微生物反应动力学

微生物反应动力学朱震刚Tel:5591429Email:[e-mail]中国科学院合肥物质科学研究院安徽230031合肥市1129信箱我们从哪里来?宇宙从哪里来?宇宙起源于一次天体大爆炸科学依据：•20世纪20年代比利时乔治·勒梅特提出的宇宙大爆炸假想。•苏联伽莫夫推算了宇宙大爆炸理论。•1965贝尔实验室阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在使用大型通信天线，本底的噪音无法克服；•普林斯顿大学罗伯特·迪克；•艾伦·古思（不断膨胀的宇宙）比喻：彭齐亚斯和威尔逊的发现，把我们从帝国大厦100层楼看的离地面不到1厘米的距离。辩证自然观：宇宙是由混沌中产生—大爆炸！此后，一条以宇观链，即天体演化和地质演变；一条以微观、宏观链，后又以物理进化、化学进化、生物进化和社会进化四阶段发展。物质场实物微观宏观链宇观宏观链夸克总星系基本粒子原子核原子分子生物大分子细胞生物个体种群人类人类社会精神物理进化化学进化生物进化社会进化微观链引力场强场弱场电磁场宏观链星系团星系恒星行星（地球）物质凝聚态原材料工农业产品（计算机）人工智能机器人信息天体演化地质演化宇观链人工自然进化宏观链地球发展自然史•137亿年前宇宙起源于“大爆炸”(1965贝尔实验室阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊；普林斯顿大学罗伯特·迪克；苏联乔治.伽莫夫）•49亿年前形成太阳系和地球;•39亿年前地球上出现原始生命;•27亿年前出现会进行光合作用细胞;大气中氧积累•17亿年前出现多细胞生物;•5.5亿年前（寒武纪）物种大爆发（1500万年);•4.3亿年前(志留纪)物种大爆发,海洋生物登陆;•2.5亿年前（二叠纪末）大量物种灭绝（中科大,沈延安)•6500万年前恐龙突然灭迹,小型脊椎动物和哺乳动物得以繁衍;•600∼700万能前古猿人与古人类分离;•50万年前周口店北京直立人出现;•30-10万年前非洲智人出现（Nature,03.06.12);•2万年前周口店山顶洞人(Homosapiens)出现;•公元前221秦始皇统一中国(至今才百代);一切物质是统一的，它们有同一个起源。什么是生命?•恩格斯（20世纪初）：生命是蛋白质的存在形式—以蛋白质为中心的生命观；•薛定鄂（40年代）：生命特征在于生命系统不断增加负熵。生命依赖于生命系统的结构完整性。—启发人们从生命系统的遗传信息方面来探索生命的奥秘；•沃森(J.Watson)和克里克(F.Crick)（50年代）：核酸、蛋白质是生命的存在形式，其中核酸是遗传信息分子，蛋白质是执行功能的分子。生命的定义•能自我长大、自我复制、与外界有能量和信息交换，并能自我完善和进化的系统才具备生命的特征。•弗里德里希·克拉默：一个通过不断汲取外部能量来维持甚至扩展其有序结构的系统。病毒是种特殊生命•病毒不具备细胞结构，在侵入寄主细胞前，既不能繁殖，也没有新陈代谢，不与环境发生物质与能量交流，甚至可以像无机物一样获得结晶，看起来似乎更像非生命物质。但病毒却具有生命物质组成中最重要的两种生物大分子——核酸和蛋白质。当它入侵寄主细胞后，又可以借助寄主细胞的蛋白质合成自身所需要的蛋白质及核酸分子，从而完成自我复制，进行大量繁殖，这又是非生命物质所不具备的特征。熵（Etropy)•Clausius:热力学第二定律或其中，Q是热量传递值，S是熵。熵是那些不可避免要损失的能量的量度，也是这个过程的不可逆性的量度。212112TQrevTQSSSTdQds热力学第二定律：在孤立系统中，任何自发过程总是朝熵增加方向变化，即物质总是朝消灭信息，产生混乱方向演化。生命物质：其演化过程正好相反，是一个由简单、低级向复杂、高级、更有序化方向发展趋势。它们矛盾吗？不！生命体是远离平衡条件的开放系统，通过外界引进负熵流，而抵消体系的熵产生，并在一定条件下，可以形成新的有序结构。生命体是高度有序的！也可以说：非平衡是生命体的有序根源和信息根源。形态：每一个生命都有其典型的形状和形态，这使我们能将其从周围的世界中识别出来并加以分类。虽然这些形态彼此之间或多或少都有所不同，但其基本模式总是分明的，事实上，自然似乎是用特定的图形拼接出来的。科学也许可以定义为：力图寻找不同形态之间的组织原则，并理想的情况下，用数学描述这些形态和它们之间的相互关系。培根：数学是通往科学的道路和钥匙！大量物理过程可以用方程来描述，即线性微分方程来描述，如：万有引力定律（伽利略）；行星运动(牛顿）；白炽金属发出的辐射（普朗克）。生命系统的结构和过程如何用数学方程来描述？生命系统的结构和过程相互作用并形成网络，显然要复杂得多。我们今天要学习的课程就是用线性微分方程来描述微生物工程中的一种动力学过程，当然它是一种近似的描述。9微生物反应动力学—微生物工程（曹军卫马辉文编著，科学出版社，2002年出版）21世纪高等院校教材(生命科学类)•目的：微生物工程的基本任务是高效地利用微生物所具有的内在生产力，以较低的能耗和物耗最大限度地生产生物产品，因此必须对微生物反应的整个过程实现有效的控制。微生物动力学为这一目的提供了部分理论依据。•内容：微生物反应动力学是研究生物反应速度的规律，即细胞生长速率、基质利用速率和产物生成速率的变化规律。基质（碳源）细胞产物•方法：用数学模型定量地描述生物反应过程中细胞生长速率、基质利用速率和产物生成速率等因素变化，达到对反应过程有效控制。已发展出好几种动力学模型，我们介绍一种“发酵过程动力学分型”。·课程的叙述方法：一、微生物发酵过程分型二、分批培养动力学1.细胞生长动力学2.基质消耗动力学3.产物生成动力学三、连续培养动力学1.单级连续培养动力学2.多级串联连续培养动力学3.细胞循环使用单级连续培养动力学四、连续培养的实施9.1发酵动力学分型•这种动力学分型方法讨论的是产物形成与底物利用的关系,即产物形成速度与碳源利用关系。它将微生物发酵过程分为三个类型：Ⅰ.产物形成直接与碳源利用有关Ⅱ.产物形成间接与碳源利用有关Ⅲ.产物形成表面上与碳源利用无关9.1.1第Ⅰ型（与生长相关型）菌体生长、碳源利用和产物形成几乎同时出现高峰。产物形成、碳源利用、菌体生长同时出现高峰1.细菌生长类型(指终产物就是菌体本身);如酵母、蘑菇菌丝、苏云金杆菌等的培养。细菌产量/碳源消耗—“产量常数”2.代谢产物类型；指产物积累与菌体增长相平行，并与碳源消耗有准量关系。如酒精、乳酸、山梨糖、葡萄糖酸、α-酮戊二酸等。发酵第一类型比生长速率，g/(g.h);碳源利用比速率，g/(g.h)；产物形成比速率，g/(g.h)。时间h9.1.2第Ⅱ型（与部分生长相关型）•第一时期：细菌迅速生长，产物很少或全无；•第二时期：产物高速形成，生长也可能出现第二个高峰，碳源利用在这两个时期都很高。特点：从生源来看，发酵产物不是碳源的直接氧化，而是细菌代谢的主流产物。可分两种类型：1.产物形成是经过连锁反应的过程。如丙酸发酵。2.产物形成不经过中间产物的积累。菌体生长与产物积累明显分在两个时期。如柠檬酸。发酵第二类型比生长速率，g/(g.h);碳源利用比速率，g/(g.h)；产物形成比速率，g/(g.h)。时间h9.1.3第Ⅲ型(与生长不相关型)•特点:产物形成一般在菌体生长接近或达到最高生长时期,即稳定期。产物形成与碳源利用无准量关系。产量远低于碳源的消耗。（最高产量一般不超过碳源消耗量的10%。如抗生素、维生素属此类。发酵第三类型比生长速率，g/(g.h);碳源利用比速率，g/(g.h)；产物形成比速率，g/(g.h)。时间h·课程的叙述方法：一、微生物发酵过程分型二、分批培养动力学1.细胞生长动力学2.基质消耗动力学3.产物生成动力学三、连续培养动力学1.单级连续培养动力学2.多级串联连续培养动力学3.细胞循环使用单级连续培养动力学四、连续培养的实施9.2分批培养动力学•分批培养指的是一次投料，一次接种，一次收获的间歇式培养方式。•这种培养方式操作简单。•发酵液中的细胞浓度、基质浓度和产物浓度均随时间变化。9.2.1分批培养中细胞的生长动力学•在分批培养中细胞浓度X要经历延迟期、对数生长期、减速期、稳定期和衰亡期五个阶段。分批培养中细胞浓度的变化1.延迟期；2.对数生长期；3.减速期；4.稳定期；5.衰亡期12345t9.2.1.1延迟期•微生物接种后，细胞在新环境中有一个适应期。•适应期的长短与菌龄、接种量、辅助酶（活化剂）、以及一些小分子、离子有关。9.2.1.2对数生长期•在这阶段中，由于培养基中营养丰富，有毒物质少，细胞迅速生长，其生长速率与细胞浓度成正比：XdtdX式中：X—细胞浓度(kg/m3);t—时间(s);µ--比生长速率(s-1)。积分：teXtXdtXdXdtXdXln对数的概念•设ab=N，如果要用a、N表示b，则记作logaN=b，a叫做底数，N叫做真数，b叫做以a为底的N的对数。•例如，24=16，要表示16是2的多少次幂，可以记作log216=4。•根据对数的定义，有：1.alogaN=N(对数恒等式)；2.零和负数没有对数；3.logaa=1；4.loga1=0；5.logaaN=N。ab=NlogaN=b底数指数真数对数幂对数运算法则•对数换底公式NnNNnNNMNMNMMNanaanaaaaaaalog1loglogloglogloglogloglog)(logbNNabalogloglog记忆为：N/aN/b乘b/a以10或e为底数的分别写成：lg或lne=2.71828…通常将eA写成expAXdtdX返回式中比生长速率µ与微生物种类、培养温度、培养基成分及限制性基质浓度等因素有关。(µ是一个变量！！）在对数生长阶段，细胞的生长不受限制因此比生长速率达到最大值µm，XdtdXm如在时间t1时的细胞浓度为X1，则在t2时的细胞浓度为X2)](exp[2212ttXXm12212112121212lnlnlnttmttmXXmmmeXXttXXXXdtXdXdtXdXXdtdX)](exp[1212ttett•细胞浓度随时间呈指数生长，细胞浓度增长一倍所需时间称倍增时间（doublingtime,td),)](exp[1212ttXXmmmdt693.02ln细菌倍增时间：0.25~1h酵母:1.15~2h霉菌:2~6.9h9.2.1.3减速期•经过对数生长期细胞的大量繁殖，培养基中营养物质迅速消耗，有害物质逐渐积累，细胞的比生长速率逐渐下降，进入减速期。1.无抑制性基质时式中:S限制性基质浓度;Km饱和常数。该式称Monod方程式，是经验公式。当限制性基质浓度很低时，增加基质浓度可以提高细胞的比生长速率；但，若限制性基质浓度接近Km时，再增加其浓度就不能提高比生长速率。SKSmm酶促反应动力学插入米氏方程推导E+SESP+E（1）浓度escpe此处：E,S,ES,P分别代表酶、底物、复合物、产物；k+1,k-1为正逆反应的速度常数；k2为复合物分解为产物与酶的反应速度常数K+1K-1k2设底物浓度s比酶浓度e大多时，达到准稳态，此时物料平衡关系：0211ckckeskdtdc产物生成速率：ckdtdpv2（2）（3）酶总浓度为反应开始时的酶浓度则，cee00e(4)(4)代入(2)又从（2）可得：12101210112101/kkksseskkksekccskkksek从（3）得到：121022/kkkssekckvmmKssVvMichaelis--menten方程:式中最大反应速度，02ekVm米氏常数。121/kkkKm产物生成的速率2.有抑制性基质时，发生抑制现象。如以醋酸为基质培养产阮假丝酵母，用亚硝酸盐培养硝化杆菌等。这时细胞比生长速率：ismmKSKS1式中：Kis抑制常数。211k