细胞反应过程动力学
生物反应工程习题精解
根据题中数据可列质量平衡式： CH 2O + aO2 + bNH 3 → cCH1.66 N 0.13O0.4 + dCO2 + eH 2O 对C： 1= c+ d 对O :1 + 2a = 0.4c + 2d + e 对H : 2 + 3b = 1.66c + 2e 对N : b = 0.13c 同时，RQ : d = 1.8a 求方程组得：a = 0.117, b = 0.103, c = 0.79, d = 0.21, e = 0.5
14、细胞生长和代谢的结构模型包括室模型、代谢模型、产物生成结构模型以及 基因调控和单细胞模型。 13、一般来说，细胞反应过程往往采用积分反应器，其表现为时间对细胞浓度、 底物浓度、 产物浓度的关系， 需要进一步变换为微分形式进行动力学参数的计算。
24
生物反应工程习题精解
第四章 细胞反应过程动力学
具体方法见下：
原始数据 t~CX、CS、CP
变换数据 µ =
1 ∆C X 1 ∆CS 1 ∆CP 、 qS = 、 qP = C X ∆t C X ∆t C X ∆t
对细胞动力学，变换为线性方程
1
µ
=
µ max
KS
1 1 + ， CS µ max
作图计算细胞动力学参数 K S 和 µ max
由细胞动力学参数 K S 和 µ max ，计算底物消耗动力学参数 和产物动力学参数
D 0.06 0.12 0.24 0.31 0.43 0.53 CS 0.006 0.013 0.033 0.04 0.064 0.100 CX 0.427 0.434 0.417 0.438 0.422 0.427 1/μ 16.67 8.33 4.17 3.22 2.33 1.89 1/CS 166.67 79.92 30.30 25 15.625 9.80 ⊿CS 0.962 0.955 0.935 0.928 0.904 0.866 rS 0.058 0.11 0.22 0.29 0.39 0.46 qS 0.135 0.264 0.538 0.657 0.921 1.075
细胞化学反应动力学例题和知识点总结
细胞化学反应动力学例题和知识点总结细胞化学反应动力学是研究细胞内化学反应速率和机制的重要领域，它对于理解细胞的生理功能、代谢过程以及疾病的发生发展都具有关键意义。
接下来，让我们通过一些例题来深入理解细胞化学反应动力学的相关知识点。
一、知识点回顾在探讨例题之前，先来回顾一下细胞化学反应动力学的几个重要知识点。
1、反应速率反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。
对于一般的化学反应 aA ＋bB → cC ＋ dD，其反应速率可以表示为：v ＝－1/a(dA/dt) ＝－1/b(dB/dt) ＝ 1/c(dC/dt) ＝ 1/d(dD/dt) 。
2、浓度对反应速率的影响根据质量作用定律，反应速率与反应物浓度的乘积成正比。
对于简单的一级反应，反应速率只与一种反应物的浓度成正比；对于二级反应，反应速率与两种反应物浓度的乘积成正比。
3、酶促反应动力学酶能够显著加快反应速率，但不改变反应的平衡常数。
酶促反应的速率受到酶浓度、底物浓度、温度、pH 值等多种因素的影响。
米氏方程（v ＝ VmaxS ／（Km ＋ S)）常用于描述酶促反应的速率与底物浓度之间的关系，其中 Vmax 表示最大反应速率，Km 表示米氏常数。
4、反应级数通过实验确定反应速率与反应物浓度之间的关系，可以确定反应的级数。
一级反应的速率与反应物浓度的一次方成正比，二级反应的速率与反应物浓度的二次方成正比，零级反应的速率与反应物浓度无关。
二、例题解析例题 1：在一个细胞内的化学反应A → B 中，反应物 A 的初始浓度为 10 mol/L，经过 20 秒后，A 的浓度降低到 05 mol/L。
计算该反应在这段时间内的平均反应速率。
解：反应速率 v ＝（dA/dt) ，由于浓度的变化量为 10 05 ＝ 05mol/L ，时间为 20 秒，所以平均反应速率 v ＝（05 ／ 20) ＝ 0025mol/（L·s) 。
第二章-生物反应动力学-2-细胞反应PPT课件
.
18
霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从
菌丝体（顶端生长）的顶端细胞间形成
隔膜进行生长，一旦形成一个细胞，它
就保持其完整性。霉菌的倍增时间可短
至60～90 min，但典型的霉菌倍增时间
为4～8 h。
.
19
病毒能在活细胞内繁
殖，但不能在一般培
养基中繁殖。病毒是
通过复制方式进行繁
1 细胞反应过程计量学
反应计量学是对反应物的组成和反应
转化程度的数量化研究。通过计量学，可
知道反应过程中有关组分的组成变化规律
以及各反应之间的数量关系。知道了这些
数量关系，就可以由一个物质的消耗或生
成速率来推知其他物质的消耗或生成速率。
.
40
由于细胞反应过程由众多组分参与，
且代谢途径错综复杂，在细胞生长和繁殖
的。
CH
O
m
n aO
2bNH
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
.
45
CH
O
bNH
m
n aO
2
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
• 式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz
是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元
素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z
最伟大的发现。
.
3
第三代现代生物技术产品
从1953年美国的Watson及Crick发现了
DNA分子的双螺旋结构，由此而来21世
第二章 生物反应动力学.
E S [ES] E P E I [EI] [EI] S KS [EIS] [ES] I KI [ESI]
底物 抑制
产物 抑制
E S [ES ] E P S [ES ] [SES ]
E S [ES ] E P E P [EP]
所消耗的底物. 3. 产物的抑制作用不计.
有两种推导反应速率方程的方法:平衡假设法和拟稳态假设法.
平衡假设法—Michaelis-Menten方程
平衡假设：认为酶催化反应历程中，生成产物一步的反应速率要慢于底物S和酶 形成中间复合物的可逆反应速率，因此生成产物一步的反应速率决定整个酶催 化反应的速率，生成复合物的可逆反应则达到平衡状态。
流量分析，介绍代谢工程进展。 • 重点：
各种情况下的酶和细胞反应（过程）的动力学方程及其在形式 上差异、简单的代谢流量分析。 • 难点：
酶催化反应动力学机理方程的推导。
第一节 均相酶催化反应动力学
酶催化反应过程分为：均相酶催化反应过程和非均相酶催化反应过程。 均相酶催化反应 定义: 指酶和反应物系处于同一相(液相)中的酶催化反应. 特点: 不存在相间的物质传递.所描述的反应速率与反应物系的基本关系反映
拟稳态假设法—Briggs-Haldane方程
拟稳态假设：认为由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多，中间复合物 分解时所得到的酶又立即与底物相结合，使得反应体系中复合物的浓度维持不 变，即中间复合物的浓度不随时间变化，即：
dC[ES] 0 dt
根据反应机理和拟稳态假设，有下述方程式：
dCP dt
所示。
rm ax
该曲线表示了三个不同动力学特点的区域： rS
1
•当CS KS 时，即底物浓度比值小得多时，该曲 2 rmax
生化反应器 第三章 细胞反应动力学1
所以： a= 0.782，b=1.473，c=0.909，d=3.855，e=2
即： C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86 +3.855H2O+2CO2 （2）底物对细胞的得率YX / S的计算
YX / S
max
= 1 / 0.0167 = 59.8802(g/mol)
m = 0.0012(mol/g ⋅ h )
由而可看出两种作法的计算结果时接近的
0.04 0.035 0.03 YX/S （g/mol） 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0 5 10 1/ µ （h ） 15 20
0.008 0.007 q S （mol/g·h） 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4
µ （1/h ）
qS及µ的实验数据计算YX/S ，以1/YX/S对1/µ进 行回归得到 则
1 / Y X / S = 0.0167 + 0.0012 / µ
对N元素平衡，有：
a = 0.86c = 0.782
对H元素平衡，有：
12 + 3a = 7.3c + 2d ， 12 + 3a − 7.3c d= 2 12 + 3 × 0.782 − 7.3 × 0.909 = 2 = 3.855
对O元素平衡，有：
6 + 2 × b = 1 .2 c + d + 2 e ，
第三章 细胞反应动力学
四、胞内代谢反应
根据功能分为： 供能反应 生物合成反应 多聚反应 组装反应 根据过程分为： 初级代谢 次级代谢
五、胞内代谢调控
实质 把细胞内所有酶组织起来，通过活化某些酶、抑 制另一些酶，甚至出现一些新酶，去掉某些原有的酶， 以使整个代谢过程适应细胞生理活动的需要
两个重要机制 酶活性调控 酶合成调控
cS cS max exp( ) K S cS K SI cS cS ) exp( )] Teissier等： max [exp( K SI KS
三、有抑制的细胞反应动力学
产物抑制 对产物竞争性抑制：
max cS
cP cS K S (1 ) K PI
三、有抑制的细胞反应动力学
底物抑制 对底物非竞争性抑制：
d max， 0 dcS
* cS KSI KS
*
max
1 2 K S / K SI
三、有抑制的细胞反应动力学
底物抑制 对底物竞争性抑制：
经验方程 Aiba等：
max cS
cS cS K S (1 ) K SI
cS 为限制性底物的质量浓度，g/L K S 为饱和常数，g/L
二、无抑制的细胞反应动力学
Monod模型方程
cS
二、无抑制的细胞反应动力学
Monod模型方程
不同K S值的Monod曲线
二、无抑制的细胞反应动力学
Monod模型方程 max 和 c S 为一级动力学关系 cS ， K S时， 当 cS KS 提高限制性底物浓度可以提高比生长速率
13401370436生物反应工程第三章细胞反应动力学概述研究对象以细胞微生物催化剂的反应过程动力学研究内容在细胞水平上通过对细胞的生长速率代谢产物的生成速率和底物的消耗速率等动力学特性的描述反映出细胞反应过程的本征动力学特性研究目的细胞反应过程动力学是进行细胞反应过程优化和生物反应器设计的重要理论依据主要内容第四节底物消耗和产物生成动力学第一节细胞反应概论一基本概念细胞细胞是一切生物体进行生长遗传和进化等生命活动的基本单位也是决定生物体形态结构和功能的基本单位代谢产物排泄进入胞外非生物相二细胞的基本特征组成chon四种元素约占细胞质量的90spnacakclmgfe含量其次以上12种元素约占细胞质量的99细胞的化学组成二细胞的基本特征组成活细胞的主要成分是水占总量8095干物质中90是由蛋白质核酸糖类和脂类等四类大分子物质所组成细胞的元素和化学组成将直接影响细胞大规模培养时的培养基设计二细胞的基本特征组成蛋白质
细胞化学反应的动力学原理例题和知识点总结
细胞化学反应的动力学原理例题和知识点总结细胞化学反应的动力学原理是细胞生物学中的重要内容，它对于理解细胞内各种生化过程的速率和机制具有关键意义。
接下来，让我们通过一些具体的例题来深入探讨这一原理，并对相关知识点进行总结。
一、细胞化学反应动力学的基本概念细胞化学反应动力学主要研究化学反应的速率以及影响反应速率的各种因素。
在细胞中，化学反应通常在温和的条件下进行，受到酶的催化和多种调节机制的控制。
反应速率可以用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。
例如，对于反应A → B，如果在时间 t 内 A 的浓度从 A₀变为 A₁，那么反应速率 v ＝（ A₁ A₀）／ t 。
影响细胞化学反应速率的因素主要包括反应物浓度、酶的浓度和活性、温度、pH 值、离子强度等。
二、例题分析例题 1：在一个细胞内的酶促反应中，底物浓度为 10 mM 时，反应速率为5 μmol/min。
当底物浓度增加到 20 mM 时，反应速率变为 10μmol/min。
计算该反应的米氏常数（Km）和最大反应速率（Vmax）。
首先，根据米氏方程 v ＝ Vmax S ／（ Km ＋ S ），我们可以列出两个方程：5 ＝ Vmax × 10 ／（ Km ＋ 10 ）（1）10 ＝ Vmax × 20 ／（ Km ＋ 20 ）（2）通过解方程（1）和（2），可以得到 Km ＝ 10 mM，Vmax ＝ 15μmol/min 。
例题 2：某细胞化学反应在 37℃时的反应速率是20 μmol/min，当温度升高到 42℃时，反应速率增加到30 μmol/min。
计算该反应的活化能（Ea）。
根据阿伦尼乌斯方程 k ＝ A × e^（Ea/RT) ，其中 k 是反应速率常数，A 是指前因子，R 是气体常数，T 是绝对温度。
设 37℃（310 K）时的速率常数为 k₁，42℃（315 K）时的速率常数为 k₂，则：k₁＝ 20 ／反应物浓度，k₂＝ 30 ／反应物浓度ln(k₂／ k₁) ＝ Ea ／ R ×（ 1 ／ T₁ 1 ／ T₂）代入数据计算可得Ea ≈ 50 kJ/mol 。
《生化工程》学习指南
《生化工程》学习指南一、课程性质生化工程，也称生物反应工程，是化学工程与生物技术的交叉学科，也是应用化学工程的原理与方法将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门学科，是生物工程专业的一门核心课程。
该研究主要采用化学动力学、传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学原理，也涉及到生物化学、微生物学、微生物生理学和遗传学等许多学科领域。
二、学习方法《生化工程》是一门理论与工程实践相结合的应用基础课程。
它重点研究了酶反应动力学、细胞反应动力学、理想反应器模型、传质与传递过程以及反应器的选择、设计与放大，这些内容都是相互关联，有机结合的。
在学习过程中，要理解各种理想数学模型的原理和推导过程，重点考察物料平衡，注意培养逻辑推理能力，多想、多看，理解并记住一些经典理论方程。
另外，以工程放大的角度，从点到面，系统思考一个生物过程体系的方方面面。
三、各章学习指南本课程是学习如何将实验室的研究成果进行工业化开发的一门学科，是工程放大的基础。
本课程的模式和公式比较多，有些必须要记住，有些可以推导或了解一下。
第一章绪论主要内容：从青霉素、链霉素的发现及其工业化生产中引出现代发酵工程及产业，生化工程的研究进展重点：生化工程的定义，生物反应过程的特点难点：了解生化工程与化学工程之间的差别与共同点。
第二章均相酶催化反应动力学主要内容：包括酶反应的特征，可逆酶反应的动力学，影响酶反应的因素重点：酶促反应的影响因素，米氏方程表达式，Km的含义，L-B双倒数法测定参数，别构酶的Hill方程，pH的对酶动力学的影响及pK-pH关系。
难点：反应级数判定和计算理解快速平衡学说与稳态学说之间的区别，会用两种学说进行反应动力学推导掌握几种不同可逆抑制的原理及动力学推导，包括竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争抑制第三章固定化酶反应动力学主要内容：包括固定化酶反应动力学的特征，外扩散限制反应，内扩散限制反应。
重点：固定化酶的定义、优缺点，几种固定化酶的方法，外扩散限制下的酶反应速率与传质关系，内扩散限制条件下的φ（Thile）西勒模数的意义，如何减少内扩散限制的对酶动力学的影响。
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大肠杆菌细胞的化学组成（以干基计% ）
成分
含量
成分
含量
C
50
Na
1
H
20
Ca
0.5
O
8
Mg
0.5
N
14
Cl
0.5
P
3
Fe
0.2
S
1
其他
0.3
K
1
2.2.1 忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系
对忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系可表 示为
第二章 细胞反应动力学
2.1微生物反应过程概论
• 2.1.1微生物反应过程主要特征 • （1）微生物是该反应过程的主体 • （2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反
应体系 • （3）微生物反应是非常复杂的反应过程
复杂性表现
1. 代谢成网络化分布，并相互影响，无法完全了解 清楚
2. 反应体系中的细胞生长、基质消耗和产物生成， 三者的动力学规律既有联系，又有明显差别，且 有各自的最佳反应条件。
式中 CX——细胞浓度，（g/L） t——时间，（h）
细胞浓度通常用单位体积的培养液中的细胞
（或菌体）的干燥质量表示。细胞浓度一般用质 量单位表示，很难用摩尔单位表示。
② 底物消耗速率
rS
dCS dt
式中 CS——底物浓度，（g/L）或（mol/L）—单位体积的培养液中O2的消耗量， （g/L）或（mol/L）
rCO2 CX
（1/h）或 （mol/g·h ）
⑥ 热量的比生成速率
qH
1 CX
dCH dt
rH CX
（kJ/g·h ）
（3）细胞反应的得率 ① 细胞对底物的得率
YX / S
生长的细胞的质量 消耗的底物的质量
M X M S
在间歇的培养过程中的细胞对底物的得率一般
是随着培养时间而变化的，即因随着培养的进行 培养基的营养成分的组成、细胞的活性是变化的， 所以瞬时的细胞对底物的得率可表示为
④ 产物生成速率
rP
dCP dt
式中 CP——产物浓度，（g/L）或（mol/L） ⑤ CO2生成速率
rCO2
dCCO2 dt
式中 CCO2——单位体积的培养液中CO2生成量， （g/L）或（mol/L）
⑥ 热量的生成速率
rH
dCH dt
式中 CH——单位体积的培养液中热量的生成量， （kJ/L）
3. 时变性强，非线性 4. 无法准确计量、定量 5. 多相：气相、液相和固相 6. 多组分：培养基中多种营养成分，多种代谢产物，
细胞内也具有不同生理功能的大、中、小分子化 合物。 7. 复杂的群体性：同时存在不同生理特性、不同活 力的细胞群体。
与酶反应比较
催化剂
酶
微生物(细胞)
反应类型
单一，高度选 复杂，由一系
2.2 细胞反应计量学 反应计量学是对反应物系的组成或反
应的程度的量化的研究。通过反应计量学 可以得到反应组成分的数量关系及变化规 律。
反应计量学
反应工程学的理论基础 反应热力学
反应动力学
微生物细胞化学组成的主要物质为C、H、 O、N，及P、S、K、Na等。
可将细胞以一般的化学物质的表达形 式写作CHON。
生成的产物的质量 消耗的底物的质量
M P M S
在间歇的培养过程中的产物对底物的瞬时得率为
YP / S
rP rS
dCP dCS
④ 生成的热量对底物的得率
生成的热量
H
YH / S
消耗的底物的质量
M S
在间歇的培养过程中生成的热量对底物的瞬时得 率为
YH / S
rH rS
dCH dCS
YX / S
rX rS
dCX dCS
间歇培养的细胞对底物的总得率
YX / S
CX CX0 CS0 CS
② 细胞对氧的得率
生长的细胞的质量 YX / O 消耗的氧的质量
M X Mo
在间歇的培养过程中的细胞对氧的瞬时得率为
YX /O
rX rO
dCX dCO
③ 产物对底物的得率
YP / S
（2）细胞反应的比速率：单位时间内单位 菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速， 是生物反应中用于描述反应速度的常用概念（不 同反应间的对比，消除细胞量的效应）在细胞反 应中主要的反应的比速率有：
① 细胞的比生长速率
1 dCX rx
CX dt CX d ln Cx
dt
（1/h）
② 底物的比消耗速率
RQ d / a
（5）
联立1～5式，有
0 0 1 0 a m 0 3 0 2 b n
2
0
2
1
c
l
0 1 0 0 d 0
RQ
0
0
1
0
e
0
解得细胞反应方程的a、b、c、d、e等5个系数
2.2.2 细胞反应的化学平衡通式 底物用于转化为细胞的化学平衡式为
择性
列生化反应组
成
有效催化剂浓 不增殖 度
一般增殖
催化剂稳定性 失活
衰老、菌种退 化、质粒丢失
底物 单一，有时 需辅酶
副产物 少，较易纯 化
供氧 不重要
各种营养物质、 前体物质，自身 具备辅酶再生及 能量供应体系 多，纯化困难
对耗氧菌很重要
2.1.2 微生物反应动力学的描述方法
• 微生物反应动力学包括细胞生长动力学、 反应基质消耗动力学和代谢产物生成动力 学，其中细胞生长动力学是其核心。
CmHnOl+aO2+bNH3 底物碳源 氮源
cCHON+dCO2+eH2O 细胞
对C元素： 对H元素： 对O元素： 对N元素：
m c d
n 3 b c 2e
l 2a c 2d e
b c
（1） （2） （3） （4）
上述4个细胞反应的计量方程，不足以计算a、b、 c、d、e等5个未知量，因而再寻找1个方程，如 在好氧型培养时，可定义呼吸商作为第5个方程
qS
1 CX
dCS dt
rs CX
（1/h）或 （mol/g·h ）
③ 氧的比消耗速率
qO
1 CX
dCO dt
ro CX
（1/h）或 （mol/g·h ）
④ 产物的比生成速率
qP
1 CX
dCP dt
rp CX
（1/h）或 （mol/g·h ）
⑤ CO2的比生成速率
qCO2
1 CX
dCCO2 dt
为了描述细胞培养过程的细胞质量、底物 质量、产物质量的变化关系，在细胞反应 动力学中用细胞反应的速率、细胞反应的 比速率、细胞反应的得率等来描述。其定 义分别如下：
（1）细胞反应的速率 表示为单位反 应体积、单位时间内的某一组分的量的变 化。在细胞反应中主要的反应的速率有：
① 细胞生长速率
rX
dCX dt