生化反應器第三章酶促反應動力學

生化反應器第三章酶促反應動力學第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日產物抑制與非競爭性抑制作用相類似的可表達為式中KPI——產物抑制常數(shù)（3）pH值及培養(yǎng)溫度對細胞反應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，且在其范圍內有最適的生長pH。第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日表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第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日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。在生產中通過pH電極在線測定pH的變化情況，并及時調節(jié)pH值，使之保持在最適的范圍。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日微生物細胞在其生長溫度的范圍內可以生長，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，會導致細胞的結構物質的變性，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，細胞的生長速率為第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日細胞的比生長速率與培養(yǎng)溫度的函數(shù)關系可用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）第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日同樣細胞的比死亡速率與培養(yǎng)溫度的函數(shù)關系也可用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第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日

活化能大的反應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物代謝積累的最適溫度。

第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.2底物消耗的動力學2.2.1底物消耗與細胞生長的關聯(lián)當細胞反應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聯(lián)為

底物消耗速率與細胞生長速率可關聯(lián)為

第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日底物比消耗速率與細胞比生長速率可關聯(lián)為

定義底物的最大比消耗速率為第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日有對需氧的細胞反應，氧的消耗速率為式中——細胞對氧的得率，（g/g）或（g/mol）第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日氧的比消耗速率（也稱呼吸強度）為且第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日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，需要獲取高能物質并將其化學能轉化為熱能，以維持細胞的滲透壓、修復DNA、RNA和其他大分子物質，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。提供細胞反應的能量的來源是以碳源為底物的物質，則底物的消耗速率可表示為

第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日式中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十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日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）第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日氧的比消耗速率2.2.2包括產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十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日底物的比消耗速率可表示為第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.3產物生成的動力學醇類有機酸類細胞代謝生物產品抗生素類酶制劑……Gaden根據(jù)代謝產物的生成速率和細胞的生長速率的關系分為：生長偶聯(lián)型半生長偶聯(lián)型非生長偶聯(lián)型第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.3.1生長偶聯(lián)型模型是指與細胞生長與代謝產物生成同步的一類細胞反應模型。所生成的產物一般為底物分解代謝的產物，如乙醇、乳酸、葡萄糖酸等代謝屬于這一類型。生長偶聯(lián)型的產物生成的動力學模型為式中YP/X——單位質量的細胞生成的產物量，即產物對細胞的得率，（g/g）或（mol/g）第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.3.2半生長偶聯(lián)型半生長偶聯(lián)型的細胞反應，其產物的生成與底物消耗僅有間接的關系。產物是能量代謝的間接結果。在細胞生長期內，基本無產物生成。如檸檬酸和氨基酸的生產屬于半生長偶聯(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)第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.3.3非生長偶聯(lián)型產物的生成與細胞的生長無直接偶聯(lián)關系，它是次級代謝產物。它的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。屬于此類型的有抗生素、微生物毒素等代謝產物的生成。非生長偶聯(lián)型的動力學模型為第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.3.4細胞反應中的產熱速率細胞反應為放熱反應，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熱的移除，控制反應溫度。細胞反應過程產熱速率可用與生成產物相似的方程來進行處理。比產熱速率為第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日式中qH—比產熱速率，（J/g·h）

YX/H——細胞熱量得率，（g/J）

YP/H一產物熱量得率，（g/J）

mH——熱量維持系數(shù)，（J/g·h）第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.4細胞死亡動力學現(xiàn)代生物工業(yè)與傳統(tǒng)的釀造生產的差別——純種培養(yǎng)（單一菌種的培養(yǎng)）純種培養(yǎng)的技術支持培養(yǎng)基的滅菌——無菌技術通入空氣的除菌環(huán)境衛(wèi)生培養(yǎng)基的滅菌的經濟、可靠的方法——熱殺菌第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日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發(fā)生變性造成細胞的死亡，蛋白質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）第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日對上式積分得或對數(shù)殘留率第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日討論滅菌時間（t）

CN在經濟上、生產的安全上達到合理的水平滅菌溫度（T）第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日活化能大的反應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(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第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日營養(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三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日

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。

第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日第三十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日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，而是經歷一個中間過程的

kskdNRNSND

（活芽孢）（中間狀態(tài)的芽孢）（死芽孢）第三十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日則式中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）第三十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日

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℃0.00.51.01.52.03.04.06.08.09.02.40×1092.39×1092.37×1092.35×1092.33×1092.32×1092.28×1092.20×1092.19×109