shù)孜锏南牧咳Q于細(xì)胞的生長(zhǎng)量、產(chǎn)物的生成量及維持代謝三個(gè)因素時(shí)，底物的消耗速率表示為第16頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六底物的比消耗速率可表示為第17頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.3產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)醇類有機(jī)酸類細(xì)胞代謝生物產(chǎn)品抗生素類酶制劑……Gaden根據(jù)代謝產(chǎn)物的生成速率和細(xì)胞的生長(zhǎng)速率的關(guān)系分為：生長(zhǎng)偶聯(lián)型半生長(zhǎng)偶聯(lián)型非生長(zhǎng)偶聯(lián)型第18頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.3.1生長(zhǎng)偶聯(lián)型模型是指與細(xì)胞生長(zhǎng)與代謝產(chǎn)物生成同步的一類細(xì)胞反應(yīng)模型。所生成的產(chǎn)物一般為底物分解代謝的產(chǎn)物，如乙醇、乳酸、葡萄糖酸等代謝屬于這一類型。生長(zhǎng)偶聯(lián)型的產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)模型為式中YP/X——單位質(zhì)量的細(xì)胞生成的產(chǎn)物量，即產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞的得率，（g/g）或（mol/g）第19頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.3.2半生長(zhǎng)偶聯(lián)型半生長(zhǎng)偶聯(lián)型的細(xì)胞反應(yīng)，其產(chǎn)物的生成與底物消耗僅有間接的關(guān)系。產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果。在細(xì)胞生長(zhǎng)期內(nèi)，基本無(wú)產(chǎn)物生成。如檸檬酸和氨基酸的生產(chǎn)屬于半生長(zhǎng)偶聯(lián)型。半生長(zhǎng)偶聯(lián)型的動(dòng)力學(xué)方程可用Luedeking-Piret方程表示式中、——常數(shù)第20頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.3.3非生長(zhǎng)偶聯(lián)型產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)無(wú)直接偶聯(lián)關(guān)系，它是次級(jí)代謝產(chǎn)物。它的特點(diǎn)是當(dāng)細(xì)胞處于生長(zhǎng)階段時(shí)，并無(wú)產(chǎn)物積累，而當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)停止后，產(chǎn)物卻大量生成。屬于此類型的有抗生素、微生物毒素等代謝產(chǎn)物的生成。非生長(zhǎng)偶聯(lián)型的動(dòng)力學(xué)模型為第21頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第22頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第23頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.3.4細(xì)胞反應(yīng)中的產(chǎn)熱速率細(xì)胞反應(yīng)為放熱反應(yīng)，由于細(xì)胞的生長(zhǎng)對(duì)溫度變化十分敏感，因此要嚴(yán)格控制反應(yīng)熱的移除，控制反應(yīng)溫度。細(xì)胞反應(yīng)過程產(chǎn)熱速率可用與生成產(chǎn)物相似的方程來(lái)進(jìn)行處理。比產(chǎn)熱速率為第24頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六式中qH—比產(chǎn)熱速率，（J/g·h）

YX/H——細(xì)胞熱量得率，（g/J）

YP/H一產(chǎn)物熱量得率，（g/J）

mH——熱量維持系數(shù)，（J/g·h）第25頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.4細(xì)胞死亡動(dòng)力學(xué)現(xiàn)代生物工業(yè)與傳統(tǒng)的釀造生產(chǎn)的差別——純種培養(yǎng)（單一菌種的培養(yǎng)）純種培養(yǎng)的技術(shù)支持培養(yǎng)基的滅菌——無(wú)菌技術(shù)通入空氣的除菌環(huán)境衛(wèi)生培養(yǎng)基的滅菌的經(jīng)濟(jì)、可靠的方法——熱殺菌第26頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.4.1細(xì)胞死亡的對(duì)數(shù)殘留律微生物受熱死亡的原因——受熱時(shí)使細(xì)胞的蛋白質(zhì)發(fā)生變性造成細(xì)胞的死亡，蛋白質(zhì)的受熱變性復(fù)合一級(jí)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，則式中CN——活細(xì)胞的濃度，（cells/ml）或（g/ml）

kd——細(xì)胞的比死亡速率，即細(xì)胞死亡的速度常數(shù)，（1/min）第27頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第28頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)上式積分得或?qū)?shù)殘留率第29頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六討論滅菌時(shí)間（t）

CN在經(jīng)濟(jì)上、生產(chǎn)的安全上達(dá)到合理的水平滅菌溫度（T）第30頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六活化能大的反應(yīng)其隨溫度的變化也大，反之亦然。對(duì)培養(yǎng)基滅菌過程培養(yǎng)基中雜菌細(xì)胞的受熱死亡培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)成分的受熱損失活化能受熱物質(zhì)(J/mol)維生素B12維生素B1鹽酸鹽嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子肉瘤梭桿菌枯草桿菌孢子9623292048283257343088317984第31頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六營(yíng)養(yǎng)成分受熱損失的活化能低于細(xì)胞受熱死亡的活化能采用高溫短時(shí)間的滅菌有利第32頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

例：當(dāng)滅菌溫度由105℃提高到127℃時(shí)，是比較嗜熱脂肪芽孢桿菌滅菌速度常數(shù)和維生素B1受熱損失的速度常數(shù)，速度常數(shù)k和滅菌溫度T的關(guān)系如圖解：嗜熱脂肪芽孢桿菌滅菌的活化能為280kJ/mol；維生素B1受熱損失的活化能為70kJ/mol。當(dāng)滅菌溫度由105℃提高到127℃時(shí)，嗜熱脂肪芽孢桿菌滅菌速度常數(shù)k由0.05（1/min）升高到6.78（1/min），提高了135.6倍；維生素B1受熱損失的速度常數(shù)由0.02（1/min）提高到0.07（1/min）提高了3.5倍。

第33頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第34頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.4.2微生物熱死亡的非對(duì)數(shù)殘留律熱死亡的非對(duì)數(shù)行為常見于芽孢的受熱死亡。有關(guān)這一類型的受熱死亡的動(dòng)力學(xué)描述有多種模型，但循序死亡模型最為人們所接受微生物受熱循序死亡模型認(rèn)為：其死亡不是突然的，而是經(jīng)歷一個(gè)中間過程的

kskdNRNSND

（活芽孢）（中間狀態(tài)的芽孢）（死芽孢）第35頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六則式中CN——具有活力的芽孢的濃度

CN0——初始的芽孢的濃度

ks——芽孢失活速度常數(shù)，（1/min）kd——中間狀態(tài)芽孢失活速度常數(shù)，（1/min）第36頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

例：在不同的溫度下測(cè)定某枯草桿菌的活孢子的數(shù)目與時(shí)間的關(guān)系如下表試求（1）該孢子的熱死滅活化能（2）100℃時(shí)的熱死滅速率常數(shù)值（3）在100℃時(shí)，要?dú)⑺罉悠分械?9%的孢子，需要多長(zhǎng)時(shí)間時(shí)間(min)數(shù)目數(shù)目T=85℃T=90℃T=110℃T=120℃0.00.51.01.52.03.04.06.08.09.02.40×1092.39×1092.37×1092.35×1092.33×1092.32×1092.28×1092.20×1092.19×1