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1、李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering一个问题(以生成菌体为例)总得率 总收率？李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering细胞生长及代谢过程动力学细胞生长及代谢过程动力学李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering本节课主要内容本节课主要内容4.1细胞生长的特点、描述方法细胞生长的特点、描述方法4.2分批培养中细胞的生长分批培养中细胞的生长4.3分批培养中细胞生长动力学分批培养中细胞生长动力学4.4分批培养中基质的
2、消耗动力学分批培养中基质的消耗动力学4.5分批培养中产物的生成动力学分批培养中产物的生成动力学李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering生物培养体系的特点生物培养体系的特点反应途径复杂反应途径复杂反应物（基质）成分复杂反应物（基质）成分复杂生成的产物生成的产物( (菌体、目的产物、副产物菌体、目的产物、副产物) )复杂复杂体系复杂（多相体系）体系复杂（多相体系）反应过程体系成分变化反应过程体系成分变化 对生物反应进行定量研究的基础是对生物反应进行定量研究的基础是生物反应动力学。生物反应动力学。李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生
3、物化学工程基础Biochemical Engineering什么是动力学什么是动力学 生物过程动力学研究的主要问题生物过程动力学研究的主要问题: * * 细胞生长的速率细胞生长的速率 * * 基质消耗的速率基质消耗的速率 * * 代谢产物的生成速率。代谢产物的生成速率。 定量地描述定量地描述速率速率随时间的变化规律以及随时间的变化规律以及与影响过程速率诸因素的关系。与影响过程速率诸因素的关系。李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering动力学表述的形式动力学表述的形式真养产碱杆菌代谢曲线 李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学
4、工程基础Biochemical Engineering4.1 细胞生长的特点、描述方法细胞生长的特点、描述方法 细胞的培养和代谢是一个复杂的细胞的培养和代谢是一个复杂的群体的生命活动群体的生命活动，通常每毫升培养液中含通常每毫升培养液中含104108个细胞。个细胞。 细胞都经历新生、成长、成熟直至衰老的过程。细胞都经历新生、成长、成熟直至衰老的过程。李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering微生物的生长形式微生物的生长形式李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering均衡生长模型
5、均衡生长模型 通常简称为：通常简称为：均衡生长模型均衡生长模型。 不考虑细胞内部的结构不考虑细胞内部的结构(组分组分)， 不考虑各种细胞之间的差异，不考虑各种细胞之间的差异， 将细胞看成一种将细胞看成一种“溶质溶质”.李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering4.2 分批培养中细胞的生长分批培养中细胞的生长细胞的批式培养细胞的批式培养 间歇的、非稳态过程。间歇的、非稳态过程。? 细胞浓度、基质浓度、产物浓度、均不断发生变化。细胞浓度、基质浓度、产物浓度、均不断发生变化。 物质交换：通气（好氧）物质交换：通气（好氧） 加入酸碱溶液调节培
6、养液的加入酸碱溶液调节培养液的pHpH， 补加营养物质补加营养物质 排出废气排出废气( (包括二氧化碳包括二氧化碳) ) 是一种最简单、应用最广泛的基本培养方式。是一种最简单、应用最广泛的基本培养方式。李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering添加大标题(d)Deathphase:cellsbegintodieLagPhaseLogarithmicgrowthphaseStationaryPhaseDeathPhase批式培养菌体生长时变曲线批式培养菌体生长时变曲线(a)Lagphase:cellsbegintosynthesizei
7、nducibleenzymes.(b)Logarithmicgrowthphase:thespecificgrowth rateofmultiplicationisconstant.(c)Stationaryphase:deathrateisequaltorateofincrease.停滞期（延迟期）快速生长期稳定期死亡（衰亡）期李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering4.2.1 延迟期延迟期细胞浓度的增加不明显。细胞浓度的增加不明显。适应新培养环境。适应新培养环境。细胞须合成有关酶来利用该营养物质。细胞须合成有关酶来利用该营养物质
8、。种子年轻延迟期较短，种子年轻延迟期较短，种龄种龄较老的种子较老的种子延迟期较长。延迟期较长。不同培养条件下的种子影响延迟期不同培养条件下的种子影响延迟期同样种龄的种子，同样种龄的种子，接种量接种量愈大则延迟期愈大则延迟期愈短。愈短。 李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering接种量对延迟期的影响接种量对延迟期的影响限制性基质浓度限制性基质浓度s0一定，细胞初浓度一定，细胞初浓度X0不同；不同；延迟期延迟期李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering4.2.2 快速生长期快速生
9、长期细细胞胞浓浓度度随随培培养养时时间间快快速速增增长长，称称为为指指数生长期数生长期(快速生长期快速生长期)。培培养养液液中中的的细细胞胞浓浓度度愈愈大大，细细胞胞浓浓度度的的增长速率也就愈大。增长速率也就愈大。李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering4.2.3 静止期静止期细胞浓度不再增大，达到最大值细胞浓度不再增大，达到最大值原因：原因：营养物质耗尽或有害物质的大量积累营养物质耗尽或有害物质的大量积累 营养物质的供给不足以使得生物生长营养物质的供给不足以使得生物生长 人为控制生长停止人为控制生长停止 细胞死亡速率等于生长速率细
10、胞死亡速率等于生长速率 李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering4.2.4 衰亡期衰亡期细胞死亡成了主要因素，活细胞浓度不断下降。细胞死亡成了主要因素，活细胞浓度不断下降。 生产过程在进入衰亡期之前结束。生产过程在进入衰亡期之前结束。 李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering4.3 细胞生长动力学细胞生长动力学其中其中X 细胞浓度细胞浓度t培养时间培养时间；比生长速率，时间比生长速率，时间-1。比比生长生长速率速率的定义的定义（ specific growth rate
11、）：）： 比生长速率比生长速率与细胞种类、培养温度、与细胞种类、培养温度、pHpH、培培养基组成和限制性基质浓度等因素有关。养基组成和限制性基质浓度等因素有关。李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering其它比速率定义其它比速率的定义：当当n n为为X X（细胞浓度）时：比生长速率（细胞浓度）时：比生长速率当当n n为为S S（基质浓度）时：比消耗速率（基质浓度）时：比消耗速率当当n n为为P P（产物浓度）时：比生成速率（产物浓度）时：比生成速率。李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engi
12、neering生长动力学数学表达式生长动力学数学表达式 在快速生长期，比生长速率达到最大值在快速生长期，比生长速率达到最大值m，为常数为常数常数？ t t1 1时的细胞浓度为时的细胞浓度为X X1 1， 则则t t2 2时的细胞浓度时的细胞浓度X X2 2为：为：or李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering倍增时间倍增时间 细胞浓度增长一倍所需时间称为倍增时间细胞浓度增长一倍所需时间称为倍增时间( (doubling doubling time)time)或增代时间或增代时间( (代时代时)(generation time)(gen
13、eration time)。估算式为：。估算式为：微生物细胞的倍增时间较短微生物细胞的倍增时间较短。 细菌一般为0.75-1h， 酵母菌约为0.6-2h; 霉菌约为2-8h。动植物细胞的倍增时间较长。动植物细胞的倍增时间较长。 哺乳动物细胞一般为15-100h； 植物细胞约为24-74h。李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering4.3.1 单基质限制的生长动力学单基质限制的生长动力学当培养液当培养液只有一种限制性基质只有一种限制性基质S时时 限制限制抑制抑制其中：其中：m 最大比生长速率，最大比生长速率，s-1 S 限制性基质浓度，
14、限制性基质浓度，mol/m3 Ks 饱和常数（饱和常数（Monod常数），常数）， mol/m3 表示细胞生长对限制性基质摄取能力的程度，数值上为比生长速率表示细胞生长对限制性基质摄取能力的程度，数值上为比生长速率为最大比生长速率一半时的基质浓度。为最大比生长速率一半时的基质浓度。orMonod方程方程李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering一些细胞的饱和常数（一些细胞的饱和常数（Monod常数）常数）细胞细胞限制性基质限制性基质Ks 10-3kg/m3大肠杆菌大肠杆菌葡萄糖葡萄糖0.068甘露醇甘露醇2.0乳酸乳酸20PO43-1
15、.6曲霉曲霉葡萄糖葡萄糖5.0假丝酵母假丝酵母甘油甘油4.5氧氧0.45酵母酵母葡萄糖葡萄糖25假单胞菌假单胞菌甲醇甲醇0.7甲烷甲烷0.4克雷伯氏菌克雷伯氏菌二氧化碳二氧化碳0.4Mg2+0.59K+0.39SO42-2.7烟草细胞烟草细胞葡萄糖葡萄糖250果糖果糖940李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering生长模型的分析当当SKSKs s 通常通常S 10S 10K Ks s m m= =常数常数当当SKSKs s 通常通常1010S KS Ks s 李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemica
16、l Engineering4.3.2 动力学模型的修正动力学模型的修正 细胞浓度较高时，传质受到限制，影响了细胞对基细胞浓度较高时，传质受到限制，影响了细胞对基质的摄取，生长受到影响。质的摄取，生长受到影响。怎样修正来体现高浓度菌体的影响？Contois方程方程李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering4.4 分批培养中基质的消耗动力学分批培养中基质的消耗动力学 在分批培养时，基质的减少（消耗）走向？在分批培养时，基质的减少（消耗）走向？生成细胞（细胞生长）生成细胞（细胞生长）产物生成产物生成维持代谢维持代谢李强化工系生化所抗体与生物
17、催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering限制性基质消耗的物料衡算？李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering基质消耗动力学表达式同理：同理：基质消耗动力学表达式：基质消耗动力学表达式：李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering各种比速率之间的关系李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering4.5 分批培养中产物的生成动力学分批培养中产物的生成动力学分三种情况：分三种情况：1 1）产物
18、生成只跟菌体生长速度有关）产物生成只跟菌体生长速度有关（乙醇发酵）乙醇发酵）2 2）产物生成跟菌体生长速度无关，只跟菌体的浓度有关）产物生成跟菌体生长速度无关，只跟菌体的浓度有关 （抗生素发酵）（抗生素发酵）3 3）跟菌体生长速度和菌体的浓度都有关（）跟菌体生长速度和菌体的浓度都有关（乳酸和柠檬酸发酵乳酸和柠檬酸发酵）其中：其中：P 产物浓度产物浓度 YP/X （） 产物对于细胞的得率系数。产物对于细胞的得率系数。产物生成动力学：产物生成动力学：第一种李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering第二种产物生成动力学：产物生成动力学：第三
19、种产物生成动力学：产物生成动力学：李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering分批培养中产物生成与细胞生长的关系分批培养中产物生成与细胞生长的关系(a)与生长相关；与生长相关；(b)与生长部分相关；与生长部分相关；(c)与生长不相关与生长不相关生长耦联型生长耦联型混合生长耦联型混合生长耦联型非生长耦联型非生长耦联型李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering动力学模型汇总动力学模型汇总本征得率系数本征得率系数表观得率系数表观得率系数李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学
20、工程基础Biochemical Engineering生物培养过程动力学最重要的是？菌体生长动力学李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering作业三作业三 1.1.面包酵母发酵生产单细胞蛋白的过程中，菌体的倍增时间面包酵母发酵生产单细胞蛋白的过程中，菌体的倍增时间是是90min90min，菌体生长符合，菌体生长符合MonodMonod方程的规律，当以葡萄糖为唯一方程的规律，当以葡萄糖为唯一限制性基质时，其限制性基质时，其MonodMonod常数常数KsKs为为1.0g/L1.0g/L。当发酵初始葡萄糖浓。当发酵初始葡萄糖浓度为度为50g
21、/L50g/L，菌体初始浓度为，菌体初始浓度为0.1g/L0.1g/L时，如果菌体对葡萄糖的时，如果菌体对葡萄糖的表表观得率系数观得率系数为为0.45g0.45g菌体菌体/g/g葡萄糖，生成的乙醇对于菌体的表观葡萄糖，生成的乙醇对于菌体的表观得率系数为得率系数为0.3g0.3g乙醇乙醇/g/g菌体，请计算如下数据：菌体，请计算如下数据： 1 1）计算出）计算出MonodMonod参数，并列出菌体生长动力学具体模型。参数，并列出菌体生长动力学具体模型。 2 2）发酵多长时间以后，菌体浓度可以达到）发酵多长时间以后，菌体浓度可以达到15g/L15g/L？ 3 3）当乙醇浓度达到）当乙醇浓度达到3g
22、/L3g/L时，需要发酵多长时间？时，需要发酵多长时间？ 2.2.一个微生物培养体系，在最佳条件下，菌体的倍增时间是一个微生物培养体系，在最佳条件下，菌体的倍增时间是5 5小时，如果菌体量长到原来菌量的小时，如果菌体量长到原来菌量的100100倍，最快需要多长时间，倍，最快需要多长时间，此时菌体传代约多少代？此时菌体传代约多少代？在基因工程菌的研究中，经常会研究转入基因的稳定性问题，在基因工程菌的研究中，经常会研究转入基因的稳定性问题，最常用的一个评价指标就是菌体传若干代以后看转入的基因丢最常用的一个评价指标就是菌体传若干代以后看转入的基因丢失情况，如果要用三角瓶培养研究失情况，如果要用三角瓶培养研究100100代以后的基因丢失情况，代以后的基因丢失情况，如果每次接种量分别为如果每次接种量分别为10%10%、1%1%和和0.1%0.1%的话，需要约转多少次摇的话，需要约转多少次摇瓶以后才能达到瓶以后才能达到100100代？代？李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical EngineeringThe end
