微生物反應動力學制藥工程

微生物反應動力學制藥工程第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四4.1微生物反應過程的質量和能量衡算4.1.1微生物反應過程的質量衡算

微生物反應中參與反應的培養(yǎng)基成分多，反應途徑復雜。如果把微生物反應看成是生成多種產物的復合反應：碳源+氧+氮源=菌體+有機產物+二氧化碳+水CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eCO2+fH2O第2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四呼吸商：細胞生長過程中放出的CO2與消耗的O2的摩爾比式中:ΔCO2

為一定時間內細胞生長放出的CO2量(mol、Kmol)；第3頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四4.1.2微生物反應過程的得率系數(shù)得率系數(shù)是對碳源等物質生成細胞或其他產物的潛力進行定量評價的重要參數(shù)。消耗1克基質生成細胞的克數(shù)稱為細胞得率或生長得率。對底物的細胞得率系數(shù)第4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四對底物的產物得率系數(shù)第5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四與碳元素相關的得率系數(shù)YC：當基質為碳源，一部分被同化為細胞組成成分，其余部分被異化分解為CO2和代謝產物。XC和SC---單位質量細胞的含碳量和單位質量基質的含碳量與氧相關的得率系數(shù)YO：生成細胞質量與消耗氧的比值。第6頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四舉例：C6H12O6+aO2+bNH3→cC4.4OH7.3N0.86O1.2+dH2O+eCO2已知：葡萄糖中的碳2/3轉化為細胞中的碳計算c值計算e值根據(jù)原子的平衡關系計算b,d,a值求YX/S求YX/O第7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四4.2細胞生長的非結構動力學4.2.1細胞生長動力學描述方法 （1）微生物反應過程細胞群體

①細菌群體的復雜性：通常1mL培養(yǎng)液中含有107～108個細胞，每個細胞都經歷生長、成熟、衰亡的過程，同時伴有退化、變異②多相：體系中有液相、固相、氣相，性質不同，相內、相間有反應、傳質③多組份：細胞組成復雜,蛋白質、脂肪、糖、核酸、維生素、無機鹽、水等,培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物，代謝產物④非線性：生化反應過程復雜,不能用線性方程描述第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四（2）細菌群體描述的簡化①微生物反應動力學是對細菌群體而言，而不是對單一細胞②不考慮細胞之間的差異，性質上取平均值。此模型為確定論模型；考慮細胞之間的差異為概率論模型③把細胞視為單組成，忽略環(huán)境變化對菌體組成的影響，所建立的模型為非結構性模型.它是在實驗數(shù)據(jù)的基礎上建立的經驗或半經驗關聯(lián)模型④假設細胞生長過程，各子成份均以相同的比例生長⑤把細胞和培養(yǎng)液視為一相（液相）,不考慮培養(yǎng)液和細胞之間的物質傳遞作用,即均一化模型第9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四對細胞群體的描述模型

第10頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四（3）反應速率的定義

①絕對速率第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四②相對速率細胞生長比速率底物消耗比速率氧消耗比速率產物生成比速率反應熱生成比速率比速率與催化活性物質的量有關。因此比速率的大小反映了細胞活力的大小。第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四4.2.2無抑制細胞生長動力學式中:cS——限制性底物質量濃度，g/L；Ks——飽和常數(shù)，其值等于生長比速率恰為最大生長比速率的濃度一半時的限制性底物濃度。第14頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四第15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四

當限制性底物濃度很低時，cs<<Ks，此時若提高限制性底物濃度，可以明顯提高細胞的生長速率。此時有細胞生長比速率與底物濃度為一級動力學關系第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四

當cs>>Ks時，若繼續(xù)提高底物濃度，細胞生長速率基本不變。此時細胞生長比速率與底物濃度無關，為零級動力學特點。第17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四第18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四4.2.4細胞生長延遲期、穩(wěn)定期、死亡起和細胞維持動力學4.2.4.1延遲期動力學第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四4.2.5溫度對細胞生長速率的影響第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四4.3底物消耗與產物生成動力學4.3.1底物消耗動力學碳源簡單的碳化合物能量以ATP形式儲存分解氧從細胞排出CO2和水新細胞物質以復雜的生化物質排除維持能量供給圖4-10細胞中碳的利用及能置的來源與消耗途徑第24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四(1)底物消耗速率與消耗比速率第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四底物最大消耗比速率底物消耗比速率第26頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四

單位體積培養(yǎng)液中的細胞在單位時間內攝取(消耗)氧的量稱為攝氧率(OUR)或氧的消耗速率，可表示為：與細胞濃度之比，為耗氧比速率，或稱為呼吸強度。第27頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四

當?shù)孜锛仁悄茉从质翘荚磿r、就應考慮維持能所消耗的底物。維持能用于維持其滲透壓，修復DNA、RNA和其他大分子。維持細胞的結構和生命活性。因此，對底物消耗動力學方程中必須考慮維持能這一項。底物消耗速率可表示為(2)包括維持能的底物消耗動力學第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四4.3.2代謝產物生成動力學一．相關模型：是指產物的生成與細胞的生長過程相關，即產物通常是基質的分解代謝產物(如乙醇發(fā)酵)或代謝過程的中間產物(如氨基酸發(fā)酵),代謝產物的生成與細胞的生長是同步的。產物的生成速率為：第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四等式兩邊除以X，則有：說明：第一項與細胞生長有關，第二項無關；、由細胞生理特性與生長條件而定，只有通過對不同的細胞代謝過程進行研究，才能找出其與細胞生長條件、環(huán)境因素的關系。

二．部分相關模型：產物的生成與細胞生長部分相關。動力學方程為：第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四三．非相關模型：產物的生成與細胞的生長無直接關系，特點是當細胞處于生長階段時，并無產物積累，而當細胞生長停止后，產物卻大量生成。第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四4.4微生物受熱死亡動力學1.微生物死亡速率生物體種類相對耐熱性營養(yǎng)細胞及酵母1.0噬菌體和病毒1~5霉菌孢子2~10細菌芽孢3×106各種不同微生物在含濕加熱時所呈現(xiàn)的相對耐熱性設計滅菌操作，必須以細菌芽孢作為殺滅對象，因為要殺滅了芽孢，其他雜菌一定也殺滅。這一點，既是食品滅菌的依據(jù)，同時也是發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌操作的基礎。第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四微生物受熱死亡的原因主要是因高溫使微生物體內的一些重要蛋白質，如酶等發(fā)生變性，從而導致微生物無法生存而死亡。微生物受熱死亡的規(guī)律有很多類型，但常見的是對數(shù)死亡律，也稱對數(shù)殘存律。-dN/dt=kN

其中：

N是活菌體濃度，以活菌體個數(shù)/ml K是比死亡速率常數(shù)，min-1

t是時間第34頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四對數(shù)死亡律-dN/dt=kNln(N/N0)=-ktN=N0exp(-kt)t=2.303×log(N/N0)/kk值反應了微生物耐熱性的強弱，越小表明微生物越不易熱死；反之越易熱死。第35頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四生物體種類k值營養(yǎng)細胞及酵母1010min-1(115.5℃)細菌芽孢1.0min-1(115.5℃)各種不同微生物k值第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四dNR/dt=-kRNRdNS/dt=-krNR-kSNSkr耐熱芽孢的比失活速率常數(shù)，min-1kS耐敏感中間芽孢的比失活速率常數(shù)，min-1聯(lián)立求解微分方程組的：N/N0=kR[exp(kSt)-kS/krexp(-krt)]/(kR-kS)第37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四2.溫度對死亡速率的影響死亡速率常數(shù)k與溫度的關系，可用阿累尼烏斯公式來表示：

K=Aexp(-ΔE/RT)或lnK=lnA-ΔE/RTA:頻率常數(shù)，min-1ΔE：死亡活化能，J/molT：絕對溫度R：氣體常數(shù)ΔE/R：微生物受熱死亡時對溫度敏感性的度量，越大，隨溫度的變化越敏感。第38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四絕對溫度的倒數(shù)，1/T對數(shù)比死亡速率常數(shù)，lnk斜率，-ΔE/R第39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四當培養(yǎng)基加熱滅菌時，常會出現(xiàn)雜菌被殺滅的同時，營養(yǎng)物質也被破壞，如何解決這一矛盾？對表達式lnK=lnA-ΔE/(RT)取微分：dlnK=-ΔE/Rd(1/T)方程中，ΔE越大，對于同樣的d(1/T)，dlnK變化越大。微生物受熱死亡的活化能一般要比營養(yǎng)成分熱分解的活化能大的多，這就意味著當溫度升高時，微生物的死亡速率要比營養(yǎng)成分的破壞速率增加的多，這就是為什么采用高溫、瞬時滅菌-HTST(HighTemperatureShortTime)。第40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四一般芽孢的ΔE約為293100J/mol，營養(yǎng)成分的ΔE約為83740J/mol。嗜熱脂肪芽孢桿菌的死亡和維生素B1的熱分解距離：溫度從105℃升高到130℃，芽孢的K值將從0.1min-1增加至26.82min-1，增大268倍；但同樣的溫度變化，B1的K值從0.019min-1增加至0.117min-1，增大6.16倍。第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四滅菌溫度，℃需要的滅菌時間，min維生素B1的損失，%100110120130140150123211411.81.370.1770.0252>99.9995.749.614.83.951.0不同滅菌溫度和不同滅菌時間下，維生素B1的破壞對照滅菌度N/N0=10-16第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四4.5培養(yǎng)基滅菌的工程設計1.間歇滅菌整個滅菌過程由加熱、保溫和冷卻三個階段組成，每一階段均有菌體的死亡，整個間歇過程的滅菌作用是這三個階段的總和。第43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四在保溫階段，K為常數(shù)，可以直接積分，在升溫和冷卻階段K是變化的，即溫度T是時間的函數(shù)，而且這些經驗函數(shù)關系非常復雜（一般不推介使用這些公式），積分過程很復雜，往往使用數(shù)值法求解；▽加熱和▽冷卻可以從一些手冊中查得。第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四VT培養(yǎng)基的總體積；N0VT每批培養(yǎng)基開始的雜菌總數(shù)；

NVT培養(yǎng)基滅菌后的雜菌數(shù)。如果殘留一個雜菌，如果營養(yǎng)物充足，經過24小時，倍增時間20分鐘計算，這個雜菌將繁殖成(2)72;如果一個雜菌不留，則NVT=0，這也辦不到，如果達到此滅菌度，滅菌時間需無窮大；實際計算中常常取NVT=10-3，表示1000次發(fā)酵中，將可能由于滅菌不當而殘留一個雜菌。NVT通常根據(jù)操作難易、滅菌費用、產品和培養(yǎng)基的代價等多方面因素決定。第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四加熱階段保溫階段冷卻階段一般來講，完成整個滅菌周期約3-5小時，各階段對滅菌的貢獻大致如下：▽加熱/▽總=0.20;▽保溫/▽總=0.75；▽保溫/▽總=0.05盡量縮短加熱時間，可減少營養(yǎng)物的減少。第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四2.連續(xù)滅菌與間歇滅菌相同，連續(xù)滅菌也需要加熱、保溫和冷卻三個階段；間歇滅菌這三個階段在空間上相同，在時間上不同；連續(xù)滅菌這三個過程同時發(fā)生，但在空間上不同，因此需要有加熱設備、保溫設別和冷卻設備。第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四第48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四4.5細胞反應動力學參數(shù)的估計動力學實驗的目的確定反應速率與反應物濃度之間的函數(shù)關系，這實際上是確立速率方程的基本形式；確定動力學參數(shù)，例如細胞反應器中的Ks和μmax的值；確定動力學參數(shù)與反應條件，例如溫度、pH等因素的關系。

動力學方程是否合適，動力學參數(shù)的值是否正確，取決于實驗設備和實驗方法