初中教育生物反应动力学.pptx
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1、第五章第五章 细胞反应过程动力学细胞反应过程动力学 化学计量学化学计量学 细胞生长动力学概述细胞生长动力学概述 生长动力学的定量描述生长动力学的定量描述 分批培养的动力学工程分批培养的动力学工程 分批发酵动力学分批发酵动力学3 简介简介一个活的细胞一个活的细胞 =一个复杂的化学反应器一个复杂的化学反应器化学反应的一些概念也可以应用到化学反应的一些概念也可以应用到生物系统生物系统中来。中来。1 化学计量学化学计量学物质限制物质限制能量限制能量限制热力学原理热力学原理化学反应化学反应4大分子大分子小分子小分子C C 源源N N 源源P P 源源S S 源源培养基培养基代谢产物代谢产物分解代谢分解代
2、谢 小分子小分子 能量能量代谢:细胞内发生的所有化学反应的总和称代谢代谢:细胞内发生的所有化学反应的总和称代谢分解代谢分解代谢 营养物的降解营养物的降解合成代谢合成代谢 小分子小分子大分子大分子培养基组成培养基组成 =营养物的降解营养物的降解细胞为了生长和繁殖,必须消耗培养基中的营养成细胞为了生长和繁殖,必须消耗培养基中的营养成分用于合成细胞壁,蛋白质,酶,脂肪等物质和细分用于合成细胞壁,蛋白质,酶,脂肪等物质和细胞构成单元。胞构成单元。元素的基本来源元素的基本来源ElementSourceCarbon(C)CO2,Sugar,Proteins,fatsNitrogen(N)Proteins,
3、NH3,NO2-Sulfur(S)Proteins,SO42-Phosphorus(P)PO43-Hydrogen(H)Oxygen(O)H2O,Medium components6产物合成产物合成醇醇 (乙醇乙醇),),有机酸有机酸 (乳酸乳酸,柠檬酸柠檬酸,氨酸酸氨酸酸),),抗生素抗生素,酶酶这些物质的大量合成,对于微生物细胞的正常功能维这些物质的大量合成,对于微生物细胞的正常功能维持可能是没有必要的或者是无用的,但对于人类却是持可能是没有必要的或者是无用的,但对于人类却是很有价值的。很有价值的。7Cell Growth And Energy ReleaseEnergy obtained
4、 from environment is stored and shuttled(运送运送)in high-energy intermediates,such as ATPThe cell uses this energy to perform three types of work:1.Chemical synthesis of large or complex molecules;2.Transport of ionic and neutral(中间的中间的)substrates into or out of the cell or its internal organelles(细胞器细
5、胞器);3.Mechanical(机械的机械的)work required for cell division and motion.All these processes are,by themselves,nonspontaneous(非自发的非自发的),and result an increase of free energy of the cell.Consequently(同时同时),they occur when simultaneously(同时地同时地)coupled to another process which has a negative(负的负的)free energ
6、y change of greater magnitude(量量).8Example:Oxidation-Reduction(氧化还原氧化还原)Oxidation:loses electrons,dehydrogenation(脱氢作用脱氢作用)Reduction:addition of electrons,hydrogenation(氢化作用氢化作用)NAD:Nicotinamide Adenine Dinucleotide烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH:Phosphorylated form of NADProton(质子质子)is provided by some co
7、enzymes(辅酶辅酶):9(II)化学计量学化学计量学 得率系数得率系数Simplest Macroscopic(宏观的宏观的)View of GrowthSystem:Fixed Amount of Cell MaterialSubstratesProductsCells10(a)元素平衡元素平衡Consider the following simplified biological conversion in which no extracellular(胞外的胞外的)products other than H2O and CO2:一个典型的细胞组成可以表示为:一个典型的细胞组成可以表
8、示为:We postulate(假定假定)one mole of biological material would be defined as the amount containing one mole of carbon,such as,where :1mole of carbohydrate(碳水化合物碳水化合物);:1mole of cellular material.11Simple elemental balances on C,H,O and N yield the following equations:The respiratory quotient(呼吸商呼吸商):whi
9、ch denotes the moles of carbon dioxide(CO2)pro-duced per moles of oxygen(O2)consumed.It provides an indication of metabolic(代谢的代谢的)state,and can be used in process control.12(b)Other Definitions(定义定义)The yield coefficients得率系数得率系数Anaerobic conditions厌氧条件厌氧条件Aerobic conditions有氧条件有氧条件Heterotrophic(异养
10、的异养的)growth:YX/ATP=1011 gDW/ATPAutotrophic(自(自养的养的)growth:YX/ATP=6.5 gDW/ATPYX/ATP10.5 gDW/ATP碳源碳源+氮源氮源 +氧氧 细胞细胞 +产物产物+CO2+H2OX +P +CO2+H2O细胞得率系数:即每消耗细胞得率系数:即每消耗1g基质所生成的细基质所生成的细胞克数(胞克数(Yx/s)产物得率系数:即每消耗产物得率系数:即每消耗1g1g基质所生成的产物克数基质所生成的产物克数(Yp/s)(Yp/s)S-S0X-X0SNO2+14Regularity 规律规律Some parameters(参数参数)a
11、re nearly the same irrespective(无关的无关的)of the species or substrate involved:0.462 g carbon in biomass per gram of dry biomass每克细胞干重的微生物中含每克细胞干重的微生物中含0.462 g 碳元素碳元素;typical bacteria composition:CH1.8O0.5N0.2And most measured values of YX/S for aerobic growth on glucose are 0.380.51 g DW/g glucose.以葡萄
12、糖为唯一碳源时的好氧发酵过程,以葡萄糖为唯一碳源时的好氧发酵过程,YX/S=0.380.51 g DW/g 葡萄糖葡萄糖172 细胞生长动力学概述细胞生长动力学概述决定细胞反应动力学的主要因素、现象及其相互关系决定细胞反应动力学的主要因素、现象及其相互关系非生命体系非生命体系生命体系生命体系u在细胞生长的过程中,包含两个在细胞生长的过程中,包含两个相互作用相互作用的系统:的系统:培养环境培养环境细胞体细胞体培养环境培养环境l多组分多组分l液相反应液相反应l酸碱平衡酸碱平衡lpH,T等变化等变化l液体流变学变化液体流变学变化l多相多相(气、固、液气、固、液)l空间的非均一性空间的非均一性细胞体细
13、胞体l多组分多组分l细胞异质性细胞异质性l多反应体系多反应体系l受基因调控受基因调控l自适应自适应l随机性随机性l遗传不稳定性遗传不稳定性18非生命体系非生命体系生命体系生命体系培养环境培养环境l多组分多组分l液相反应液相反应l酸碱平衡酸碱平衡lpH,T等变化等变化l液体流变学变化液体流变学变化l多相多相(气、固、液气、固、液)l空间的非均一性空间的非均一性细胞体细胞体l多组分多组分l细胞异质性细胞异质性l多反应体系多反应体系l受基因调控受基因调控l自适应自适应l随机性随机性l遗传不稳定性遗传不稳定性营养成分营养成分 底物底物产物产物热量热量机械机械相互作用相互作用u细胞消耗营养成分,将培养环
14、境中的细胞消耗营养成分,将培养环境中的底物底物转化为转化为产物产物。u细胞在生命活动中产生细胞在生命活动中产生热量热量,与此同时,通过设置培养环境的温,与此同时,通过设置培养环境的温度控制细胞的生长或产物合成。度控制细胞的生长或产物合成。u细胞生长、增殖和代谢产物的积累,使培养环境的流变学性质细胞生长、增殖和代谢产物的积累,使培养环境的流变学性质(固固含量、粘度含量、粘度)发生改变,细胞与培养环境之间的机械相互作用趋于发生改变,细胞与培养环境之间的机械相互作用趋于明显,对于动物细胞培养过程的影响尤为显著。明显,对于动物细胞培养过程的影响尤为显著。193 生长动力学的定量描述生长动力学的定量描述
15、n对发酵过程的动力学描述不仅对于理论研究很有用,而且能应用对发酵过程的动力学描述不仅对于理论研究很有用,而且能应用于实际优化发酵过程和反应器的设计之中于实际优化发酵过程和反应器的设计之中.n对研究系统中的各变量变化过程进行数学描述对研究系统中的各变量变化过程进行数学描述.平衡方程平衡方程(物料衡算物料衡算,能量衡算能量衡算)热力学热力学(状态方程状态方程,亨利定理亨利定理)反应速率方程反应速率方程(传质传质,细胞和产物合成速率、底物的消耗速率细胞和产物合成速率、底物的消耗速率)20平衡方程平衡方程n平衡方程的一般形式平衡方程的一般形式l体系中的积累速率体系中的积累速率:细胞浓度细胞浓度:X(k
16、g m-3)反应器体积反应器体积:VR(m3)细胞的质量细胞的质量:VRX(kg)细胞的积累速率细胞的积累速率=(kgh-1)单位体积细胞的积累速率单位体积细胞的积累速率=(kgm-3h-1)体系中的积累速率流入体系的速率体系中的积累速率流入体系的速率-流出体系的速率流出体系的速率21l流入速率与流出速率流入速率与流出速率:where F 体积流量体积流量(m3h-1)FX 质量流量质量流量(kgh-1)V 反应器体积反应器体积(m3)l下标下标,i or o,表示流入表示流入(input)或流出或流出(output)反应器的变量反应器的变量.l合成速率与消耗速率合成速率与消耗速率:细胞合成速
17、率细胞合成速率=rX(kgm-3h-1)产物合成速率产物合成速率=rP(kgm-3h-1)底物消耗速率底物消耗速率=rS(kgm-3h-1)22动力学模型动力学模型非非分分离离模模型型分分离离模模型型非结构模型非结构模型结构模型结构模型对细胞生长过程的不同理解产生了不同的动力学模型对细胞生长过程的不同理解产生了不同的动力学模型l是否分别描述细胞的各种组成成分是否分别描述细胞的各种组成成分l是否将细胞看成是均一的种群是否将细胞看成是均一的种群23非结构模型非结构模型结构模型结构模型将细胞种群看成将细胞种群看成是均一单一组分是均一单一组分的溶质的溶质Single component heterog
18、eneous(不不同个体同个体)individual cellsMulticomponent(多成多成分的分的)average cell description将细胞种群看成是将细胞种群看成是多组分多种群的生多组分多种群的生物系统物系统最理想的模型最理想的模型“Balance growth”(Approximation)“Balance growth”(Approximation)“Average cell”(Approximation)“Average cell”(Approximation)最接近现实的模型最接近现实的模型对细胞生长过程的不同理解产生了不同的动力学模型对细胞生长过程的不同理
19、解产生了不同的动力学模型非非分分离离模模型型分分离离模模型型24生长速率生长速率(kg m-3 h-1)底物消耗速率底物消耗速率(kg m-3 h-1)产物合成速率产物合成速率(kg m-3 h-1)符号定义符号定义比生长速率比生长速率(h-1)底物比消耗速率底物比消耗速率(h-1)产物比合成速率产物比合成速率(h-1)25细胞生长动力学细胞生长动力学(X)产物合成动力学产物合成动力学(P)底物消耗动力学底物消耗动力学(S)细胞反应动力学细胞反应动力学26细胞生长与抑制细胞生长与抑制底物限制生长底物限制生长A.假定一种化合物假定一种化合物S是是限制性底物。限制性底物。什么是限制性底物?什么是限
20、制性底物?During the microorganisms(微生物微生物)growth the environment will change but if the conditions remain favourable growth will continue until one of the essential substrates is depleted(耗尽耗尽).If all other nutrients are available in excess this substrate is called the growth-limiting substrate.限制性底物浓度的
21、增加会影响生长速率限制性底物浓度的增加会影响生长速率,而其它营养组分浓度的变化对生而其它营养组分浓度的变化对生长速率没有影响作用长速率没有影响作用.辩析:底物限制作用底物抑制作用27where 比生长速率比生长速率(h-1)最大比生长速率最大比生长速率(h-1)饱和常数饱和常数(kgm-3)典型的非结构非分离动力学模型是典型的非结构非分离动力学模型是Monod equation,它的它的方程表达形式类似于酶的方程表达形式类似于酶的Michaelis-Menten 方程方程:半经验公式半经验公式a)Monod 方程方程假设条件:假设条件:只有一种限制性基质只有一种限制性基质均衡生长均衡生长细胞得
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