04第四章细胞反应动力学(CN).pptVIP

第四章 细胞反应过程动力学 YX/S值保持不变的条件： 化学合成培养基 唯一碳源 无胞外产物或生长偶联型 胞内不积累贮藏性能源物质 YX/S的应用 在实际发酵过程中常常随不同生理状态而变化 明确底物的消耗状况 跟踪营养物的流向 §4.4 参数估计 §4.4.1 积分法 仅能应用于简单的动力学模型 First-order kinetics Zero-order kinetics Growth associated product accumulation Logistic equation Monod equation Monod方程的解析解 数值计算求解 §4.5 细胞反应动力学的结构模型 内源性的代谢维持 系数范围: ms = 0.02~4 (kg 底物/kg 细胞·h-1) 在微生物不生长也不生产产物时，仍消耗底物，这是为了满足微生物的维持需要，支持细胞存活、细胞运动、酶合成、渗透压、营养贮存和其它过程。 底物消耗动力学 where the expressions of rPi could be one of the above three product formation rate equations, according to the characteristics of the corresponding product (growth-associated or not). 对于有许多产物合成的发酵过程，底物的消耗速率可以表示为： Also, 用于细胞生长 用于产物合成 代谢维持 细胞生长动力学 (X) 产物合成动力学 (P) 底物消耗动力学 (S) 细胞反应动力学 §4.3 分批培养的动力学方程 生长条件是不稳定的，一直在变化的：随着细胞生长过程的进行，反应器中的营养物浓度，细胞浓度，产物浓度都随反应时间而变化。 三种培养方式 分批培养 连续培养 补料-分批培养 S, X, P = f(t) 这种培养方式很简单，因此广泛地在实验室和生产实践中应用。 §4.3.1 Introduction 典型的大肠杆菌生长曲线 延滞期 对数期 稳定期 死亡期 生长曲线可分为4个时期. 延滞期 接种后，细胞的生长进入延滞期。这个期间是细胞的适应调整期，细胞在一个新的环境中生存，需要根据新环境的营养特点重新调整细胞体内的酶系及代谢过程，以使自身能适应新的环境并开始生长和繁殖。 怎样减少延滞期的时间 ? 可以让细胞有一个预适应的过程，种子的二级培养。 种龄是对数期的（年青，有生命力） 加大接种量 优化培养基的培养条件（化学组成和物理条件） 加入一些生长因子（微量元素，维生素等） 当培养基中含有2种碳源时，可能会有多个延滞期的出现。 这种现象称为二次生长. 当一种碳源被利用完后，细胞还需重新调整细胞体内的酶系和代谢途径以适应另一种碳源的利用，这需要一个调整的过程。 二次生长 对数生长期 (Exponential Growth Phase) 延滞期结束后，微生物适应了新的环境，其生长过程进入倍增生长的过程，生物量或微生物的数目随着分裂周期而倍增。 对数生长速率方程符合一级动力学方程 with X = X0, at t = 0 = constant 积分得到, or 对数生长的特征是：在半对数坐标系中，以lnX 对 t 作图,得到一条直线。 细胞的倍增时间: t t lnX X 稳定期 在稳定期时,细胞的净生长速率为0, 即生长速率 = 死亡速率 但是在稳定期时，细胞仍保持着代谢活力并合成次级代谢产物, （非偶联型代谢产物）. 死亡期 在稳定期结束时，随着营养物耗竭，或者是有害代谢副产物的积累，导致细胞的生长进入死亡期。 细胞的死亡速率一般遵循一级反应动力学 积分得到, where, Xv 活细胞浓度 XS是稳定期时的细胞浓度 §4.3.2 分批发酵动力学 (是一个非稳态的过程) 对于分批培养: Fi = Fo = 0, then dV/dt = 0 where rSX 用于细胞生长的底物消耗; rSm用于代谢维持的底物消耗 rSP用于产物合成的底物消耗 细胞生长速率: 产物合成速率: 底物消耗速率: 当代谢维持可以忽略时. 注意：μ不是一个常数 应用Monod 方程并且不考虑产物的合成，也不考虑代谢维持，只考虑细胞的生长和底物的消耗时（简化模型） 积分 (比生长速率) (细胞对底物得率) 这时，YX/S是一个恒定值，且 If X0→0, then, 对于分批培养 X Xopt rX,opt S0 Sopt rX,opt 积分法 微分法 实验测得S(t),X(t), 求解微分方程组, 线性化或数值解 实验测得反应速率， 直接由速率方程估计参数 (1) (2) (3) 将(