生化反應(yīng)器第三章酶促反應(yīng)動力學

生化反應(yīng)器第三章酶促反應(yīng)動力學第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六產(chǎn)物抑制與非競爭性抑制作用相類似的可表達為式中KPI——產(chǎn)物抑制常數(shù)（3）pH值及培養(yǎng)溫度對細胞反應(yīng)的影響微生物通常微生物細胞生長因菌種的不同而具有各自的適宜的pH值的范圍。這個范圍一般在3～4個pH單位，且在其范圍內(nèi)有最適的生長pH。第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六表2-1各種細胞培養(yǎng)的適宜pH范圍細胞類型最適的培養(yǎng)pH范圍細菌（大多數(shù)）放線菌酵母菌霉菌植物細胞動物細胞6.3～7.57～83～63～65～66.5～7.5第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六微生物細胞生長所具有適宜的pH范圍或許是種群數(shù)量自身調(diào)節(jié)的行為，在微生物細胞的生長過程中，隨著底物的利用、有機酸和氨基氮的生成，使反應(yīng)體系的pH值發(fā)生變化，都將會對細胞的生長速率造成影響。在生產(chǎn)中通過pH電極在線測定pH的變化情況，并及時調(diào)節(jié)pH值，使之保持在最適的范圍。第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六微生物細胞在其生長溫度的范圍內(nèi)可以生長，且存在最適宜的生長溫度，當提高溫度到生長溫度范圍以外時，會導致細胞的結(jié)構(gòu)物質(zhì)的變性，使得生長速率下降甚至細胞死亡。在適宜的培養(yǎng)溫度范圍內(nèi)，細胞的生長速率為第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六細胞的比生長速率與培養(yǎng)溫度的函數(shù)關(guān)系可用Arrhenius方程的形式表示

式中ΔEu——細胞生長的活化能（J/mol）Au——細胞生長的Arrhenius因子，（1/h）

R——氣體常數(shù)，8.314（J/mol·K）T——培養(yǎng)溫度，（K）第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六同樣細胞的比死亡速率與培養(yǎng)溫度的函數(shù)關(guān)系也可用Arrhenius方程的形式表示

式中ΔEd——細胞死亡的活化能，（J/mol）

Ad——細胞死亡的Arrhenius因子，（1/h）ΔEu的典型數(shù)值為25～33kJ/molΔEd的典型數(shù)值為104～122kJ/mol第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六

活化能大的反應(yīng)其隨溫度的變化也大，反之亦然。由而表明細胞的死亡速率較生長速率對培養(yǎng)溫度的升高更敏感。

細胞生長的最適溫度不一定是產(chǎn)物代謝積累的最適溫度。

第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六2.2底物消耗的動力學2.2.1底物消耗與細胞生長的關(guān)聯(lián)當細胞反應(yīng)過程消耗的底物僅用于生長細胞，底物濃度的變化與細胞濃度變化可關(guān)聯(lián)為

底物消耗速率與細胞生長速率可關(guān)聯(lián)為

第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六底物比消耗速率與細胞比生長速率可關(guān)聯(lián)為

定義底物的最大比消耗速率為第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六有對需氧的細胞反應(yīng)，氧的消耗速率為式中——細胞對氧的得率，（g/g）或（g/mol）第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六氧的比消耗速率（也稱呼吸強度）為且第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六2.2.2包括維持代謝的底物消耗動力學對于在熱力學意義上的遠離平衡態(tài)的活細胞，為了維持其活性，需要獲取高能物質(zhì)并將其化學能轉(zhuǎn)化為熱能，以維持細胞的滲透壓、修復DNA、RNA和其他大分子物質(zhì)，因此能量消耗不僅是用于細胞生長上，同時也用于細胞的維持上。提供細胞反應(yīng)的能量的來源是以碳源為底物的物質(zhì)，則底物的消耗速率可表示為

第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六式中m——細胞的維持常數(shù)，（g/g·h=1/h）或（mol/g·h）

底物的比消耗速率可表示為第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六同樣地氧的消耗速率為

式中——細胞對氧的最大得率，即細胞對氧的理論得率（g/g）或（g/mol）

——細胞對氧的維持常數(shù)，（g/g·h=1/h）或（mol/g·h）第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六氧的比消耗速率2.2.2包括產(chǎn)物生成的底物消耗動力學當?shù)孜锏南牧咳Q于細胞的生長量、產(chǎn)物的生成量及維持代謝三個因素時，底物的消耗速率表示為第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六底物的比消耗速率可表示為第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六2.3產(chǎn)物生成的動力學醇類有機酸類細胞代謝生物產(chǎn)品抗生素類酶制劑……Gaden根據(jù)代謝產(chǎn)物的生成速率和細胞的生長速率的關(guān)系分為：生長偶聯(lián)型半生長偶聯(lián)型非生長偶聯(lián)型第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六2.3.1生長偶聯(lián)型模型是指與細胞生長與代謝產(chǎn)物生成同步的一類細胞反應(yīng)模型。所生成的產(chǎn)物一般為底物分解代謝的產(chǎn)物，如乙醇、乳酸、葡萄糖酸等代謝屬于這一類型。生長偶聯(lián)型的產(chǎn)物生成的動力學模型為式中YP/X——單位質(zhì)量的細胞生成的產(chǎn)物量，即產(chǎn)物對細胞的得率，（g/g）或（mol/g）第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六2.3.2半生長偶聯(lián)型半生長偶聯(lián)型的細胞反應(yīng)，其產(chǎn)物的生成與底物消耗僅有間接的關(guān)系。產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果。在細胞生長期內(nèi)，基本無產(chǎn)物生成。如檸檬酸和氨基酸的生產(chǎn)屬于半生長偶聯(lián)型。半生長偶聯(lián)型的動力學方程可用Luedeking-Piret方程表示式中、——常數(shù)第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六2.3.3非生長偶聯(lián)型產(chǎn)物的生成與細胞的生長無直接偶聯(lián)關(guān)系，它是次級代謝產(chǎn)物。它的特點是當細胞處于生長階段時，并無產(chǎn)物積累，而當細胞生長停止后，產(chǎn)物卻大量生成。屬于此類型的有抗生素、微生物毒素等代謝產(chǎn)物的生成。非生長偶聯(lián)型的動力學模型為第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六2.3.4細胞反應(yīng)中的產(chǎn)熱速率細胞反應(yīng)為放熱反應(yīng)，由于細胞的生長對溫度變化十分敏感，因此要嚴格控制反應(yīng)熱的移除，控制反應(yīng)溫度。細胞反應(yīng)過程產(chǎn)熱速率可用與生成產(chǎn)物相似的方程來進行處理。比產(chǎn)熱速率為第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六式中qH—比產(chǎn)熱速率，（J/g·h）

YX/H——細胞熱量得率，（g/J）

YP/H一產(chǎn)物熱量得率，（g/J）

mH——熱量維持系數(shù)，（J/g·h）第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六2.4細胞死亡動力學現(xiàn)代生物工業(yè)與傳統(tǒng)的釀造生產(chǎn)的差別——純種培養(yǎng)（單一菌種的培養(yǎng)）純種培養(yǎng)的技術(shù)支持培養(yǎng)基的滅菌——無菌技術(shù)通入空氣的除菌環(huán)境衛(wèi)生培養(yǎng)基的滅菌的經(jīng)濟、可靠的方法——熱殺菌第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六2.4.1細胞死亡的對數(shù)殘留律微生物受熱死亡的原因——受熱時使細胞的蛋白質(zhì)發(fā)生變性造成細胞的死亡，蛋白質(zhì)的受熱變性復合一級動力學規(guī)律，則式中CN——活細胞的濃度，（cells/ml）或（g/ml）

kd——細胞的比死亡速率，即細胞死亡的速度常數(shù)，（1/min）第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六對上式積分得或?qū)?shù)殘留率第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六討論滅菌時間（t）

CN在經(jīng)濟上、生產(chǎn)的安全上達到合理的水平滅菌溫度（T）第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六活化能大的反應(yīng)其隨溫度的變化也大，反之亦然。對培養(yǎng)基滅菌過程培養(yǎng)基中雜菌細胞的受熱死亡培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的受熱損失活化能受熱物質(zhì)(J/mol)維生素B12維生素B1鹽酸鹽嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子肉瘤梭桿菌枯草桿菌孢子9623292048283257343088317984第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六營養(yǎng)成分受熱損失的活化能低于細胞受熱死亡的活化能采用高溫短時間的滅菌有利第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六

例：當滅菌溫度由105℃提高到127℃時，是比較嗜熱脂肪芽孢桿菌滅菌速度常數(shù)和維生素B1受熱損失的速度常數(shù)，速度常數(shù)k和滅菌溫度T的關(guān)系如圖解：嗜熱脂肪芽孢桿菌滅菌的活化能為280kJ/mol；維生素B1受熱損失的活化能為70kJ/mol。當滅菌溫度由105℃提高到127℃時，嗜熱脂肪芽孢桿菌滅菌速度常數(shù)k由0.05（1/min）升高到6.78（1/min），提高了135.6倍；維生素B1受熱損失的速度常數(shù)由0.02（1/min）提高到0.07（1/min）提高了3.5倍。

第33頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六第34頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六2.4.2微生物熱死亡的非對數(shù)殘留律熱死亡的非對數(shù)行為常見于芽孢的受熱死亡。有關(guān)這一類型的受熱死亡的動力學描述有多種模型，但循序死亡模型最為人們所接受微生物受熱循序死亡模型認為：其死亡不是突然的，而是經(jīng)歷一個中間過程的

kskdNRNSND

（活芽孢）（中間狀態(tài)的芽孢）（死芽孢）第35頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六則式中CN——具有活力的芽孢的濃度

CN0——初始的芽孢的濃度

ks——芽孢失活速度常數(shù)，（1/min）kd——中間狀態(tài)芽孢失活速度常數(shù)，（1/min）第36頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六

例：在不同的溫度下測定某枯草桿菌的活孢子的數(shù)目與時間的關(guān)系如下表試求（1）該孢子的熱死滅活化能（2）100℃時的熱死滅速率常數(shù)值（3）在100℃時，要殺死樣品中的99%的孢子，需要多長時間時間(min)數(shù)目數(shù)目T=85℃T=90℃T=110℃T=120℃0.00.51.01.52.03.04.06.08.09.02.40×1092.39×1092.37×1092.35×1092.33×1092.32×1092.28×1092.20×1092.19×1