細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

關(guān)于細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第二章細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第2頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)

細(xì)胞反應(yīng)概論第3頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、發(fā)展歷史19世紀(jì)以前1857年P(guān)asteur一戰(zhàn)期間1933年1945年1954年White自然發(fā)酵酒精發(fā)酵由yeast引起丙酮丁醇、甘油發(fā)酵搖瓶培養(yǎng)法青霉素發(fā)酵補(bǔ)料操作第4頁,共62頁，2024年2月25日，星期天二、微生物細(xì)胞的性質(zhì)第5頁,共62頁，2024年2月25日，星期天三、細(xì)胞反應(yīng)過程的主要特征反應(yīng)主體為細(xì)胞：催化劑；微型反應(yīng)器復(fù)雜的酶催化體系

酶催化反應(yīng)細(xì)胞反應(yīng)反應(yīng)式機(jī)理式差別反應(yīng)過程復(fù)雜經(jīng)驗(yàn)式第6頁,共62頁，2024年2月25日，星期天四、模型的簡化真實(shí)情況多相體系（氣液固）細(xì)胞多組分細(xì)胞生長不均一簡化模型均一化模型：細(xì)胞和基質(zhì)均視為液相均衡生長模型：細(xì)胞各組分按相同比率增加確定論模型：忽略個(gè)體差異，取平均值。第7頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)

細(xì)胞反應(yīng)計(jì)量學(xué)第8頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、細(xì)胞濃度的測定測定細(xì)胞數(shù)目測定細(xì)胞重量第9頁,共62頁，2024年2月25日，星期天1、測定細(xì)胞數(shù)目比濁法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)法活菌平板計(jì)數(shù)法第10頁,共62頁，2024年2月25日，星期天比濁法分光光度計(jì)菌懸液只適用于顏色淺、懸浮顆粒極少、細(xì)胞沉降慢的發(fā)酵液。第11頁,共62頁，2024年2月25日，星期天計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)法顯微鏡血球計(jì)數(shù)器（酵母、霉菌孢子）細(xì)菌計(jì)數(shù)器（細(xì)菌）活菌數(shù)（亞甲基藍(lán)）不適用于霉菌、放線菌第12頁,共62頁，2024年2月25日，星期天活菌平板計(jì)數(shù)法無菌生理鹽水稀釋、涂布不適用于絲狀菌慢第13頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2、測定細(xì)胞重量細(xì)胞干重稱量法細(xì)胞堆積容積測量法細(xì)胞組成成分分析法第14頁,共62頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞干重稱量法DCW（drycellweight）>100度適用于絲狀菌必須清除發(fā)酵液中非細(xì)胞固體物質(zhì)第15頁,共62頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞堆積容積測量法錐形刻度管離心第16頁,共62頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞組成成分分析法蛋白質(zhì)、DNA、RNA在細(xì)胞中的含量比例不得隨時(shí)間變化第17頁,共62頁，2024年2月25日，星期天二、得率系數(shù)Y對(duì)基質(zhì)的細(xì)胞得率Yx/s對(duì)基質(zhì)的產(chǎn)物得率Yp/s定義式微分（瞬時(shí)）得率系數(shù)宏觀（總）得率系數(shù)第18頁,共62頁，2024年2月25日，星期天三、絕對(duì)速率和比速率細(xì)胞比生長速率基質(zhì)比消耗速率產(chǎn)物比合成速率第19頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

的非結(jié)構(gòu)模型第20頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、細(xì)胞生長曲線遲滯期指數(shù)生長期減速期靜止期衰亡期第21頁,共62頁，2024年2月25日，星期天1、遲滯期適應(yīng)階段新酶系的合成細(xì)胞數(shù)目基本不變，重量略有增加第22頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2、指數(shù)生長期營養(yǎng)物質(zhì)充分達(dá)到最大比生長速率倍增時(shí)間第23頁,共62頁，2024年2月25日，星期天3、減速期基質(zhì)濃度降低有害代謝產(chǎn)物積累第24頁,共62頁，2024年2月25日，星期天4、靜止期生長速率等于死亡速率達(dá)到最大細(xì)胞濃度死亡速率常數(shù)第25頁,共62頁，2024年2月25日，星期天5、衰亡期停止生長細(xì)胞濃度下降第26頁,共62頁，2024年2月25日，星期天二、影響比生長速率的因素1、基質(zhì)濃度Monod方程Logistic方程第27頁,共62頁，2024年2月25日，星期天Monod方程基本假設(shè)均衡生長一種生長限制性基質(zhì)細(xì)胞得率為常數(shù)第28頁,共62頁，2024年2月25日，星期天Logistic方程第29頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2、基質(zhì)抑制基質(zhì)抑制動(dòng)力學(xué)（Andrew模型）最適基質(zhì)濃度第30頁,共62頁，2024年2月25日，星期天3、產(chǎn)物抑制乙醇對(duì)酵母第31頁,共62頁，2024年2月25日，星期天4、溫度的影響動(dòng)物細(xì)胞：31～39度植物細(xì)胞：25～30度最適生長溫度、最適生產(chǎn)溫度第32頁,共62頁，2024年2月25日，星期天5、pH的影響細(xì)菌：6.3～7.5放線菌：7～8霉菌、酵母：3～6乳酸菌、乙酸菌動(dòng)物細(xì)胞：6.5～7.5植物細(xì)胞：5～6pH的控制第33頁,共62頁，2024年2月25日，星期天滅菌方法化學(xué)試劑滅菌射線滅菌過濾除菌熱滅菌三、滅菌動(dòng)力學(xué)第34頁,共62頁，2024年2月25日，星期天對(duì)數(shù)死亡律（營養(yǎng)細(xì)胞）非對(duì)數(shù)死亡律（芽孢）第35頁,共62頁，2024年2月25日，星期天對(duì)數(shù)死亡律第36頁,共62頁，2024年2月25日，星期天非對(duì)數(shù)死亡律第37頁,共62頁，2024年2月25日，星期天溫度的影響第38頁,共62頁，2024年2月25日，星期天瞬時(shí)高溫滅菌(UTH)依據(jù)：熱死亡活化能>營養(yǎng)物質(zhì)受熱分解活化能第39頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)底物消耗與

產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)第40頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、底物消耗動(dòng)力學(xué)

1、僅用于細(xì)胞生長第41頁,共62頁，2024年2月25日，星期天比消耗速率和比生長速率的關(guān)系第42頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2、用于細(xì)胞生長和維持代謝最大細(xì)胞得率（理論細(xì)胞得率）細(xì)胞維持系數(shù)第43頁,共62頁，2024年2月25日，星期天最大細(xì)胞得率和實(shí)際細(xì)胞得率的關(guān)系第44頁,共62頁，2024年2月25日，星期天3、用于細(xì)胞生長、維持和產(chǎn)物合成第45頁,共62頁，2024年2月25日，星期天二、細(xì)胞反應(yīng)中氧的傳遞難溶氣體氧的傳遞的重要性在常壓和25℃時(shí)，空氣中的氧在純水中的飽和溶解度為0.25mol/m3

工業(yè)發(fā)酵常用的微生物的比呼吸速率約為0.1~0.4kg(O2)/[hr?kg(干細(xì)胞)]第46頁,共62頁，2024年2月25日，星期天攝氧率OUR、呼吸強(qiáng)度第47頁,共62頁，2024年2月25日，星期天三、產(chǎn)物合成動(dòng)力學(xué)初級(jí)代謝產(chǎn)物次級(jí)代謝產(chǎn)物第48頁,共62頁，2024年2月25日，星期天Gaden模型相關(guān)模型（基質(zhì)的分解代謝產(chǎn)物，如乙醇、乳酸）部分相關(guān)模型（檸檬酸、氨基酸）非相關(guān)模型（抗生素、微生物毒素）第49頁,共62頁，2024年2月25日，星期天1、相關(guān)模型產(chǎn)物的生成與細(xì)胞生長相關(guān)，保持同步。最大值出現(xiàn)在同一時(shí)刻。第50頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2、部分相關(guān)模型當(dāng)細(xì)胞生長達(dá)到一定程度后產(chǎn)物開始合成。第51頁,共62頁，2024年2月25日，星期天3、非相關(guān)模型產(chǎn)物生成與細(xì)胞生長無直接聯(lián)系。細(xì)胞生長時(shí)無產(chǎn)物積累。細(xì)胞停止生長后產(chǎn)物開始大量合成。第52頁,共62頁，2024年2月25日，星期天4、特殊的產(chǎn)物：二氧化碳呼吸熵（respiratoryquotient）第53頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)

細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的結(jié)構(gòu)模型第54頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2.5.1分室模型第55頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2.5.2控制模型細(xì)胞在消耗某一特定底物進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，必定會(huì)存在某一特定的關(guān)鍵酶，它是細(xì)胞消耗某一特定底物進(jìn)行反應(yīng)的瓶頸。第56頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第57頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第六節(jié)

描述細(xì)胞群體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

的分離模型第58頁,共62頁，2024年2月25日，星期天1、描述細(xì)胞生理特