Chapter 3 细胞反应过程动力学 [兼容模式].pdf

第三章 细胞反应过程动力学 主要内容 1、基本概念 2、细胞反应过程中的质量和能量衡算 3、细胞生长的非结构动力学 4、基质消耗与产物生成动力学 3.1 基本概念 3.1.1 微生物的分类和命名 微生物(microorganism)是对那些肉眼不能直接观察到的、 微小的，但具有命并能够繁殖的生物的通称。 微生物根据其不同的进化水平和性状上的明显差别可分为 ： 原核微生物，真核微生物和非细胞微生物三大类群。 原核微生物主要有六类 ：细、放、支、立、衣、蓝。 真核微生物：真菌，显微藻类，原生动物 酵母菌、丝状真菌－霉菌、大型真菌 3.1.2 微生物的化学组成 从化学上看，微生物菌体的80%左右是水分。 微生物细胞的元素分析可知，细胞中元素 (除碳、 氧、氮氢外)的含量，一般以磷、钾为多。其次 是钙、镁、硫、钠、氯、铁、锌、硅等，另外， 还含有微量的铝、铜、锰、钴等。在微生物培养 中，这些元素必须保证供应。 3.1.3 生长特性 由于微生物种类各异，不同微生物的生长特性也有很大差别。 细菌以分裂方式进行繁殖。 酵母菌的生长方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂(如同菌 丝生长）三种。 霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。 病毒能在活细胞内繁殖，但不能在一般培养基中繁殖。 藻类含有丰富的脂肪和蛋白质，在其培养中，需要足 够的光、必需的无机盐及适量的CO 。 2 原生动物细胞的分裂形式多是沿纵轴一分为二，一个 世代时间大约为10h。 3.1.4 影响微生物反应的环境因素 （1）营养物质：碳源、氮源、无机元素、微量营养元素 或生长因子 （2 ）温度：影响微生物生长和繁殖的最重要的因素之一。 （3 ）溶解氧与氧化还原电位： 氧在溶解状态下被微生物利用的，当溶解氧浓度较低时，氧电极 无法检测。此时，可以培养基的氧化还原电位Eh作为定量表示厌氧 程度的方法： 此外，PH低时氧化还原电位高；PH高时氧化还原电位低。当 PH一定时，溶氧水溶液的Eh与溶解氧浓度(DO)的对数成正比。 （4 ）湿度：微生物固态培养的重要参数。 3.1.5 细胞反应的特点 优点： 1. 细胞反应是生物化学反应，通常是在常温常压下进行。 2. 细胞的生长速率快，微生物的代谢产率较高。 3. 原料多为农产品，来源丰富。 4. 易于生产复杂的高分子化合物和光学活性物质。 5. 除生产产物外，菌体自身也可是一种产物。 6. 微生物反应是自催化(autocatalytic)反应。 缺点： 1. 基质不可能全部转化成目的产物，副产物的产生不可避免。细胞 的生长速率快，微生物的代谢产率较高。 2. 产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响。并且， 菌体会发生遗传变异。因此，实际控制有一定难度。易于生产复 杂的高分子化合物和光学活性物质。 3. 生产前的准备工作量大，且花费高；相对化学反应器而言效率低。 3.1.6 细胞反应的主要特征 1. 细胞是反应的主体。 2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。 3. 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同。 a. 酶催化为分子水平，酶本身不进行再生产 b. 细胞反应是细胞与分子之间，反应的同时细胞也得 到生长。 c. 整个过程中，细胞要经历生长、繁殖、维持和死亡 等不同阶段。 3.2 细胞反应过程中的质量和能量衡算 3.2.1 细胞反应过程中的质量衡算 碳源＋氮源＋氧＝菌体＋有机产物＋CO ＋H O 2 2 为了表示出细胞反应过程中各物质和各组分之 间的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子 衡算。如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH ，细