22生物反应器设计基础(细胞反应动力学).ppt

第二章 生物反应器设计基础 * * 化学计量基础 生物反应的质量衡算 生物反应过程的得率系数 生物学基础 细胞数动力学 无抑制的细胞生长动力学 有抑制的细胞生长动力学 产物形成动力学 环境因素对生长及代谢的影响 传质 气-液传质 液体-微生物传质 传热 剪切力问题 细胞反应过程特征 细胞反应过程系：以细胞为反应主体的一类生化反应过程。包括微生物反应和动植物细胞培养过程。 细胞反应过程主要特性： （1）细胞是反应过程的主体； （2）细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系； （3）细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同： (一) 酶催化反应为分子水平上的反应，酶本身不进行再生产； (二) 在细胞反应过程中细胞的形态、组成、活性都处于动态变化过程。 营养物（C源、N源、O2、无机盐类等）→细胞+代谢产物（产物、C O2、 H2O等） CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2 对化学方程式进行元素衡算，得下列方程组： 生物反应的质量衡算 细胞反应的元素衡算： CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2 根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程： 还原度 ：某化合物中每一克碳原子的有效电子当量数。 化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢的还原度为: N = 3, H = 1 细胞反应过程的得率系数 对基质的细胞得率Yx/s 对氧的细胞得率Yx/o 对基质的产物得率Yp/s 对碳的细胞得率YC 基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系 比生长速率μ：生长速度大小的参数。 维持的定义： 式中YXS－细胞对基质的得率； －最大得率；ms －维持系数； μ－比生长速率。 无产物时，基质的线性方程： 式中σ－合成单位细胞的基质消耗速率；π－单位细胞的产物生产率。 有产物时，基质的线性方程： 细胞数动力学 细胞生长分为几个阶段：停滞期、对数生长期、减速期、平衡期和死亡期。 图2.1 典型的细菌生长曲线 在指数生长期，细胞量生长速度为： 细胞数增长速度为： 对式2.7在t0→t，X0 → X积分，得： 由式2.9，得倍增时间td： 微生物细胞μmax值较大，倍增时间约0.5～5h，而动物细胞μmax值小得多，动物细胞的倍增时间约15～100h，植物细胞倍增时间约24～74h。 Monod方程(无抑制的细胞生长动力学)： 无抑制的细胞生长动力学 Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设为： (1) 细胞的生长为均衡式生长； (2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长； (3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。 Monod方程仅适用于细胞生长较慢和细胞密度较低的环境下。 式中μ为比生长速率;μmax为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数, 当μ ＝μmax/2时的限制性基质浓度。 有抑制的细胞生长动力学 基质抑制动力学 对反竞争性抑制，其抑制机理可假设为： ∴ 式中 细胞比生长速率μ为： ,而 ∵ ∴ 对竞争性抑制，细胞比生长速率为： 对非竞争性抑制，细胞比生长速率为： 反竞争性抑制 非竞争性抑制 竞争性抑制 无抑制 细胞生长动力学 米氏公式 类型 表2.1 有无抑制的酶促反应动力学和细胞生长动力学比较 产物的抑制动力学 几个经验公式： 产物形成动力学 Gaden根据产物生成速度与细胞生长速度之间的关系，将代谢产物生成动力学分为三种类型： 类型Ⅰ(相关模型)：是指产物的生成与细胞的生长相关的过程，产物是细胞能量代谢的结果。属于此类型的有乙醇、葡萄糖酸、乳酸的生产等。 产物形成动力学： Ⅰ 图2.2 Gaden类型Ⅰ *