1、第七章第七章 细胞培养技术及动力学细胞培养技术及动力学 . .Operation of bioreactor 反应器操作1. Batch operation 间歇反应 Periods of operation for batch operation. .1. Batch operation. .2. Semi-continuous or fed-batch operation 半连续操作3. Continuous operation 连续操作. . 本章主要分析讨论间歇培养和连续培养这两种基本方法，然后对其它培养方法进行扩展讨论。. .7.1 微生物反应过程的计量学 化学计量学： 是对化学反应
2、的组成和化学反应转化程度的数量化研究。 A+B C+D 元素平衡法 化学计量学 反应工程学 反应热力学 反应动力学 根据化学计量学，可知有关反应过程中各种反应组分的数量关系。 研究化学计量学的目的是对反应过程进行控制和优化，争取获得最大的经济收益。 . . 微生物反应过程的计量学：碳源（多种）+氮源（多种）+无机盐（多种）+有机生长因子（多种）+水+氧气 细胞+主产物+副产物（多种）+二氧化碳 对于微生物反应过程，由于参加反应的组分多，代谢途径错综复杂，同时微生物在生长，并且微生物菌体也不能用摩尔摩尔的对应关系表示其计量关系。所以要用元素平衡的方法对微生物反应进行计量，将是十分复杂和困难的。
3、. . 工程上又不能回避这个问题，每一个工业化的微生物反应过程都需要计量。 人们提出了一个相对简单的方法，就是引入得率系数（Yield coefficients）的概念，作为描述微生物反应中计量关系的宏观参数。 得率系数有以下几种定义：得率系数有以下几种定义： 1、对基质的细胞得率Yx/s (Monod提出的) Yx/s= =生成细胞的质量生成细胞的质量消耗基质的质量消耗基质的质量x-s . . 在分批培养时，培养基的组分在不断地变化，因此在培养过程中细胞得率系数不能视为常数，在某一瞬时的细胞得率称为微分细胞得率（或者称为瞬时细胞得率）。 分批培养过程，总的细胞得率为： Yx/s x0、s0：
4、反应开始时细胞和基质浓度 xt、st：反应结束时细胞和基质浓度xt - x0s0 - st. . 2、对碳的细胞得率Yc 考虑碳源基质时，无论是需氧还是厌氧培养，宏观上碳源的一部分被同化为细胞组成物质，其余部分分别被异化、分解为二氧化碳及其它代谢产物。 为了表示由碳源同化为细胞组成物质过程的转化效益，采用对碳的细胞得率Yc Yc= Yc 1 Log phase x对数增加 =常数 减速生长期 x增加缓慢 4 3 Stationary phase x无净生长 =0 Death phase x减少 KS). . Monod模型是典型的均衡生长模型，其基本假设如下： （1）描述细胞生长的唯一变量是细
5、胞浓度X； （2）培养基中只有一种基质是生长限制性基质，其他组分均过量； （3）细胞的生长视为单一反应，细胞得率为常数，当SKS时， = m ， 与 S是零级动力学关系；. . 什么是限制性底物 (Limited substrate)？ 可以是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该营养物相对贫乏时，就可能成为限制微生物生长的因子，可以是C源、N源、无机或有机因子。 那么营养物质相对贫乏指的是多少量呢？. . 是指该物质的浓度低于比生长速率达m时对应的最低底物浓度Scrit时的情形。 Scrit称为临界底物浓度，任一营养物质的浓度若高于Scrit则为非限制性底物，低于Scrit即为限制
6、性底物。 SScrit. . 所以限制性底物就是在培养微生物的营养物质中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。 = m 莫诺方程表面上与米氏方程同型。但是Monod方程来自于对实验现象的总结，而米氏方程是根据酶促反应机理推导出的。前者是经验方程，后者是机理方程。 SKS + S. . 莫诺方程中的动力学常数m和KS可以用倒数作图法得出。 Hanes作图 用前一方程图解时，可得到相当精确的m值，但在低S值时，的偏差较大，影响KS值的精度。第二方程好用一些，在低S值时精度高。也可用线性回归方法。1=1m+KSm1SS=1m+KSm S. .一些典型的m和KS值 . . 可见，典型的ks值很小，实验
7、时用的底物浓度很小，这样低的s值，又要快速测出它的变化量，那就要采用极为灵敏的、准确的测定底物和菌体浓度的方法，才能通过测定间歇培养的初速度反应来测定ks值。 . . Monod方程适用于许多微生物生长过程，但是因该方程表述简单，不足以完整地说明复杂的生化反应过程，已发现它在某些情况下与实验结果不符，因此人们又提出了另外一些方程来描述微生物的生长。 如Powell提出的： = m 考虑到细胞壁的渗透性和基质的扩散性，引入KD因子，称为扩散阻力常数。 S（KS + KD） + S. .2.3 有抑制的细胞生长动力学 （1）Substrate inhibition kinetics 与酶促反应类似
8、，有时当培养基中某种基质的浓度高到一定程度时后，细胞的比生长速率随该基质浓度的升高而下降，表现出基质的抑制，提出了一些描述基质抑制的生长动力学模型。 (S)= K=inhibition constantm SKS + S + S2/K. .（1）Substrate inhibition kineticsmKSKIS 当S= 细胞的生长速率达最大，其值为：KS KISKS /KISm 1+2KS /KIS. .举例：1 乳酸和酒精的双边发酵 2 流加培养. .(2) Production inhibition kinetic 细胞的一些代谢产物有时会影响细胞的生长，如酵母在厌氧条件下产生的乙醇会
9、抑制酵母的生长，乳酸菌产生的乳酸会抑制乳酸菌的生长。 (S, P)= -P = product concentration -Pm= product concentration where =0m SKS + S1-PPm1-PPm. .(2) Production inhibition kinetic几种产物抑制类型 1. 线性； 1a. 一级下降； 2和2a. 先不影响后下降； 3. 突然终止；. .2.4 基质消耗动力学 在分批培养中，培养基质的减少是由于细胞和产物的生成。可以用细胞得率系数Yx/s把基质消耗速率和细胞生长速率相关联。. . 如果限制性基质是碳源，消耗的碳源的一部分形成细
10、胞质，一部分形成产物，一部分产生能量供细胞维持生命活动之用。即： 其中YG细胞的生长得率系数g/molm细胞的维持系数mol/gs；YP产物得速率系数mol/gs. .2.5 产物生成动力学Product formation rates 微生物反应生成的代谢产物多种多样，其产物生成动力学远比菌体生长动力学复杂。 发酵产物的生成速率与菌体生长速率之间大致存在三种不同类型的关联。 (1)生长偶联型 Growth associated products (2)部分生长偶联型Mixed growth associated products (3)非生长偶联型Nongrowth associated products. . . 以上我们讨论了细胞生长、基质消耗和产物生成的动力学方程，由这些方程构成的（微分）方程组，反应了分批培养中细胞、基质和产物浓度的变化。 如果通过实验摸清细胞生长、基质消耗和产物生成的规律，建立适当的微分方程组，并确定其中动力学参数的值，就可以对分批培养过程进行模拟，从而有可能对分批培养进行优化控制，使产物的生产速率大大提高。. .
