细胞反应过程动力学课件.ppt

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1、细胞反应过程动力学2022/10/17第1页，此课件共88页哦第3章 细胞反应动力学概述何为细胞反应过程何为细胞反应过程?以细胞为反应主体的一类生化反应过程以细胞为反应主体的一类生化反应过程.包括微生物和动植物细胞培养过程包括微生物和动植物细胞培养过程微生物过程微生物过程:酒酒醋醋味精味精药物药物动植物细胞培养过程动植物细胞培养过程:如如:红豆杉细胞培养生产紫杉醇红豆杉细胞培养生产紫杉醇 功用：紫杉醇主要适用于卵巢癌和乳腺癌，对肺癌、大肠癌、黑色素瘤、头颈部癌、淋巴瘤、脑瘤也都有一定疗效。指动植物细胞在体外条件下的存活或生指动植物细胞在体外条件下的存活或生长长,此时细胞不再形成组织。此时细胞不

2、再形成组织。2022/10/17第2页，此课件共88页哦第3章 细胞反应过程动力学概述动、植物细胞培养与微生物培养区别动、植物细胞培养与微生物培养区别动物细胞无细胞壁，且大多数哺乳动物细胞动物细胞无细胞壁，且大多数哺乳动物细胞附着附着在固体或半固体的在固体或半固体的表面才能生长表面才能生长；对；对营养要求严格营养要求严格，除氨基酸、维生素、盐类、葡萄，除氨基酸、维生素、盐类、葡萄糖或半乳糖外，还需有糖或半乳糖外，还需有血清血清。动物细胞。动物细胞对环境敏感对环境敏感，包括，包括pH、溶、溶氧、温度、剪切应力都比微生物有更严的要求，一般须严格的监氧、温度、剪切应力都比微生物有更严的要求，一般须严

3、格的监测和控制。测和控制。植物细胞对营养要求植物细胞对营养要求较动物细胞简单较动物细胞简单。但由于植物细胞培养一般要。但由于植物细胞培养一般要求在求在高密度下高密度下才能得到一定才能得到一定浓度的培养产物浓度的培养产物，以及植物细胞生长，以及植物细胞生长较较微生物要缓慢微生物要缓慢，长时间的培养对无菌要求及反应器的设计也提出特，长时间的培养对无菌要求及反应器的设计也提出特殊的要求殊的要求。2022/10/17第3页，此课件共88页哦第3章 细胞反应过程动力学概述动植物、微生物细胞的培养比较动植物、微生物细胞的培养比较微生物动物细胞植物细胞 大 小悬浮生长营养要求生长速率代谢调节环境敏感细胞分化

4、剪切应力敏感细胞或产物浓度1-10可以简单快，倍增时间0.5-5小时内部不敏感无低较高10-100多数细胞需附着表面才能生长非常复杂慢，倍增时间15-100小时内部、激素非常敏感有非常高低10-100可以，但易结团，无单个细胞较复杂慢，倍增时间24-74小时内部、激素能忍受广泛范围有高低2022/10/17第4页，此课件共88页哦第3章 细胞反应过程动力学概述2022/10/17第5页，此课件共88页哦第3章 细胞反应过程动力学概述细胞反应过程的特征细胞反应过程的特征Cell is the key body of cell reaction:cell absorb the nourishmen

5、t of medium and form products.A cell is a micro-reactor;Cell reaction generally following the bio-reaction rule More component take part in reactionEssentials of cell reaction is a serial reaction catalyzed by enzymes system;metabolism;assimilation,dissimilationThe differences between cell reaction

6、and enzyme reaction is cell level&molecular level reaction2022/10/17第6页，此课件共88页哦第3章 3.1 细胞反应过程计量学细胞反应过程计量学3.1 细胞反应过程计量学细胞反应过程计量学什么是反应过程计量学什么是反应过程计量学 Cell reaction metrology numerically study that products composition and relation between reactant and product,which together with reactions thermodynam

7、ics and reactions kinetics build the theoretical basis of reaction engineering.Theoretical basis thermodynamics of reactions reaction metrology reactions kinetics 2022/10/17第7页，此课件共88页哦第3章 3.1 细胞反应过程计量学细胞反应过程计量学3.1 细胞反应过程计量学细胞反应过程计量学 由于参与反应组分多、代谢途径复杂、底物的消耗并非全部用于生成产由于参与反应组分多、代谢途径复杂、底物的消耗并非全部用于生成产物物（一

8、部分用于什么？）（一部分用于什么？）难以用系数确定由培养基组分到产物的方程式来表示。难以用系数确定由培养基组分到产物的方程式来表示。一、细胞反应的一、细胞反应的元素衡算元素衡算方程方程通常将细胞分子式定义为：通常将细胞分子式定义为：CH O N 而忽略微量元素而忽略微量元素细胞的元素组成包括：细胞的元素组成包括：？C,H,O,P,S,K,Na。2022/10/17第8页，此课件共88页哦第3章 3.1 细胞反应过程计量学细胞反应过程计量学 细胞的元素组成受种类、生长阶段等因素影响。细胞的元素组成受种类、生长阶段等因素影响。一、细胞反应的元素衡算方程一、细胞反应的元素衡算方程典型的分子结构式典型

9、的分子结构式:CH1.8O0.5N0.2Example:Chemical composition of E.coli(dry basis%)elementcontentelementcontentCHONPSK 5020814311 NaCaMgClFeothers10.50.50.50.20.3 2022/10/17第9页，此课件共88页哦第3章 3.1 细胞反应过程计量学细胞反应过程计量学CHmOn+aO2+bNH3cCH O N+dH2O+eCO2一、细胞反应的元素衡算方程一、细胞反应的元素衡算方程对无胞外产物的简单反应对无胞外产物的简单反应:式中式中 CHmOnelement comp

10、osition of carbon sourceCH O N celluar element composition 2022/10/17第10页，此课件共88页哦第3章 3.1 细胞反应过程计量学细胞反应过程计量学（1）（2）（3）（4）C:H:O:N:对对 C,H,O,N 作元素衡算作元素衡算:CHmOn+aO2+bNH3cCH O N+dH2O+eCO2一、细胞反应的元素衡算方程一、细胞反应的元素衡算方程四个方程四个方程,五个未知数五个未知数?2022/10/17第11页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学一、细胞反应的元素衡算方程一、细胞反应的元素

11、衡算方程（5）引入呼吸商引入呼吸商,定义定义:引入还原度（引入还原度（）:元素的还原度等于该元素的元素的还原度等于该元素的化合价化合价。C=4C=4，H=1H=1，N=-3N=-3，O=-2O=-2，P=5P=5，S=6S=6化合物的还原度以化合物的还原度以一个碳原子一个碳原子计。见表计。见表2-12-1（6）2022/10/17第12页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学二、细胞反应过程的得率系数二、细胞反应过程的得率系数CHmOn+aO2+bNH3=cCH O N +dCHxOyNz+eH2O+f CO2 (1)(S)(O)(X)(P)A cell r

12、eaction with exo-product can be described as follow:1、得率系数的定义、得率系数的定义对底物的细胞得率对底物的细胞得率单位：单位：g/g 或或 g/mol2022/10/17第13页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学二、细胞反应过程的得率系数二、细胞反应过程的得率系数1 1、得率系数的定义、得率系数的定义 对氧的细胞得率对氧的细胞得率 对底物的产物得率对底物的产物得率2022/10/17第14页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学2、对碳的细胞得率系数、对碳的细胞得

13、率系数,YcThe Yc indicates that efficiency carbon source in substrate convert to cells ingredient.Where x,s=carbon content per mass cell or per mass sustrate Yc-(0.4-0.9)二、细胞反应过程的得率系数二、细胞反应过程的得率系数（g/g）2022/10/17第15页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学3 3、宏观得率系数和理论得率系数、宏观得率系数和理论得率系数 消耗的总底物消耗的总底物mST，一部分用

14、于细胞生长，一部分用于细胞生长(mSG),一部分用于维持一部分用于维持能（能（mSM ），一部用于形成代谢产物，一部用于形成代谢产物(mSR).即即一种是定义：一种是定义：宏观得率宏观得率 另一种是：另一种是：理论得率理论得率,which is also called maximum potential yield 二、细胞反应过程的得率系数二、细胞反应过程的得率系数此时计算基质的细胞得率有两种方法：此时计算基质的细胞得率有两种方法：2022/10/17第16页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学4 4、对能量的细胞得率、对能量的细胞得率 For cell

15、 reaction process,the main aim is to search the optimizing culture conditions.Where YATP/S 相对于基质的相对于基质的ATP生成得率，即消耗生成得率，即消耗1mol基质所生成的基质所生成的ATP的量的量;Ms substrate molecular weight二、细胞反应过程的得率系数二、细胞反应过程的得率系数2022/10/17第17页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学5 5、得率系数与计量系数的关系、得率系数与计量系数的关系Where Mx,Ms,Mo,Mpmo

16、lecular weight of cell,substrate and oxygen,products,respectively;a,c,dstoischiometry二、细胞反应过程的得率系数二、细胞反应过程的得率系数CHmOn+aO2+bNH3=cCH O N +dCHxOyNz+eH2O+f CO2 (1)(S)(O)(X)(P)2022/10/17第18页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学三、三、exampleUse glucose as substrate to culture microbe.It is known that 2/3 of

17、carbon converted to microbe cell.The reaction is as follow:C6H12O6+aNH3+bO2=cC4.4H7.3O1.2N0.86+dH2O+eCO2(glucose)(microbe cell)Please give:(1)Determine the stoischiometric coefficient,a,b,c,d,e(2)Cell yield to substrate,YX/S (3)(3)respiratory quotient(RQ).2022/10/17第19页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物

18、反应过程计量学solution(1)The stoischiometric coefficient The quality of carbon in 1 mol glucose is 72(g),so the converted carbon to microbe cell in 1 mol glucose is Then The converted carbon to CO2 in 1 mol glucose is2022/10/17第20页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学C6H12O6+aNH3+bO2=cC4.4H7.3O1.2N0.86+dH2

19、O+eCO2From above equation:By the N element balance:By the H element balance:solution2022/10/17第21页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学By O element balancea=0.782，b=1.473，c=0.909，d=3.855，e=2So The reaction equation may be written as follow:2022/10/17第22页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学C6H12O6+0

20、.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO2 (2)Cell yield to substrate,YX/S 2022/10/17第23页，此课件共88页哦第3章 3.1 微生物反应过程计量学微生物反应过程计量学(3)(3)respiratory quotient(RQ)2022/10/17第24页，此课件共88页哦第3 3章章 3.2 3.2 细胞反应动力学的非结构模型细胞反应动力学的非结构模型细胞反应动力学的非结构模型细胞反应动力学的非结构模型3.2.1 3.2.1 细胞反应动力学的描述方法细胞反应动力学的描述方法一、细胞反应过程

21、的复杂性一、细胞反应过程的复杂性1、细胞反应过程、细胞反应过程包括：包括：细胞生长（细胞生长（核心核心）、底物消耗、代谢产物生成。）、底物消耗、代谢产物生成。2、胞内外的物质交换过程、胞内外的物质交换过程多相多相气相气相液相液相固相固相多组分多组分底物多组分底物多组分代谢产物多组分代谢产物多组分（大、小分子）（大、小分子）细胞不同生长周期细胞不同生长周期（104-106个个/mL，生长、，生长、成熟、老化。）成熟、老化。）2022/10/17第25页，此课件共88页哦第3章 3.2.1 细胞反应动力学的描述方法细胞反应动力学的描述方法二、细胞反应动力学模型的简化二、细胞反应动力学模型的简化细胞

22、反应动力学是对反应体系中的细胞的群体行为的细胞反应动力学是对反应体系中的细胞的群体行为的描述，而非对单一细胞；描述，而非对单一细胞；不考虑细胞之间的差别，而取其性质上的平均值；不考虑细胞之间的差别，而取其性质上的平均值；微生物细胞反应是细胞的多种酶的协同反应的宏观结果，微生物细胞反应是细胞的多种酶的协同反应的宏观结果，且受到温度、且受到温度、pHpH值、培养基的组成等条件的影响值、培养基的组成等条件的影响；细胞成分复杂细胞成分复杂（蛋白、脂肪、碳水化合物、核酸、维生素等）（蛋白、脂肪、碳水化合物、核酸、维生素等）和变化性和变化性（上述因素影响）（上述因素影响）；2022/10/17第26页，此

23、课件共88页哦第3章 3.2.1 细胞反应动力学的描述方法细胞反应动力学的描述方法二、细胞反应动力学模型的简化二、细胞反应动力学模型的简化因变量的选择和描述问题因变量的选择和描述问题动力学模型描述动力学模型描述？与与？的函数关系。的函数关系。因变量因变量自变量自变量因变量（细胞）因变量（细胞）考虑成分变化考虑成分变化结构模型结构模型不考虑成分变化不考虑成分变化非结构模型非结构模型均衡生长与非均衡生长均衡生长与非均衡生长（细胞各成分以相同比例增加）（细胞各成分以相同比例增加）均衡生长均衡生长 非均衡生长非均衡生长均均衡衡生生长长的的非非结结构构模模型型2022/10/17第27页，此课件共88页

24、哦第3章 3.2.1 细胞反应动力学的描述方法细胞反应动力学的描述方法二、细胞生长动力学模型的简化二、细胞生长动力学模型的简化非结构模型核心内容非结构模型核心内容:不考虑细胞内各组分差异；不考虑细胞内各组分差异；不考虑细胞之间的差异不考虑细胞之间的差异,各种细胞均一；各种细胞均一；细胞均衡生长；细胞均衡生长；各细胞性质相同各细胞性质相同,细胞群作为一种溶质。细胞群作为一种溶质。2022/10/17第28页，此课件共88页哦第3章 3.2.2分批培养时分批培养时 细胞反应动力学细胞反应动力学 单位反应体积、单位时间内的某一组分的量的变化。一、细胞反应的速率一、细胞反应的速率在细胞反应中主要的反应

25、的速率有：在细胞反应中主要的反应的速率有：在细胞反应动力学中用在细胞反应动力学中用细胞反应的速率细胞反应的速率、细胞反应的比速率细胞反应的比速率、细胞细胞反应的得率反应的得率等参数来描述细胞培养过程的等参数来描述细胞培养过程的细胞质量细胞质量、底物质量底物质量、产产物质量物质量的变化关系。的变化关系。1、细胞生长速率细胞生长速率式中式中 CX细胞浓度，（细胞浓度，（g/L）t时间，（时间，（h）细胞浓度通常用单位体积培养液中细胞细胞浓度通常用单位体积培养液中细胞（或菌体）干质量表示。（或菌体）干质量表示。2022/10/17第29页，此课件共88页哦第3章 3.2.2分批培养时分批培养时 细胞

26、反应动力学细胞反应动力学一、细胞反应的速率一、细胞反应的速率式中式中 C CS S底物浓度，（底物浓度，（g/Lg/L）或（）或（mol/Lmol/L）2 2、底物消耗速率、底物消耗速率3 3、氧消耗速率、氧消耗速率 式中式中 CO单位体积的培养液中单位体积的培养液中O2的消的消耗量，（耗量，（g/L）或（）或（mol/L）2022/10/17第30页，此课件共88页哦第3章 3.2.2分批培养时分批培养时 细胞反应动力学细胞反应动力学一、细胞反应的速率一、细胞反应的速率4 4、产物生成速率、产物生成速率式中 CP产物浓度，（g/L）或（mol/L）5 5、COCO2 2生成速率生成速率式中式

27、中 CCO2单位体积的培养液中单位体积的培养液中CO2生成量，（生成量，（g/L）或（）或（mol/L）6 6、热量的生成速率、热量的生成速率式中 CH单位体积的培养液中热量的生成量，（kJ/L）2022/10/17第31页，此课件共88页哦第3章 3.2.2分批培养时分批培养时 细胞反应动力学细胞反应动力学在细胞反应中主要反应的比速率有：二、细胞反应的比速率二、细胞反应的比速率 定义：单位反应体积、单位时间中单位质量的细胞的某定义：单位反应体积、单位时间中单位质量的细胞的某一组分的生成或消耗量。一组分的生成或消耗量。（实际上，也就是以单位细胞浓度（实际上，也就是以单位细胞浓度为基准表示各个组

28、分变化速率）为基准表示各个组分变化速率）1 1、细胞的比生长速率、细胞的比生长速率比速率单位？比速率单位？（1/h）2022/10/17第32页，此课件共88页哦第3章 3.2.2分批培养时分批培养时 细胞反应动力学细胞反应动力学二、细胞反应的比速率二、细胞反应的比速率3 3、氧的消耗比速率、氧的消耗比速率2 2、底物的比消耗速率、底物的比消耗速率4、产物的比生成速率、产物的比生成速率2022/10/17第33页，此课件共88页哦第3章 3.2.2分批培养时分批培养时 细胞反应动力学细胞反应动力学二、细胞反应的比速率二、细胞反应的比速率5 5、COCO2 2的比生成速率的比生成速率6 6、热量

29、的比生成速率、热量的比生成速率（1/h）或（mol/gh）单位？单位？（kJ/gh）2022/10/17第34页，此课件共88页哦第3章 3.2.2分批培养时分批培养时 细胞反应动力学细胞反应动力学三、细胞反应的得率三、细胞反应的得率 1 1、细胞对底物的得率、细胞对底物的得率 在间歇培养过程中，细胞对底物的得率一般是随着培养时间而变化的，在间歇培养过程中，细胞对底物的得率一般是随着培养时间而变化的，即因随着培养的进行即因随着培养的进行培养基的营养成分培养基的营养成分的组成、的组成、细胞的活性细胞的活性是变化的，是变化的，所以用瞬时的细胞对底物的得率表示：所以用瞬时的细胞对底物的得率表示：20

30、22/10/17第35页，此课件共88页哦第3章 3.2.2分批培养时分批培养时 细胞反应动力学细胞反应动力学间歇培养的细胞对底物的总得率间歇培养的细胞对底物的总得率三、细胞反应的得率三、细胞反应的得率 1 1、细胞对底物的得率、细胞对底物的得率 2022/10/17第36页，此课件共88页哦第3章 3.2.2分批培养时分批培养时 细胞反应动力学细胞反应动力学2 2、细胞对氧的得率、细胞对氧的得率三、细胞反应的得率三、细胞反应的得率 在间歇的培养过程中的细胞对氧的瞬时得率为：2022/10/17第37页，此课件共88页哦第3章 3.2.2分批培养时细胞反应动力学分批培养时细胞反应动力学三、细胞

31、反应的得率三、细胞反应的得率 3 3、产物对底物的得率、产物对底物的得率在间歇的培养过程中的产物对底物的瞬时得率为：在间歇的培养过程中的产物对底物的瞬时得率为：2022/10/17第38页，此课件共88页哦第3章 3.2.2分批培养时细胞反应动力学分批培养时细胞反应动力学4 4、生成的热量对底物的得率、生成的热量对底物的得率三、细胞反应的得率三、细胞反应的得率 在间歇的培养过程中生成的热量对底物的瞬时得率为：在间歇的培养过程中生成的热量对底物的瞬时得率为：2022/10/17第39页，此课件共88页哦第3章 3.2.3 无抑制的细胞反应动力学无抑制的细胞反应动力学一、细胞生长的一、细胞生长的M

32、onod方程方程 1942 1942年年MonodMonod在归纳大量的试验的基础上提出细胞的比生长速率与限在归纳大量的试验的基础上提出细胞的比生长速率与限制性底物浓度的关系，也就是制性底物浓度的关系，也就是 Monod Monod 动力学方程：动力学方程：Monod方程是方程是典型的均衡生长模型，其基本假设：典型的均衡生长模型，其基本假设：细胞均衡生长，体系惟一变量是细胞浓度；细胞均衡生长，体系惟一变量是细胞浓度；培养基中只有一种限制性基质，影响细胞生长，其它过量；培养基中只有一种限制性基质，影响细胞生长，其它过量；细胞生长为单一的简单反应，其得率是一常数。细胞生长为单一的简单反应，其得率是

33、一常数。2022/10/17第40页，此课件共88页哦第3章 3.2.3无抑制的细胞反应动力学无抑制的细胞反应动力学式中式中 maxmax细胞的最大比生长速率，（细胞的最大比生长速率，（1/h1/h）K KS S饱和常数，（饱和常数，（g/Lg/L）或（）或（mol/Lmol/L）CsCs限制性基质浓度限制性基质浓度，（，（g/L）或（）或（mol/L）这就是著名的这就是著名的MonodMonod方程方程 K KS S的意义为微生物细胞的比生长速率达到最大比生长速率的的意义为微生物细胞的比生长速率达到最大比生长速率的1/21/2时的底物浓度。时的底物浓度。一、细胞生长的一、细胞生长的Monod

34、方程方程2022/10/17第41页，此课件共88页哦第3章 3.2.3无抑制的细胞反应动力学无抑制的细胞反应动力学二、二、Monod方程曲线方程曲线2022/10/17第42页，此课件共88页哦第3章 3.2.3无抑制的细胞反应动力学无抑制的细胞反应动力学当限制性基质浓度当限制性基质浓度C CS S远小于半饱和常数远小于半饱和常数K KS S时，时，MonodMonod方程可简化为：方程可简化为：二、二、Monod方程曲线方程曲线此时的细胞生长速率为关于底物浓度的一级动力学关系：此时的细胞生长速率为关于底物浓度的一级动力学关系：2022/10/17第43页，此课件共88页哦第3章 3.2.3

35、无抑制的细胞反应动力学无抑制的细胞反应动力学当底物浓度当底物浓度C CS S远大于半饱和常数远大于半饱和常数K KS S时，时，MonodMonod方程可简化为：方程可简化为：二、二、Monod方程曲线方程曲线此时的细胞生长速率为关于底物浓度的零级动力学关系：此时的细胞生长速率为关于底物浓度的零级动力学关系：2022/10/17第44页，此课件共88页哦第3章 3.2.3无抑制的细胞反应动力学无抑制的细胞反应动力学根据又根据有二、二、Monod方程曲线方程曲线当底物浓度当底物浓度C CS S处于上述两种情况之间时：处于上述两种情况之间时：2022/10/17第45页，此课件共88页哦第3章 3

36、.2.3无抑制的细胞反应动力学无抑制的细胞反应动力学若CX 0很小可忽略，则上式可简化为：当反应开始时，当反应开始时，CX值相对较低，此时提高值相对较低，此时提高CX值，有利于值，有利于其生长速率的提高；当反应后期，其生长速率的提高；当反应后期，CX值较高，而相应值较高，而相应CS值很值很低，此时若继续提高低，此时若继续提高CX值，则其生长速率继续下降，值，则其生长速率继续下降，rX有有一个最大值。一个最大值。?二、二、Monod方程曲线方程曲线2022/10/17第46页，此课件共88页哦第3章 3.2.3无抑制的细胞反应动力学无抑制的细胞反应动力学CXrXrX,maxCX,optrXCX关

37、系曲线2022/10/17第47页，此课件共88页哦第3章 3.2.3 3.2.3 有抑制的细胞反应动力学有抑制的细胞反应动力学竞争性抑制；竞争性抑制；非竞争性抑制；非竞争性抑制；反竞争性抑制；反竞争性抑制；一、高浓度底物的抑制作用一、高浓度底物的抑制作用 当基质浓度较高时当基质浓度较高时,细胞生长会受到抑制。细胞生长会受到抑制。反竞争性反竞争性抑制机理抑制机理式中：式中：2022/10/17第48页，此课件共88页哦一、高浓度底物的抑制作用一、高浓度底物的抑制作用细胞生长比速率：细胞生长比速率：？由机理可得：由机理可得：由此式可看出生长速率与浓度的关系吗？由此式可看出生长速率与浓度的关系吗？

38、绘曲线或求导数：绘曲线或求导数：第3章 3.2.3有抑制的细胞反应动力学有抑制的细胞反应动力学2022/10/17第49页，此课件共88页哦一、高浓度底物的抑制作用一、高浓度底物的抑制作用竞争性抑制时比生成速率与底物浓度关系曲线：竞争性抑制时比生成速率与底物浓度关系曲线：第3章 3.2.3有抑制的细胞反应动力学有抑制的细胞反应动力学2022/10/17第50页，此课件共88页哦一、高浓度底物的抑制作用一、高浓度底物的抑制作用 上面分析的是反竞争性抑制，对竞争性和非竞争性抑制，可得到动上面分析的是反竞争性抑制，对竞争性和非竞争性抑制，可得到动力学方程：力学方程：竞争性基质抑制竞争性基质抑制非非竞

39、争性基质抑制竞争性基质抑制第3章 3.2.3有抑制的细胞反应动力学有抑制的细胞反应动力学2022/10/17第51页，此课件共88页哦第3章 3.4 3.4 影响细胞生长影响细胞生长(动力学动力学)的因素的因素一、高浓度底物的抑制作用一、高浓度底物的抑制作用实例：实例：底物为醋酸以产朊假丝酵母（底物为醋酸以产朊假丝酵母（Candidida utlis）生产微生物）生产微生物蛋白的试验，结果如图蛋白的试验，结果如图2022/10/17第52页，此课件共88页哦二、二、产物的抑制作用 代谢产物对微生物细胞生长的抑制作用的代谢产物对微生物细胞生长的抑制作用的最具代表性的例子最具代表性的例子是发酵法生

40、是发酵法生产乙醇时，产乙醇时，产物乙醇对酵母产物乙醇对酵母生长和代谢的抑制作用。生长和代谢的抑制作用。产物抑制作用分为产物抑制作用分为竞争性竞争性和和非竞争性非竞争性抑制，一些抑制，一些抑制作用的机理虽然尚抑制作用的机理虽然尚不清楚不清楚，用一些近似的，用一些近似的经验表达式来描述其动力学行为经验表达式来描述其动力学行为。通常采用类似非竞争性抑制作用动力学表产物的抑制作用：通常采用类似非竞争性抑制作用动力学表产物的抑制作用：式中式中 K KPIPI产物抑制常数产物抑制常数第3章 3.2.3无抑制的细胞反应动力学无抑制的细胞反应动力学2022/10/17第53页，此课件共88页哦第3 3章章 3

41、.2.4 3.2.4 细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期 和细胞维持动力学和细胞维持动力学和细胞维持动力学和细胞维持动力学细胞间歇培养时生物量与培养时间的曲线细胞间歇培养时生物量与培养时间的曲线 0510152025tlnCX-100lnnCs235614延迟；加速（过渡）；指数生长；减速；静止；衰亡。延迟；加速（过渡）；指数生长；减速；静止；衰亡。2022/10/17第54页，此课件共88页哦 微生物细胞培养在延迟生长期内的生长速率为：微生物细胞培养在延迟生长期内的生长速率为：1、延迟生长期、延迟生长期 而

42、微生物细胞培养在延滞生长期内的比生长速率为：第3 3章章 3.2.4 细胞生长延迟期、稳定期、死亡细胞生长延迟期、稳定期、死亡细胞生长延迟期、稳定期、死亡细胞生长延迟期、稳定期、死亡 期和期和期和期和细胞维持动力学细胞维持动力学细胞维持动力学细胞维持动力学2022/10/17第55页，此课件共88页哦 由于CX0，则2 2、延滞到对数生长的过渡期、延滞到对数生长的过渡期 延滞到对数生长的过渡期内的微生物细胞的生长速率为：延滞到对数生长的过渡期内的微生物细胞的生长速率为：00第3 3章章 3.2.4 3.2.4 细胞生长延迟期、稳定期、死亡期和细胞生长延迟期、稳定期、死亡期和细胞维持动力学细胞维

43、持动力学2022/10/17第56页，此课件共88页哦在对数生长期内的微生物细胞的生长速率为：在对数生长期内的微生物细胞的生长速率为：3 3、对数生长期、对数生长期B.C.t=0，CX=CX0，t=t，CX=CX 上式积分，有:定义微生物培养的定义微生物培养的倍增时间倍增时间第第3 3章章 3.2.4 3.2.4 细胞生长延迟期、稳定期、死亡期和细胞细胞生长延迟期、稳定期、死亡期和细胞细胞生长延迟期、稳定期、死亡期和细胞细胞生长延迟期、稳定期、死亡期和细胞维持动力学维持动力学维持动力学维持动力学2022/10/17第57页，此课件共88页哦4 4、减速生长期减速生长期式中式中 kd细胞的比死亡

44、速率细胞的比死亡速率 则则第第3 3章章 3.2.4 3.2.4 细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期 和细胞维持动力学和细胞维持动力学和细胞维持动力学和细胞维持动力学2022/10/17第58页，此课件共88页哦平衡期的微生物细胞的生长和微生物细胞的死亡是平衡的平衡期的微生物细胞的生长和微生物细胞的死亡是平衡的 即5、平衡期、平衡期第第3章章 3.2.4 3.2.4 细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期 和细胞维持动力学和细胞

45、维持动力学和细胞维持动力学和细胞维持动力学2022/10/17第59页，此课件共88页哦6、衰亡期0 微生物自溶微生物自溶第第3章 3.2.4 细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期细胞生长延迟期、稳定期、死亡期 和细胞维持动力学和细胞维持动力学和细胞维持动力学和细胞维持动力学7、细胞维持动力学m-细胞维持系数2022/10/17第60页，此课件共88页哦第第3 3章 3.2.5 3.2.5 温度和温度和温度和温度和PHPHPHPH对细胞生长速率的影响对细胞生长速率的影响对细胞生长速率的影响对细胞生长速率的影响1 1、pHpH值及培养温度对细

46、胞反应的影响值及培养温度对细胞反应的影响 微生物通常微生物细胞生长因菌种的不同而具有各自的适宜的微生物通常微生物细胞生长因菌种的不同而具有各自的适宜的pHpH值的范围。这个范围一般在值的范围。这个范围一般在3 34 4个个pHpH单位，且在其范围内有最适的生单位，且在其范围内有最适的生长长pHpH。表4-1 各种细胞培养的适宜pH范围细胞类型最适pH范围细菌（大多数）放线菌酵母菌霉菌植物细胞动物细胞 6.37.5783636566.57.5 2022/10/17第61页，此课件共88页哦微生物细胞生长具有适宜的微生物细胞生长具有适宜的pHpH范围范围;在微生物细胞的生长过程中，随着底物的利用、

47、有机酸在微生物细胞的生长过程中，随着底物的利用、有机酸和氨基氮的生成，使反应体系的和氨基氮的生成，使反应体系的pHpH值发生变化。值发生变化。1 1、pHpH值及培养温度对细胞反应的影响值及培养温度对细胞反应的影响 生产中通过生产中通过pHpH电极在线测定电极在线测定pHpH的变化情况，并及时调节的变化情况，并及时调节pHpH值，使之保持在最适的范围。值，使之保持在最适的范围。pH值影响和变化值影响和变化pH值的控制值的控制第第3章章 3.2.5 温度和温度和温度和温度和PHPH对细胞生长速率的影响对细胞生长速率的影响2022/10/17第62页，此课件共88页哦1 1、pHpH值及培养温度对

48、细胞反应的影响值及培养温度对细胞反应的影响温度的影响温度的影响在适宜的培养温度范围内，细胞的生长速率为在适宜的培养温度范围内，细胞的生长速率为 温度影响微生物细胞生长且存在最适生长温度温度影响微生物细胞生长且存在最适生长温度;当提高温度到生长温度范围以外时，会导致细胞的结构物质的变性，使当提高温度到生长温度范围以外时，会导致细胞的结构物质的变性，使得生长速率下降甚至细胞死亡。得生长速率下降甚至细胞死亡。第第3 3章章 3.2.5 3.2.5 温度和温度和温度和温度和PHPH对细胞生长速率的影响对细胞生长速率的影响对细胞生长速率的影响对细胞生长速率的影响2022/10/17第63页，此课件共88

49、页哦 细胞的比生长速率与培养温度的函数关系可用细胞的比生长速率与培养温度的函数关系可用ArrheniusArrhenius方程的形式表示方程的形式表示式中式中 EuEu细胞生长的活化能（细胞生长的活化能（J/molJ/mol）AuAu细胞生长的细胞生长的ArrheniusArrhenius因子，（因子，（1/h1/h）R R气体常数，气体常数，8.3148.314（J/molJ/molK K）T T培养温度，（培养温度，（K K）温度的影响温度的影响第第3 3章 3.2.5 温度和温度和PHPH对细胞生长速率的影响对细胞生长速率的影响2022/10/17第64页，此课件共88页哦 同样细胞的比

50、死亡速率与培养温度的函数关系也可用同样细胞的比死亡速率与培养温度的函数关系也可用ArrheniusArrhenius方程的形式表示方程的形式表示 温度的影响温度的影响式中 Ed细胞死亡的活化能，（J/mol）Ad细胞死亡的Arrhenius因子，（1/h）第第3 3章章 3.2.5 3.2.5 温度和温度和PHPH对细胞生长速率的影响对细胞生长速率的影响对细胞生长速率的影响对细胞生长速率的影响2022/10/17第65页，此课件共88页哦细胞生长的最适温度不一定是产物代谢积累的最适温度细胞生长的最适温度不一定是产物代谢积累的最适温度 。活化能大的反应随温度的变化也大。由而表明细胞的死亡速率较活