第二章 细胞反应过程动力学

第二章细胞反应动力学2.1微生物反应过程概论•2.1.1微生物反应过程主要特征•（1）微生物是该反应过程的主体•（2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系•（3）微生物反应是非常复杂的反应过程复杂性表现1.代谢成网络化分布，并相互影响，无法完全了解清楚2.反应体系中的细胞生长、基质消耗和产物生成，三者的动力学规律既有联系，又有明显差别，且有各自的最佳反应条件。3.时变性强，非线性4.无法准确计量、定量5.多相：气相、液相和固相6.多组分：培养基中多种营养成分，多种代谢产物，细胞内也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。7.复杂的群体性：同时存在不同生理特性、不同活力的细胞群体。与酶反应比较催化剂酶微生物(细胞)反应类型单一，高度选择性复杂，由一系列生化反应组成有效催化剂浓度不增殖一般增殖催化剂稳定性失活衰老、菌种退化、质粒丢失底物单一，有时需辅酶各种营养物质、前体物质，自身具备辅酶再生及能量供应体系副产物少，较易纯化多，纯化困难供氧不重要对耗氧菌很重要2.1.2微生物反应动力学的描述方法•微生物反应动力学包括细胞生长动力学、反应基质消耗动力学和代谢产物生成动力学，其中细胞生长动力学是其核心。为了描述细胞培养过程的细胞质量、底物质量、产物质量的变化关系，在细胞反应动力学中用细胞反应的速率、细胞反应的比速率、细胞反应的得率等来描述。其定义分别如下：（1）细胞反应的速率表示为单位反应体积、单位时间内的某一组分的量的变化。在细胞反应中主要的反应的速率有：①细胞生长速率式中CX——细胞浓度，（g/L）t——时间，（h）细胞浓度通常用单位体积的培养液中的细胞（或菌体）的干燥质量表示。细胞浓度一般用质量单位表示，很难用摩尔单位表示。dtdCrXX②底物消耗速率式中CS——底物浓度，（g/L）或（mol/L）③氧消耗速率式中CO——单位体积的培养液中O2的消耗量，（g/L）或（mol/L）dtdCrSSdtdCrOO④产物生成速率式中CP——产物浓度，（g/L）或（mol/L）⑤CO2生成速率式中CCO2——单位体积的培养液中CO2生成量，（g/L）或（mol/L）dtdCrPPdtdCrCOCO22⑥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）dtdCrHH（2）细胞反应的比速率：单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念（不同反应间的对比，消除细胞量的效应）在细胞反应中主要的反应的比速率有：①细胞的比生长速率（1/h）1lnxXXXxrdCCdtCdCdt②底物的比消耗速率（1/h）或（mol/g·h）③氧的比消耗速率（1/h）或（mol/g·h）④产物的比生成速率（1/h）或（mol/g·h）1SsSXXdCrqCdtC1OoOXXdCrqCdtC1pPPXXrdCqCdtC⑤CO2的比生成速率（1/h）或（mol/g·h）⑥热量的比生成速率（kJ/g·h）2221COCOCOXXdCrqCdtC1HHHXXdCrqCdtC（3）细胞反应的得率①细胞对底物的得率在间歇的培养过程中的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培养基的营养成分的组成、细胞的活性是变化的，所以瞬时的细胞对底物的得率可表示为SXSXMMY消耗的底物的质量生长的细胞的质量/SXSXSXdCdCrrY/间歇培养的细胞对底物的总得率SSXXSXCCCCY00/②细胞对氧的得率在间歇的培养过程中的细胞对氧的瞬时得率为OXOXOXdCdCrrY/MoMYXOX消耗的氧的质量生长的细胞的质量/③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SPSPMMY消耗的底物的质量生成的产物的质量/SPSPSPdCdCrrY/④生成的热量对底物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SSHMHY消耗的底物的质量生成的热量/SHSHSHdCdCrrY/2.2细胞反应计量学反应计量学是对反应物系的组成或反应的程度的量化的研究。通过反应计量学可以得到反应组成分的数量关系及变化规律。反应计量学反应工程学的理论基础反应热力学反应动力学微生物细胞化学组成的主要物质为C、H、O、N，及P、S、K、Na等。可将细胞以一般的化学物质的表达形式写作CHON。典型的微生物细胞的组成为CH1.8O0.5N0.2。例如大肠杆菌细胞的化学组成（以干基计%）成分含量成分含量CHONPSK5020814311NaCaMgClFe其他10.50.50.50.20.32.2.1忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系对忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系可表示为CmHnOl+aO2+bNH3cCHON+dCO2+eH2O底物碳源氮源细胞对C元素：（1）对H元素：（2）对O元素：（3）对N元素：（4）dcmecbn23edcal22cb上述4个细胞反应的计量方程，不足以计算a、b、c、d、e等5个未知量，因而再寻找1个方程，如在好氧型培养时，可定义呼吸商作为第5个方程（5）联立1～5式，有解得细胞反应方程的a、b、c、d、e等5个系数adRQ/0001000010120220300100lnmedcbaRQ2.2.2细胞反应的化学平衡通式底物用于转化为细胞的化学平衡式为aCmHnOl+bO2+cNH3=dCHON+eH2O+fCO2底物细胞（1）底物用于转化为产物的化学平衡式为a’CmHnOl+b’O2+c’NH3=d’C’H’O’N’+e’H2O+f’CO2产物（2）将a/a’乘（2）式有aCmHnOl+(ab’/a’)O2+(ac’/a’)NH3=(ad’/a’)C’H’O’N’+(ae’/a’)H2O+(af’/a’)CO2（3）以F表示底物转化为产物的分率，则(1-F)为底物转化为细胞的分率，用F乘（3）式有FaCmHnOl+(Fab’/a’)O2+(Fac’/a’)NH3=(Fad’/a’)C’H’O’N’+(Fae’/a’)H2O+(Faf’/a’)CO2（4）用(1-F)乘（1）式有(1-F)aCmHnOl+(1-F)bO2+(1-F)cNH3=(1-F)dCHON+(1-F)eH2O+(1-F)fCO2（5）（4）式与（5）式相加，有aCmHnOl+{b-F[(a’b-ab’)/a’]}O2+{c-F[(a’c-ac’)/a’]}NH3=(Fad’/a’)C’H’O’N’+d(1-F)CHON+{e-F[(a’e-ae’)/a’]}H2O+{b-F[(a’f-af’)/a’]}CO2_——细胞反应的化学平衡通式2.3细胞反应的碳平衡2.3.1细胞反应的碳元素平衡对细胞的反应过程的底物（S）、产物（P）、细胞（X）和CO2之间可建立其碳元素平衡关系。dtdCdtdCOdtdCdtdCPXS42321或式中qS—底物的比消耗速率，(mol/g·h)—细胞的比生长速率，(1/h)PCOSqqq42321dtdCCqSXS1dtdCCXX1qCO2—CO2的比生成速率，(mol/g·h)qP—产物的比生成速率，(mol/g·h)dtdCOCqXCO221dtdCCqPXP11—1mol底物中的碳元素的含量（g/mol），例如葡萄糖为底物时1=72(g/molglucose)；2—1g细胞中的碳元素的含量（g/g），一般2≈0.5(gC/gbiomass)；3—1molCO2中的碳元素的含量（g/mol），3=12(g/molCO2)；4—1mol产物中的碳元素的含量（g/mol）例如产物为乙醇时4=24(gC/molethanol)；产物为乙酸时4=24(gC/molaceticacid)；产物为乳醇时4=36(gC/mollacticacid)；2.3.2细胞反应的碳源平衡对细胞反应，底物的消耗（−∆CS）可由如下项组成满足于细胞生长所需的碳源底物消耗(−∆CS)G细胞维持的碳源底物的消耗(−∆CS)m生成产物的碳源底物的消耗(−∆CS)P即PSmSGSSCCCC)()()()(或引入细胞对底物的得率及产物对底物的得率的概念，有：PSmSGSSdtdCdtdCdtdCdtdC或dtdCYmCdtdCYdtdCPSPXXSXSmax/max/11PSPSXSqYmYqmax/max/11其中YX/Smax——细胞对底物的理论得率，YP/Smax——产物对底物的理论得率，YX/Smax的意义为用于同化为细胞的碳源底物消耗所得到的细胞的得率，即称之为“细胞对底物的理论得率”或“细胞对底物的最大得率”。表示细胞对底物得率的最大的可能性。GSXSXdCdCY)(max/PSPSPdCdCY)(max/YX/Smax与YX/S的单位为g/mol或g/(L·h)]/[mol/(L·h)]。YP/Smax的意义为用于异化为产物的碳源底物消耗所得到的产物的得率，即称之为“产物对底物的理论得率”或“产物对底物的最大得率”。表示产物对底物得率的最大的可能性。SXSXdCdCY/SPSPdCdCY/YP/Smax与YP/S的区别在于YX/Smax与YX/S的区别在于在以培养细胞为目的的细胞反应的过程中，代谢产物的积累可忽略不计的情况下，有上式为qS关于μ的直线方程，可通过这一直线方程求取YX/Smax和m。将上式改写，有mYqSXSmax/1mYqSXSmax/1即是1/YX/S关于1/μ的线性方程，截距为1/YX/Smax，斜率为m。mYYdCdCdtdCCdtdCCSXSXSXXXSXmax//111112.4细胞反应的ATP的平衡经典的生物化学指出：在有氧条件下TCA循环葡萄糖+38ADPCO2+H2O+38ATP在嫌气条件下酵解途经葡萄糖+2ADP乳酸+2ATP细胞对ATP的得率YX/ATP一般底物为供能的限制性底物时,在厌氧条件下YX/ATP≈10(gbiomass/molATP)/1molATPmolXATPY细胞对碳源消耗的得率碳源由分解代谢产生的的数能量生长的偶联型与非偶联型细胞的生长过程依靠ATP的高能键释放的能量将细胞的构成材料合成为细胞的高分子物质（如蛋白质、DNA、RNA、脂类、多糖等）能量生长的偶联型当有大量的细胞构成材料时，细胞的生长取决于ATP的供能，这种生长为能量生长的偶联型。能量生长的非偶联型当缺少细胞构成材料或细胞生长受抑制时，细胞的生长取决于细胞构成材料的供给，这时多余的ATP的高能键会被酶分解，能量以废热释放，这种生长为能量生长的非偶联型。此时YX/ATP10(gbiomass/molATP)2.5细胞反应的能量平衡通过对细胞反应的能量平衡来确定在反应过程中的能量的相对利用有机物的氧化焓变和有效电子转移微生物细胞利用碳源的分解过程所释放的能量，通过ATP等贮能物质，获得自身生长的能量。所有物质的氧化总是伴随着电子转移，物质在氧化过程中，每个氧气分子可以接受4个电子，将物质在氧化过程中伴随着能量释放所进行的电子转移称为有效电子转移。例如H2+0.5O2→H2O△H=－241.4kJ/mol其有效电子转移数为2，记作2(ave－)。葡萄糖完全氧化的反应C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O其有效电子转移数为6×4=24(ave