生化工程,4细胞反应动力学.ppt

动力学是什么？ 是发动机、电动机提供动力？ 动力学：研究力与运动的关系。 一级方程式赛车索伯车队的负责人彼得?索伯认为:“如果您了解一下能够影响到一级方程式车赛的所有相关工程因素,您会发现其中的70%是空气动力学.功率~速度~流场 生化反应动力学：研究生化反应速率变化的工程科学。 生化反应的推动力~反应速率~反应过程的数学描述 反应速率:单位时间内反应物的浓度变化(如dS/dt) 为什么要研究反应动力学？ 反应动力学~数学建模~数学表达式； 数学建模是用数学语言来描述实际现象的过程； 对生化反应现象的数学抽象~反应速率方程~求解方程~反应物的浓度变化进程； 科学家研究并理解了生化反应的规律，但机器和电脑不知道。如何让机器知道这样一种规律，就需要将我们的语言翻译成数学语言，最后实现生化反应的机器学习和自动控制； 因此需要研究反应动力学。 木桶原理：无论一个木桶有多高，它的盛水高度取决于其中最低的那块木板。 如果把“细胞的生长过程”比喻为木桶，那么限制性底物就是木桶中最低的那块板。 底物限制细胞生长　~ 底物抑制细胞生长 比生长速率概念的引出 在一个1mL的反应容器中，1个细菌1 min分裂产生10个细菌; 反应速率为9个/(mL·min) 哪个反应速率大？ 哪种细菌生产效能大？为什么？ 菌体数量不一样？如何更科学地衡量？ 采用比生长速率！ 细胞浓度变化量/(时间·催化剂浓度) 在一个1mL的反应容器中，100个细菌1min分裂产生200个细菌; 反应速率为100个/(mL·min) 注意：单位催化剂浓度时，反应物或产物的反应速率变化！ Monod方程与M-M方程的比较 * * * * * * * * * * * * Page 156 * * * * * * * * * * * * * ks * III.代谢模型 葡萄糖(S) 乙醇(E) A B a1xrA a3xrB rC rA a2xrA 基质消耗 rB 酵解 芽生过程 葡萄糖作为基质 乙醇作为基质 在代谢过程中，假设： 人为地将酵母分为两部分A和B 一方面，A部分酵母利用消耗葡萄糖产生乙醇、能量并生长形成B部分酵母 另一方面，A部分酵母消耗乙醇产生能量和生长形成B部分酵母 B部分酵母以一定的速率转化为A部分酵母（符合一级反应动力学） * 根据上面的代谢结构图，可以写出方程 式中，rA, rB, rC 是三个过程的生长速率(见上一页的模型图) a1, a2, a3为各自的得率系数 式中，KS和KE是酵母A分别以葡萄糖和乙醇为基质生长时的饱和常数 mm1和mm2是酵母A分别以葡萄糖和乙醇为基质生长时的最大比生长速率 k是B转化为A的速率常数 * * * * * * * * * * 一般来说，每克细胞干重的微生物中含0.46 g 碳元素。 但因微生物种类和底物种类的改变而改变。 细菌典型的化学式可表示为: CH1.8O0.5N0.2 以葡萄糖为唯一碳源时的好氧发酵过程， YX/S = 0.38~0.51 g DW/g 葡萄糖. * * * * §4.2 细胞反应的动力学研究 描述发酵过程的数学模型在理论研究和实践控制方面的用途。 数学模型能描述所考察体系各变量的关系。 平衡方程(质量平衡, 能量平衡) 反应速率方程(传递, 产物合成, 底物消耗速率) 热力学方程(EOS, EOS: Equation of State)包括，焓变和自由能的变化 Henry’s law: 在一定的温度和平衡状态下，挥发性溶质i的分压力pi和它在溶液内的摩尔分数xi成正比, pi=ki xi ΔG:自由能; ΔH:焓; ΔU:内能; ΔS:熵(体系能量分散程度的状态函数); ΔG0:标准自由能 第一定律：能量守恒定律。能的形式可以转变，但不会消灭。 第二定律：在隔离体系中，一个过程只有当其体系和周围环境的熵值总和增加时才能自发进行。即ΔG0时，体系才能自发进行。 ΔH= ΔU+ ΔPV ΔG= ΔH-T ΔS　　　　(Gibbs自由能公式) 通常人们把可用的能量分为两种。一种是热能，热能做功只能引起温度或压力的变化；另一种是自由能，这种能可在恒温恒压下做功。 只有当ΔG0的时候，反应才能进行。 对于化学反应式：aA + bB == cC +dD ΔG= ΔG0 + RT lnK 反应体系达到平衡时， ΔG= 0 此时， ΔG0‘＝ -RT lnKeq’ 由于这些过程是ΔG1＞0的过程，因此自身是不能自发进行的，需要同时偶联其它- ΔG2很大的过程，使原来不能自发进行的过程得以顺利进行(ΔG1 +ΔG 2＜0)。 * * * * Substrate-limited AND substrate inhibition 辨明 底物限