第四章-微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)制藥工程

1、第四章 細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué),4.1 微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量和能量衡算,4.1.1 微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量衡算微生物反應(yīng)中參與反應(yīng)的培養(yǎng)基成分多，反應(yīng)途徑復(fù)雜。如果把微生物反應(yīng)看成是生成多種產(chǎn)物的復(fù)合反應(yīng)：碳源+氧+氮源=菌體+有機(jī)產(chǎn)物+二氧化碳+水CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eCO2+fH2O,呼吸商：細(xì)胞生長(zhǎng)過程中放出的CO2與消耗的O2的摩爾比,式中: ΔCO2 為一定時(shí)間內(nèi)細(xì)胞生長(zhǎng)放出的CO

2、2量(mol、Kmol) ；,4.1.2 微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù),得率系數(shù)是對(duì)碳源等物質(zhì)生成細(xì)胞或其他產(chǎn)物的潛力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。消耗1克基質(zhì)生成細(xì)胞的克數(shù)稱為細(xì)胞得率或生長(zhǎng)得率。,對(duì)底物的細(xì)胞得率系數(shù),對(duì)底物的產(chǎn)物得率系數(shù),與碳元素相關(guān)的得率系數(shù)YC：當(dāng)基質(zhì)為碳源，一部分被同化為細(xì)胞組成成分，其余部分被異化分解為CO2和代謝產(chǎn)物。,XC和SC---單位質(zhì)量細(xì)胞的含碳量和單位質(zhì)量基質(zhì)的含碳量,與氧相關(guān)的得率系數(shù)YO：生成細(xì)胞質(zhì)量

3、與消耗氧的比值。,舉例：,C6H12O6+aO2+bNH3→cC4.4OH7.3N0.86O1.2+dH2O+eCO2已知：葡萄糖中的碳2/3轉(zhuǎn)化為細(xì)胞中的碳計(jì)算c值計(jì)算e值根據(jù)原子的平衡關(guān)系計(jì)算b,d,a值求YX/S求YX/O,4.2 細(xì)胞生長(zhǎng)的非結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué),4.2.1 細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)描述方法（1）微生物反應(yīng)過程細(xì)胞群體 ①細(xì)菌群體的復(fù)雜性：通常1mL培養(yǎng)液中含有107～108個(gè)細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞都經(jīng)歷生長(zhǎng)、

4、成熟、衰亡的過程，同時(shí)伴有退化、變異②多 相：體系中有液相、固相、氣相，性質(zhì)不同，相內(nèi)、相間有反應(yīng)、傳質(zhì)③多組份：細(xì)胞組成復(fù)雜,蛋白質(zhì)、脂肪、糖、核酸、維生素、無機(jī)鹽、水等,培養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)物，代謝產(chǎn)物④非線性：生化反應(yīng)過程復(fù)雜,不能用線性方程描述,（2）細(xì)菌群體描述的簡(jiǎn)化①微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是對(duì)細(xì)菌群體而言，而不是對(duì)單一細(xì)胞②不考慮細(xì)胞之間的差異，性質(zhì)上取平均值。此模型為確定論模型；考慮細(xì)胞之間的差異為概率論模型③把細(xì)胞視為單

5、組成，忽略環(huán)境變化對(duì)菌體組成的影響，所建立的模型為非結(jié)構(gòu)性模型.它是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型④假設(shè)細(xì)胞生長(zhǎng)過程，各子成份均以相同的比例生長(zhǎng)⑤把細(xì)胞和培養(yǎng)液視為一相（液相）,不考慮培養(yǎng)液和細(xì)胞之間的物質(zhì)傳遞作用,即均一化模型,對(duì)細(xì)胞群體的描述模型,（3）反應(yīng)速率的定義 ①絕對(duì)速率,② 相對(duì)速率,細(xì)胞生長(zhǎng)比速率底物消耗比速率氧消耗比速率產(chǎn)物生成比速率反應(yīng)熱生成比速率,比速率與催化活性物質(zhì)的量有關(guān)。因此比速率

6、的大小反映了細(xì)胞活力的大小。,4.2.2 無抑制細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué),式中:cS——限制性底物質(zhì)量濃度，g/L；Ks——飽和常數(shù)，其值等于生長(zhǎng)比速率恰為最大生長(zhǎng)比速率的濃度一半時(shí)的限制性底物濃度。,當(dāng)限制性底物濃度很低時(shí)，cs<<Ks，此時(shí)若提高限制性底物濃度，可以明顯提高細(xì)胞的生長(zhǎng)速率。此時(shí)有,細(xì)胞生長(zhǎng)比速率與底物濃度為一級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系,當(dāng)cs>>Ks時(shí)，若繼續(xù)提高底物濃度，細(xì)胞生長(zhǎng)速率基本不變。此時(shí)細(xì)胞生長(zhǎng)比速率

7、與底物濃度無關(guān)，為零級(jí)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。,4.2.4 細(xì)胞生長(zhǎng)延遲期、穩(wěn)定期、死亡起和細(xì)胞維持動(dòng)力學(xué)4.2.4.1 延遲期動(dòng)力學(xué),4.2.5 溫度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)速率的影響,4.3 底物消耗與產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué),4.3.1 底物消耗動(dòng)力學(xué),碳源,,簡(jiǎn)單的碳化合物,,能量以ATP形式儲(chǔ)存,,,分解,,氧,,從細(xì)胞排出,CO2和水,,,,新細(xì)胞物質(zhì),,,,,,,,,,以復(fù)雜的生化物質(zhì)排除,,,,維持能量供給,圖4-10 細(xì)胞中碳的利用及能置的

8、來源與消耗途徑,(1) 底物消耗速率與消耗比速率,底物最大消耗比速率,底物消耗比速率,單位體積培養(yǎng)液中的細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)攝取(消耗)氧的量稱為攝氧率(OUR)或氧的消耗速率，可表示為：,與細(xì)胞濃度之比，為耗氧比速率，或稱為呼吸強(qiáng)度。,當(dāng)?shù)孜锛仁悄茉从质翘荚磿r(shí)、就應(yīng)考慮維持能所消耗的底物。維持能用于維持其滲透壓，修復(fù)DNA、RNA和其他大分子。維持細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和生命活性。因此，對(duì)底物消耗動(dòng)力學(xué)方程中必須考慮維持能這一項(xiàng)。 底物消耗速

9、率可表示為,(2) 包括維持能的底物消耗動(dòng)力學(xué),4.3.2 代謝產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué),一．相關(guān)模型： 是指產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)過程相關(guān)，即產(chǎn)物通常是基質(zhì)的分解代謝產(chǎn)物(如乙醇發(fā)酵)或代謝過程的中間產(chǎn)物(如氨基酸發(fā)酵),代謝產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)是同步的。 產(chǎn)物的生成速率為：,等式兩邊除以X，則有：,說明：第一項(xiàng)與細(xì)胞生長(zhǎng)有關(guān)，第二項(xiàng)無關(guān) ；?、?由細(xì)胞生理特性與生長(zhǎng)條件而定，只有通過對(duì)不同的細(xì)胞代謝過程進(jìn)行研究，

10、才能找出其與細(xì)胞生長(zhǎng)條件、環(huán)境因素的關(guān)系。,二．部分相關(guān)模型： 產(chǎn)物的生成與細(xì)胞生長(zhǎng)部分相關(guān)。動(dòng)力學(xué)方程為：,三．非相關(guān)模型： 產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)無直接關(guān)系，特點(diǎn)是當(dāng)細(xì)胞處于生長(zhǎng)階段時(shí)，并無產(chǎn)物積累，而當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)停止后，產(chǎn)物卻大量生成 。,4.4 微生物受熱死亡動(dòng)力學(xué),1.微生物死亡速率,各種不同微生物在含濕加熱時(shí)所呈現(xiàn)的相對(duì)耐熱性,設(shè)計(jì)滅菌操作，必須以細(xì)菌芽孢作為殺滅對(duì)象，因?yàn)橐獨(dú)缌搜挎?，其他雜菌一定也殺滅。這

11、一點(diǎn)，既是食品滅菌的依據(jù)，同時(shí)也是發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌操作的基礎(chǔ)。,微生物受熱死亡的原因主要是因高溫使微生物體內(nèi)的一些重要蛋白質(zhì)，如酶等發(fā)生變性，從而導(dǎo)致微生物無法生存而死亡。微生物受熱死亡的規(guī)律有很多類型，但常見的是對(duì)數(shù)死亡律，也稱對(duì)數(shù)殘存律。-dN/dt=kN其中：N是活菌體濃度，以活菌體個(gè)數(shù)/mlK是比死亡速率常數(shù)，min-1t是時(shí)間,對(duì)數(shù)死亡律,-dN/dt=kNln(N/N0)=-ktN=N0exp(-

12、kt)t=2.303×log(N/N0)/kk值反應(yīng)了微生物耐熱性的強(qiáng)弱，越小表明微生物越不易熱死；反之越易熱死。,各種不同微生物k值,dNR/dt=-kRNRdNS/dt=-krNR-kSNSkr耐熱芽孢的比失活速率常數(shù)，min-1kS耐敏感中間芽孢的比失活速率常數(shù)，min-1聯(lián)立求解微分方程組的：N/N0=kR[exp(kSt)-kS/krexp(-krt)]/(kR-kS),2.溫度對(duì)死亡速率的影響,死亡速

13、率常數(shù)k與溫度的關(guān)系，可用阿累尼烏斯公式來表示： K=Aexp(-ΔE/RT)或 lnK=lnA- ΔE/RTA:頻率常數(shù)，min-1ΔE：死亡活化能，J/molT：絕對(duì)溫度R：氣體常數(shù)ΔE/R：微生物受熱死亡時(shí)對(duì)溫度敏感性的度量，越大，隨溫度的變化越敏感。,,,絕對(duì)溫度的倒數(shù)，1/T,對(duì)數(shù)比死亡速率常數(shù)，lnk,斜率， -ΔE/R,,,,,,,,當(dāng)培養(yǎng)基加熱滅菌時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)雜菌被殺滅的同時(shí)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也被破

14、壞，如何解決這一矛盾？對(duì)表達(dá)式lnK=lnA- ΔE/(RT)取微分：dlnK=- ΔE/Rd(1/T)方程中，ΔE越大，對(duì)于同樣的d(1/T)， dlnK變化越大。微生物受熱死亡的活化能一般要比營(yíng)養(yǎng)成分熱分解的活化能大的多，這就意味著當(dāng)溫度升高時(shí)，微生物的死亡速率要比營(yíng)養(yǎng)成分的破壞速率增加的多，這就是為什么采用高溫、瞬時(shí)滅菌-HTST (High Temperature Short Time)。,一般芽孢的ΔE約為293100

15、J/mol，營(yíng)養(yǎng)成分的ΔE約為83740J/mol。嗜熱脂肪芽孢桿菌的死亡和維生素B1的熱分解距離：溫度從105 ℃升高到130 ℃，芽孢的K值將從0.1min-1增加至26.82min-1，增大268倍；但同樣的溫度變化， B1的K值從0.019min-1增加至0.117min-1，增大6.16倍。,不同滅菌溫度和不同滅菌時(shí)間下，維生素B1的破壞對(duì)照滅菌度N/N0=10-16,4.5 培養(yǎng)基滅菌的工程設(shè)計(jì),1.間歇滅菌整個(gè)滅菌

16、過程由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成，每一階段均有菌體的死亡，整個(gè)間歇過程的滅菌作用是這三個(gè)階段的總和。,在保溫階段，K為常數(shù)，可以直接積分，在升溫和冷卻階段K是變化的，即溫度T是時(shí)間的函數(shù)，而且這些經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系非常復(fù)雜（一般不推介使用這些公式），積分過程很復(fù)雜，往往使用數(shù)值法求解；▽加熱和▽冷卻可以從一些手冊(cè)中查得。,VT培養(yǎng)基的總體積；N0VT每批培養(yǎng)基開始的雜菌總數(shù)； NVT培養(yǎng)基滅菌后的雜菌數(shù)。如果殘留一個(gè)雜菌，如果營(yíng)養(yǎng)物充

17、足，經(jīng)過24小時(shí)，倍增時(shí)間20分鐘計(jì)算，這個(gè)雜菌將繁殖成 (2)72;如果一個(gè)雜菌不留，則NVT=0，這也辦不到，如果達(dá)到此滅菌度，滅菌時(shí)間需無窮大；實(shí)際計(jì)算中常常取NVT=10-3，表示1000次發(fā)酵中，將可能由于滅菌不當(dāng)而殘留一個(gè)雜菌。NVT通常根據(jù)操作難易、滅菌費(fèi)用、產(chǎn)品和培養(yǎng)基的代價(jià)等多方面因素決定。,一般來講，完成整個(gè)滅菌周期約3-5小時(shí)，各階段對(duì)滅菌的貢獻(xiàn)大致如下：▽加熱/ ▽總=0.20;▽保溫/ ▽總=0.75；

18、▽保溫/ ▽總=0.05盡量縮短加熱時(shí)間，可減少營(yíng)養(yǎng)物的減少。,2.連續(xù)滅菌與間歇滅菌相同，連續(xù)滅菌也需要加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段；間歇滅菌這三個(gè)階段在空間上相同，在時(shí)間上不同；連續(xù)滅菌這三個(gè)過程同時(shí)發(fā)生，但在空間上不同，因此需要有加熱設(shè)備、保溫設(shè)別和冷卻設(shè)備。,4.5 細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的估計(jì),動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的確定反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度之間的函數(shù)關(guān)系，這實(shí)際上是確立速率方程的基本形式；確定動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如細(xì)胞反應(yīng)器中的Ks和

19、μmax的值；確定動(dòng)力學(xué)參數(shù)與反應(yīng)條件，例如溫度、pH等因素的關(guān)系。動(dòng)力學(xué)方程是否合適，動(dòng)力學(xué)參數(shù)的值是否正確，取決于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法是否能夠提供正確的動(dòng)力學(xué)信息，取決一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法是否準(zhǔn)確！,積分反應(yīng)器與微分反應(yīng)器的差別,4.5.1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器,管式積分反應(yīng)器的分類:(a)真積分反應(yīng)器和(b)準(zhǔn)積分反應(yīng)器,微分反應(yīng)器的分類:(a)真微分反應(yīng)器和(b)準(zhǔn)微分反應(yīng)器,4.5.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的估算（1）積分法求取動(dòng)力學(xué)參