li細(xì)胞生長(zhǎng)及代謝過(guò)程動(dòng)力學(xué)

李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering生物化學(xué)工程基礎(chǔ)

BiochemicalEngineering李強(qiáng)化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering一個(gè)問(wèn)題(以生成菌體為例)總得率總收率？＝李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering細(xì)胞生長(zhǎng)及代謝過(guò)程動(dòng)力學(xué)李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering本節(jié)課主要內(nèi)容

4.1細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)、描述方法4.2分批培養(yǎng)中細(xì)胞的生長(zhǎng)

4.3分批培養(yǎng)中細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)4.4分批培養(yǎng)中基質(zhì)的消耗動(dòng)力學(xué)

4.5分批培養(yǎng)中產(chǎn)物的生成動(dòng)力學(xué)李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering生物培養(yǎng)體系的特點(diǎn)反應(yīng)途徑復(fù)雜反應(yīng)物（基質(zhì)）成分復(fù)雜生成的產(chǎn)物(菌體、目的產(chǎn)物、副產(chǎn)物)復(fù)雜體系復(fù)雜（多相體系）反應(yīng)過(guò)程體系成分變化對(duì)生物反應(yīng)進(jìn)行定量研究的基礎(chǔ)是生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering什么是動(dòng)力學(xué)生物過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究的主要問(wèn)題:*細(xì)胞生長(zhǎng)的速率*基質(zhì)消耗的速率*代謝產(chǎn)物的生成速率。定量地描述速率隨時(shí)間的變化規(guī)律以及與影響過(guò)程速率諸因素的關(guān)系。李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering動(dòng)力學(xué)表述的形式真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌代謝曲線李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering4.1細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)、描述方法

細(xì)胞的培養(yǎng)和代謝是一個(gè)復(fù)雜的群體的生命活動(dòng)，通常每毫升培養(yǎng)液中含104～108個(gè)細(xì)胞。細(xì)胞都經(jīng)歷新生、成長(zhǎng)、成熟直至衰老的過(guò)程。李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering微生物的生長(zhǎng)形式李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering均衡生長(zhǎng)模型

通常簡(jiǎn)稱為：均衡生長(zhǎng)模型。不考慮細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)(組分)，不考慮各種細(xì)胞之間的差異，將細(xì)胞看成一種“溶質(zhì)”.李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering4.2分批培養(yǎng)中細(xì)胞的生長(zhǎng)細(xì)胞的批式培養(yǎng)

間歇的、非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。???細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度、產(chǎn)物濃度、均不斷發(fā)生變化。物質(zhì)交換：通氣（好氧）加入酸堿溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH，補(bǔ)加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排出廢氣(包括二氧化碳)是一種最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最廣泛的基本培養(yǎng)方式。李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering添加大標(biāo)題(d)Deathphase:cellsbegintodieLagPhaseLogarithmicgrowthphaseStationaryPhaseDeathPhase批式培養(yǎng)菌體生長(zhǎng)時(shí)變曲線(a)

Lagphase:cellsbegintosynthesizeinducibleenzymes.(b)

Logarithmicgrowthphase:thespecificgrowth

rateofmultiplicationisconstant.(c)

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

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering4.2.1延遲期細(xì)胞濃度的增加不明顯。適應(yīng)新培養(yǎng)環(huán)境。細(xì)胞須合成有關(guān)酶來(lái)利用該營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。種子年輕延遲期較短，種齡較老的種子延遲期較長(zhǎng)。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(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering接種量對(duì)延遲期的影響限制性基質(zhì)濃度s0一定，細(xì)胞初濃度X0不同；延遲期李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering4.2.2快速生長(zhǎng)期細(xì)胞濃度隨培養(yǎng)時(shí)間快速增長(zhǎng)，稱為指數(shù)生長(zhǎng)期(快速生長(zhǎng)期)。培養(yǎng)液中的細(xì)胞濃度愈大，細(xì)胞濃度的增長(zhǎng)速率也就愈大。李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering4.2.3靜止期細(xì)胞濃度不再增大，達(dá)到最大值原因：

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)耗盡或有害物質(zhì)的大量積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給不足以使得生物生長(zhǎng)

人為控制生長(zhǎng)停止細(xì)胞死亡速率等于生長(zhǎng)速率

李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering4.2.4衰亡期細(xì)胞死亡成了主要因素，活細(xì)胞濃度不斷下降。

生產(chǎn)過(guò)程在進(jìn)入衰亡期之前結(jié)束。李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering4.3細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)其中

X

——

細(xì)胞濃度t——

培養(yǎng)時(shí)間；μ——

比生長(zhǎng)速率，時(shí)間-1。比生長(zhǎng)速率的定義（specificgrowth

rate

）：μ

比生長(zhǎng)速率μ與細(xì)胞種類、培養(yǎng)溫度、pH、培養(yǎng)基組成和限制性基質(zhì)濃度等因素有關(guān)。李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering其它比速率定義其它比速率的定義：當(dāng)n為X（細(xì)胞濃度）時(shí)：比生長(zhǎng)速率當(dāng)n為S（基質(zhì)濃度）時(shí)：比消耗速率當(dāng)n為P（產(chǎn)物濃度）時(shí)：比生成速率。。。。。。。。。李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)表達(dá)式

在快速生長(zhǎng)期，比生長(zhǎng)速率達(dá)到最大值μm，為常數(shù)μ＝常數(shù)？

t1時(shí)的細(xì)胞濃度為X1，則t2時(shí)的細(xì)胞濃度X2為：or李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering倍增時(shí)間

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

細(xì)菌一般為0.75-1h，酵母菌約為0.6-2h;霉菌約為2-8h。動(dòng)植物細(xì)胞的倍增時(shí)間較長(zhǎng)。

哺乳動(dòng)物細(xì)胞一般為15-100h；植物細(xì)胞約為24-74h。李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering4.3.1單基質(zhì)限制的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)當(dāng)培養(yǎng)液只有一種限制性基質(zhì)S時(shí)

限制≠抑制其中：μm

—最大比生長(zhǎng)速率，s-1

S—限制性基質(zhì)濃度，mol/m3

Ks

—飽和常數(shù)（Monod常數(shù)），mol/m3

表示細(xì)胞生長(zhǎng)對(duì)限制性基質(zhì)攝取能力的程度，數(shù)值上為比生長(zhǎng)速率為最大比生長(zhǎng)速率一半時(shí)的基質(zhì)濃度。orMonod方程李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering一些細(xì)胞的飽和常數(shù)（Monod常數(shù)）細(xì)胞限制性基質(zhì)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(xì)胞葡萄糖250果糖940李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering生長(zhǎng)模型的分析當(dāng)S>>Ks通常S>10×Ks

μ≈μm=常數(shù)當(dāng)S<<Ks通常10×S<Ks

李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering4.3.2動(dòng)力學(xué)模型的修正

細(xì)胞濃度較高時(shí)，傳質(zhì)受到限制，影響了細(xì)胞對(duì)基質(zhì)的攝取，生長(zhǎng)受到影響。怎樣修正來(lái)體現(xiàn)高濃度菌體的影響？Contois方程李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering4.4分批培養(yǎng)中基質(zhì)的消耗動(dòng)力學(xué)

在分批培養(yǎng)時(shí)，基質(zhì)的減少（消耗）走向？生成細(xì)胞（細(xì)胞生長(zhǎng)）產(chǎn)物生成維持代謝李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering限制性基質(zhì)消耗的物料衡算？李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)表達(dá)式同理：基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)表達(dá)式：李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering各種比速率之間的關(guān)系李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering4.5分批培養(yǎng)中產(chǎn)物的生成動(dòng)力學(xué)分三種情況：1）產(chǎn)物生成只跟菌體生長(zhǎng)速度有關(guān)（乙醇發(fā)酵）2）產(chǎn)物生成跟菌體生長(zhǎng)速度無(wú)關(guān)，只跟菌體的濃度有關(guān)

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

——產(chǎn)物濃度

YP/X

（α）——產(chǎn)物對(duì)于細(xì)胞的得率系數(shù)。產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)：第一種李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering第二種產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)：第三種產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)：李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering分批培養(yǎng)中產(chǎn)物生成與細(xì)胞生長(zhǎng)的關(guān)系與生長(zhǎng)相關(guān)；

(b)與生長(zhǎng)部分相關(guān)；

(c)與生長(zhǎng)不相關(guān)

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

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering動(dòng)力學(xué)模型匯總本征得率系數(shù)表觀得率系數(shù)李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering生物培養(yǎng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)最重要的是？菌體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering作業(yè)三

1.面包酵母發(fā)酵生產(chǎn)單