最新发酵过程优化与控制PPT课件.ppt

现代生化工程的主要研究内容 发酵过程的优化控制技术2.生化过程的模型化3.高密度培养技术4.代谢工程和代谢网络控制5.新型生化反应器的研究和开发6.新型发酵和产品分离技术生物反应动力学的研究内容：是有关生物的、化学的与物理过程之间的相互作用，诸如生物反应器中发生的细胞生长、产物生成、传递过程等生物反应动力学研究的目的：是为描述细胞动态行为提供数学依据，以便进行数量化处理www.bincm.org 建立动力学模型的目的：是为了模拟实验过程，对适用性很强的动力学模型，还可以推测待测数据，进而确定最佳生产条件 发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立www.bincm.org什么是非结构模型？什么是结构模型呢？www.bincm.org非结构模型 把细胞视为单组分，则环境的变化对细胞组成的影响可被忽略，即细胞的生长处于所谓的平衡生长状态，此基础上建立的模型称为非结构模型 非结构模型是在实验研究的基础上，通过物料衡算建立起的经验或半经验关联模型www.bincm.org结构模型 由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同，即细胞生长处于非均衡状态时，必须运用从生物反应机理出发推导得到的结构模型 在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型www.bincm.org生物反应器工程的研究内容 生物反应器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等 是影响微生物反应宏观动力学的重要因素www.bincm.org细胞调节 过程操作 细胞环境 细胞形态 反应器特性生物反应器中复杂的相互关系www.bincm.org三. 发酵过程优化的研究进展 20世纪40年代初抗生素工业的兴起，标志着发酵工业进入了一个新阶段 40年代末一门反映生物和化工相交叉的学科生化工程诞生 1954年, Hasting指出, 生化工程要解决的十大问题是深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害 1964年Aiba等人认为通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中放大是生化工程的焦点 20世纪60年代中期，建立了无菌操作的一整套技术www.bincm.org 1973年Aiba等人进一步指出，在大规模研究方面，仅仅把重点放在无菌操作、通气搅拌等过程的物理现象解析和设备的开发上是不够的，应当进一步开展对微生物反应本质的研究 1979年，日本学者山根恒夫编著了生物反应工程一书，认为生物反应工程是一门以速度为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学 1985年，德国学者卡尔许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面的内容 一是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及反应器本身，特别是不同的反应器对生物化学和物理过程的影响www.bincm.org 目前一般认为生物反应工程是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应过程优化和控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科 生物反应工程的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，因此是一门综合性很强的边缘学科 生化反应工程的核心是生物反应过程的数量化处理和动力学模型的建立，实现发酵过程优化则是生物反应工程的研究目标www.bincm.org实现发酵过程的优化与控制，必须解决的五个问题: (1)系统动力学； (2)生物模型； (3)传感器技术； (4)适用于生物过程的最优化技术； (5)计算机检测系统发酵罐之间的接口技术(如神经网络、专家系统) 1) 针对有关发酵产品的生产过程进行微生物生长和产物形成的动力学研究，提出新的或修正的动力学模型或表达式； 2)结合现代生物技术产品的开发，进行基因工程菌、哺乳动物细胞或植物细胞的生长动力学和产物形成动力学的研究； 3)在动力学研究的基础上进行过程优化控制的研究，包括状态观察方程的建立、观察数据的噪声过滤、不可测参数及状态的识别、过程离线或在线的优化控制。 其中尤以流加发酵的最优化研究报道居多有关运用生物反应工程原理进行发酵过程优化控制的研究四. 流加发酵 所谓流加发酵，即补料分批发酵(Fed-batch fermentation)，有时又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批发酵过程中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方法优点缺点分批发酵1.一般投资较小1.因放罐、灭菌等原因，非生产时间长2.易转产、生产灵活2.经常灭菌会降低仪器寿命3.分批操作中某一阶段可获得高的转化率3.前培养和种子的花费大4.发酵周期短，菌种退化率小4.需较多的操作人员或较多的自动控制系统连续发酵1.可实现有规律的机械、自动化1.操作不灵活2.操作人员少2.因操作条件不易改变，原料质量必须稳定3.反应器体积小、非生产时间少3.若采用连 续灭菌， 加上控制系 统和自动 化设备，投资较大4.产品质量稳定4.必须不断地排除一些非溶性的固型物5.操作人员接触毒害物质的可能性小5.易染菌，菌种易退化6.测量仪器使用寿命长流加发酵1.操作灵活1.非生产时间长2.染菌、退化的几率小2.需较多的操作人员或计算机控制系统3.可获得高的转化率3.操作人员 接触一些 病原菌和有 毒产品的 可能性大4.对发酵过程可实现优化控制5.因经常灭菌会降低仪器使用寿命分批、连续、流加操作方式的比较流加发酵的研究进展 在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加 1973年日本学者Yoshida等人首次提出了“Fed-Batch Fermentation”这个术语，并从理论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究才开始进入理论研究阶段流加发酵所取得的三个方面的重大进展 20世纪70年代中后期对流加发酵过程的动力学解析 结合发酵过程的可测参数对流加过程进行反馈控制（如DO法、CO2法、RQ(呼吸商)法、pH法、代谢物法、萤光法等） 流加发酵的最优化研究 流加发酵最优化研究的核心问题是找出最佳的底物流加方式，以维持发酵过程始终处于最佳状态 流加发酵最优化的研究内容包括： （1）状态方程的建立 （2）目标泛函的确定 （3）最优化底物流加方式的求解流加发酵的物料衡算式可以表达为：XVdtXVd)(FSXVdtSVdF)(XVdtPVd)(FdtdV流加发酵的最优化理论有：格林原理、庞特里金最小值(最大值)原理等在采用流加发酵技术之前要考虑的两个在采用流加发酵技术之前要考虑的两个问题问题一、何时采用流加发酵方式？一、何时采用流加发酵方式？二、如何进行底物的流加？二、如何进行底物的流加？一、何时采用流加发酵方式？一、何时采用流加发酵方式？ 所用底物在高浓度时对菌体生长有抑制所用底物在高浓度时对菌体生长有抑制作用作用 高菌体浓度培养即高密度培养系统高菌体浓度培养即高密度培养系统 非生长耦联性次级代谢产物非生长耦联性次级代谢产物( (如产物的合如产物的合成需要某些营养物质或前体成需要某些营养物质或前体) ) 利用营养突变体的系统利用营养突变体的系统( (过量加入营养物只能使菌体过量加入营养物只能使菌体迅速生长，而目的代谢产物的产量会减少。而当营养物严重缺乏迅速生长，而目的代谢产物的产量会减少。而当营养物严重缺乏时，菌体生长受抑制，代谢产物的产量也会减小时，菌体生长受抑制，代谢产物的产量也会减小 ) ) 营养缺陷型菌株的培养营养缺陷型菌株的培养二、如何进行流加发酵操作？二、如何进行流加发酵操作？1. 流加发酵类型流加发酵类型2. 采用流加发酵应该解决的关键问题？采用流加发酵应该解决的关键问题？3.流加发酵过程中某些重要参数的确定流加发酵过程中某些重要参数的确定4.合适的流加发酵类型的确定合适的流加发酵类型的确定5. 流加方式的应用流加方式的应用1.流加发酵类型流加发酵类型流加发酵的分类流加发酵的分类类别类别流流 加加 方方 式式无 反 馈 控无 反 馈 控制制反馈控制反馈控制恒流量流加、变流量流加和间歇流加恒流量流加、变流量流加和间歇流加直接控制流加、间接控制流加直接控制流加、间接控制流加定值控制流加、程序控制流加、最优控制流定值控制流加、程序控制流加、最优控制流加加 2. 采用流加发酵应该解决的关键问题采用流加发酵应该解决的关键问题(1) 流加什么物质？流加什么物质？ 补充微生物能源和碳源，如在发酵液中添加补充微生物能源和碳源，如在发酵液中添加葡萄糖、葡萄糖、 饴糖、液化淀粉。作为消泡剂的天然油饴糖、液化淀粉。作为消泡剂的天然油脂，有时也能同时起到补充碳源的作用脂，有时也能同时起到补充碳源的作用 补充菌体所需要的氮源，有机氮或氨水补充菌体所需要的氮源，有机氮或氨水 加入某些微生物生长或合成需要的微量加入某些微生物生长或合成需要的微量元素或无机盐元素或无机盐 加入酶合成诱导物或前体物质加入酶合成诱导物或前体物质(2) 如何流加？如何流加？ a.底物流加速率底物流加速率 b.流加开始时间及总流加时间流加开始时间及总流加时间 c.需控制的底物浓度需控制的底物浓度3. 流加发酵过程中某些重要参数的确定流加发酵过程中某些重要参数的确定 最佳底物浓度的确定最佳底物浓度的确定 (包括菌体生长阶段和产物合成阶段包括菌体生长阶段和产物合成阶段)b. 底物的消耗速率底物的消耗速率c. 菌体比生长速率菌体比生长速率( )d. 菌体对底物的产率系数菌体对底物的产率系数(Yx/s) 及产物对底物的产率系数及产物对底物的产率系数(Yp/s)4. 合适的流加发酵类型的确定合适的流加发酵类型的确定a.恒速流加恒速流加(包括单一速率和分阶段恒速流加包括单一速率和分阶段恒速流加)b.指数速率流加指数速率流加c.底物在线测定后的反馈流加底物在线测定后的反馈流加(如葡萄糖反馈流加如葡萄糖反馈流加)d. pH-state. DO-5. 流加方式的应用流加方式的应用(1) 恒速流加恒速流加采用恒流速流加培养时，可得到如下的物料平衡方程式：细胞平衡：碳平衡：产物平衡：体积平衡：xVrdtVXd)(0)(FSVrdtVSdspdVPVrdtdVF恒流速流加过程中的流量F的确定： 预试验中所得出的流加时刻菌体对所流加基质的消耗速率 发酵液中残留基质浓度 流加后需要控制的发酵液中的基质浓度(2) (2) 指数速率流加指数速率流加在菌体生长阶段采用指数速率流加法的几点假设如下：(a) 发酵罐内为理想混合；(b) 葡萄糖为唯一限制性碳源；(c) 残留菌体对葡萄糖的产率系数(YX/s)为常数；(d) 菌体生长遵循Monod方程。对底物葡萄糖进行衡算，则： F为体积流加速率(L/h)，S0为流加液中基质浓度(g/L)，Yx/s为菌体对底物的产率系数(g/g)，ms为细胞比维持系数(g/g/h)，X为菌体浓度(g/L)，V为培养液体积(L)，为菌体比生长速率(h-1)。 VXmYFSdtVSdssx)()(/0XVmYSFdtdVSdtdSVcx)(/对菌体量的变化进行物料衡算，则：XVdtXVd)(假定为常数，则上式积分可得： )(FttFFeVXXV 由于生长符合由于生长符合Monod方程方程是是S的函数，要使的函数，要使恒定，恒定，S必须必须恒定，则有：恒定，则有：SKSsm0dtdS)(/0)()(1FttFFssxeVXmYSSF其中tF为开始指数速率流加的时间，ttF，XF和VF分别为tF时刻的菌体浓度和发酵液体积 指数速率流加的速率指数速率流加的速率F的表达式的表达式为为:指数速率流加方式在实际过程中的注意指数速率流加方式在实际过程中的注意事项：事项： 方程中各参数要预先求知方程中各参数要预先求知 应用时流加速率应用时流加速率F可采用阶梯递增方可采用阶梯递增方式进行设定式进行设定高生产率和高细胞密度发酵1. 细胞生长环境的优化策略 (1)培养基组成的优化 (2)特殊营养物的添加 (3)限制代谢副产物的积累2. 培养模式 (1)所培养细胞的具体代谢行为 (2)利用抑制性底物合成目的产物的潜力 (3)诱导条件以及测量细胞培养各项参数的能力3. 诱导策略4. 细胞循环发酵 (应用限制：作用于进入过滤单元的细胞的剪应力太大；系统的放大存在许多实际困难)第二部分第二部分 发酵过程优化原理发酵过程优化原理一一. .发酵过程优化的微生物反应原理发酵过程优化的微生物反应原理二二. .发酵过程数量化方法发酵过程数量化方法 三三. .微生物反应动力学微生物反应动力学 四四. .微生物反应优化的一般原理微生物反应优化的一般原理 一一. .发酵过程优化的微生物反应原理发酵过程优化的微生物反应原理 1. 大肠杆菌生长过程中观察到下列现象 (1)在大肠杆菌快速生长期间，生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基中，结构单元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致 (2)大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化 (3)一旦生长培养基中的结构单元足够，细胞就不再合成这些物质 (4)特定的代谢途径代谢特定的底物，只有底物存在时，细胞才合成相应的酶 (5)若两个不同的底物同时存在于培养基中，细胞先合成能在一种底物上以较高比生长速率生长的酶系，当这种底物消耗完毕，再合成利用另一底物的酶。 2. 细胞生长过程可分为三个步骤：细胞生长过程可分为三个步骤： (1)底物传递进入细胞 (2)通过胞内反应，将底物转变为细胞质和代谢产物 (3)代谢产物排泄进入非生物相，即胞外培养基3. 底物、代谢产物和细胞质成分的定义为：底物、代谢产物和细胞质成分的定义为： 底物是一种存在于初始非生物相或者摄入物中起作用的可交换的化合物 代谢产物是一种作为代谢物产生于某代谢途径进入非生物相的化合物 细胞质成分是一种细胞利用底物产生的不可交换的化合物 研究表明在膜上可能存在三种不同的运研究表明在膜上可能存在三种不同的运输机制：输机制： (1)自由扩散自由扩散 (2)协助扩散协助扩散 (3)主动运输主动运输 前两种机制是沿着浓度梯度进行运输，前两种机制是沿着浓度梯度进行运输，是被动的过程，在运输过程中不需要提是被动的过程，在运输过程中不需要提供外部能量。而主动过程逆着浓度梯度供外部能量。而主动过程逆着浓度梯度进行运输，需要输入一定的吉布斯自由进行运输，需要输入一定的吉布斯自由能。能。 微生物体内不同底物和代谢产物的扩散过程微生物体内不同底物和代谢产物的扩散过程化合物细菌真菌氨基酸葡萄糖乳糖甘油乙醇乳酸乙酸二氧化碳氧气水主动运输主动运输主动运输自由扩散，协助扩散自由扩散主动运输和自由扩散自由扩散自由扩散自由扩散自由扩散主动运输协助扩散和主动运输协助扩散和主动运输自由扩散，协助扩散自由扩散自由扩散自由扩散自由扩散自由扩散自由扩散4. 微生物细胞的胞内反应 (1)分解代谢反应 糖类在转化为代谢产物(CO2、乳酸、乙酸和乙醇等)的同时，还形成ATP、NADH和NADPH。NADH和NADPH都在分解代谢反应中产生，但NADPH主要消耗于合成代谢中，NADH则主要消耗于分解代谢途径，如氧化磷酸化 (2)生物合成和聚合反应 为了合成细胞物质，需要合成结构单元并将其聚合。合成蛋白质需消耗大量的自由能，细胞一般根据其自身需求来调节蛋白质的合成,其合成由蛋白质合成系统(PSS)负责，该系统中核糖体是主要部分 E. coli中大约70%的能量和还原力用于合成蛋白质合成E. coli细胞对前体代谢物的需求 细胞合成所需要的结构单元数在75100之间，这些物质都是从12种前体代谢物合成得到的，这些前体代谢物就是分解代谢反应的中间产物，因此分解代谢在细胞生长过程中起着双重的作用(为生物合成提供能量和前体代谢物)前体代谢物分子式摩尔质量(g/mol)需要量(mol/g 细胞)6-磷酸-葡萄糖C6H13O9P2602056-磷酸果糖C6H13O9P260715-磷酸核糖C5H11O8P2308984-磷酸赤藓糖C4H9O7P2003613-磷酸甘油醛C3H7O6P1701293-磷酸甘油酸C3H7O7P1861496磷酸烯醇式丙酮酸C3H5O6P168519丙酮酸C3H4O3882833乙酰辅酶 A/3747-酮戊二酸C5H6O51461079琥珀酰辅酶 A/草酰乙酸C4H4O （3）次级细胞代谢 细胞代谢和生长过程偶联在一起的过程，称之为初级代谢 但许多工业上重要的产品，其合成反应并不与生长过程偶联，我们称之为次级代谢，这些反应合成的产物叫次级代谢产物，就象初级代谢形成的产物叫初级代谢产物一样 （？）乳酸是初级代谢产物，但它是乳酸菌在非生长条件下形成的，许多其它的初级代谢产物也同样是在非生长条件下产生的 初级代谢产物初级代谢产物定义为“在细胞生长所需要的反应中形成的产物”可能比较确切一些次级代谢产物定义为“在那些对于细胞生长不重要的反应中形成的产物”一些工业上重要的初级和次级代谢产物一览初级代谢产物次级代谢产物乳酸青霉素乙醇头孢菌素CO2四环素乙酸链霉素柠檬酸短菌肽谷氨酸氯霉素赖氨酸卡那霉素葡萄糖酸灰黄霉素核黄素赤霉素二.发酵过程数量化方法 发酵过程的数量化处理包括： 1. 发酵过程的速度 2. 化学计量学和热力学 3. 生产率、转化率和产率 只有当变量可测量时，才有可能对发酵过程进行数量化处理1. 发酵过程的速度变量动力学参数物质传递热传递反应速度定义式dtdcrii包括Hvcposxrrrrrr,dtdcniidtdHqv单位gL-1h-1gL-1h-1kJL-1h-1比反应速率定义式xdtdci1包括Hvcposqqqqq,单位h-1速度常数定义式niicrk)(包括dprkkk,21,LLTrkkkgCOskkk,2Hvk发酵过程的速度概念发酵过程常规的参数及其测量符号参数测量方法X生物量细胞干重，浊度，细胞数S底物酶法分析，化学法，色谱法P产物酶法分析、HPLC 或特殊方法O氧PO专用电极分析C二氧化碳CO专用电极分析Hv发酵热温度、热平衡菌体生长速度为菌体生长速度为 dtdsrsdtdxrx 氧和底物利用速度为氧和底物利用速度为 dtdroo P、C和和HV生成速度为生成速度为:dtdprpdtdcrcdtdHvrH细胞生长的比速率为：dtdxx1 底物消耗的比速率为qs 产物形成的比速率为qp：dtdoxqo1 氧消耗的比速率为qo： 二氧化碳生成的比速率 为qc：发酵热生成的比速率：dtdcxqc1dtdHxqVHV 2. 化学计量学 化学计量方程 表示通用化了的碳源 根据元素分析得出的细胞组成 表示产物vHvWCPXNOdcbaSHOHCONOHCNOHCNHONOHC)()()()()()()(2232dcbaNOHCNOHCNOHC 3. 产率系数 (1)宏观产率系数 宏观产率系数(或称得率系数)Yi/j是化学计量学中一种非常重要的参数，常用于对碳源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价，其中i表示菌体或产物，j表示底物 例如，菌体对底物的产率系数可表示为：dsdxrrdtdsdtdxSSXXSXYsxttsx/00/生物反应过程中宏观产率系数的定义总览产率系数组分间的反应或关系定义YX/SSXYX/S=-rX/rSYX/OO2XYX/O=-rX/rOYP/SSPYP/S=-rP/rSYC/SSCO2YC/S= -rC/rSYP/OO2PYP/O= -rP/rOYHv/SSHvYHv/S=-rHv/rsYC/OO2CO2YC/O=-rC/rOYHv/OO2HvYHv/O=-rHv/rO有时，以摩尔为单位表示产率系数更有利： 相似的概念可用于表达重要的常数： 值在实践中对推导元素平衡方程很重要，对与氧化磷酸化有关的理论问题也有重要意义形成的摩尔数细胞形成的碳摩尔数ATPYCATP氧消耗的摩尔数细胞形成的碳摩尔数COYCOY底物消耗的摩尔数细胞形成的碳摩尔数CSY 假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可达理论最高值，称为理论代谢产物产率 （a）根据化学计量关系计算 例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化学计量方程为 依此计算，=147/180=0.82 此处没有考虑反应过程中NADH及ATP等辅助底物的生成和消耗(2)理论代谢产物产率theorSPY/OHCONOHCONHOHC2249523612635 . （b）由生物化学计量关系计算 根据由底物生成目标代谢产物的代谢途径，进行代谢过程中有关NAD(P)+和ATP等辅底物的物料衡算，结合化学计量关系可求出 上式： 由该反应式得 =(14713)/(12180)=0.75 此处-酮戊二酸的氨基化还原反应中所需要的NADPH由异柠檬酸脱氢反应供给 !！用生化计量式时, 必须清楚有关的代谢途径OHCONOHCONHOHC(c) 实际发酵过程中的产率系数 在实际发酵中，产率是变化的，产率取决于下列因素： Y= f (菌株、底物、m、；、tm、OTR、C/N，P/O) 式中m为混合度，S为底物浓度，为平均滞留时间，tm为混合时间，OTR为氧传递速度，C/N为碳氮比，P/O为磷氧比另外，Papoutsakis和Lim(1981)用碳流分支的概念来解释菌体产率变化的原因： 其中r1和r分别为碳源分支代谢途径1和途径2的反应速度，MX和MS为菌体和底物的分子量，x是SX反应的化学计量系数，可见产率只随r或r变化 在甲基营养菌中存在两种不同的碳代谢流：同化(r2)和氧化(r1) 碳源和其它营养物的浓度或温度、pH等培养条件的任何变化都可能引起r或r变化 这一概念表明，甲基营养菌菌体产率的变化是一个动力学问题，而不是生物合成问题21/11)(rrMMYSXXSX三. 微生物反应动力学 1. 被摄入到微生物细胞内的底物中，一部分转化为代谢产物，还有一部分则转化为新生细胞的组成物质。因此，对微生物反应动力学进行研究，至少要对底物、菌体和产物三个状态变量进行数学描述 2. 微生物反应是很多种物质参与的复杂代谢过程的综合结果。因此，微生物反应的动力学方程只能通过数学模拟得到 3. 进行数学模拟的难点在于细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学过程，该过程既包括细胞内的生化反应，也包括胞内与胞外的物质交换，还包括胞外的物质传递及反应 4. 为了优化反应过程，首先要进行合理的简化，在简化的基础上建立过程的物理模型，再据此推导得出数学模型。微生物反应动力学模型的分类模型类型着眼点说明概率论模型微生物个体必须考虑每个细胞的差异，以说明某一特定现象；或用以说明平均值附近的波动情况决定论模型微生物群体不考虑每个细胞的差异，而是取菌体性质及数量的平均值进行数学处理均相模型微生物群体是一种认为菌体均匀分散于培养液中，可作为均相处理的决定论模型。生物相分离模型微生物群体是将菌体作为与培养液(连续相)分离的生物相处理所建立的决定论模型。这种模型需要说明培养液与菌体间的物质传递及分配效应。在高菌体浓度时，考虑微生物所占的体积分率，以及解析废水生物处理过程中洒水滤床和旋转圆盘的微生物膜，都是利用生物相分离模型。结构模型微生物群体考虑菌体组成的变化，将活菌体和死菌体分别处理从而建立的模型。在单一菌体的结构模型中，将整个菌体分为两种或两种以上成分，并认为代谢过程是各种成分共同作用的结果。均相模型和生物相分离模型都可分别构成结构模型非结构模型微生物群体与结构模型的主要区别在于它不考虑细胞组成的变化。（一）细胞生长动力学模型1. 无抑制作用的细胞生长动力学 温度和pH恒定时，对于某一特定培养基组分的浓度s，Monod方程为 式中: max称为最大比生长速率(h-1)，Ks称为半饱和 常数(g/L) 底物消耗速率方程对应为SKSsmaxSKSqqsssmax, Monod方程应满足 (1)菌体生长为均衡型非结构生长；(2)培养基中只有一种底物是生长限制性底物； (3)菌体产率系数恒定2. 细胞生长稳定期和延迟期的Monod型动力学 (1) 延迟期动力学模型的建立 (2) 生长稳定期动力学模型的建立 式中和是经验常数，取=max和=xmax，)1 (),(/maxLttsesKsts)1 (3. 微生物死亡期和内源代谢 (1) 微生物死亡期的动力学模型 Kd为比死亡速率 (h-1) 对应于由底物生成菌体的一级反应速率为 (2) 内源代谢的动力学模型 或： ms为细胞的维持系数(s-1)，Y*X/S为最大细胞产率dtdxxkd1xkrdx)(XmXYrsSXs*/1sSXsmYq*/4. 底物和产物抑制的动力学模型 (1) 底物抑制动力学(Andrew底物抑制模型) 式中KIS是底物抑制常数 ( 2) 产物抑制动力学（Hinshelwood模型） 式中，P为产物浓度，k为动力学常数 或： 式中KIP为产物抑制常数ISSKSSK/11max)1 (maxPkSKSSPKKSKSIPIPS（二）微生物产物形成动力学模型 Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的关系，将产物形成区分为三种类型 类型 也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳酸） 类型 也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸） 类型 也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生素、多糖）XYrYrXPXXPP/XPPYq/XrrXPPqXrPPqwww.bingt.org 上述三种类型外还有一种模型是qP与负偶联的模型，例如黑曲霉生产黑色素，其qP与的关系可表示为： 当考虑到产物可能存在分解时： 式中，kd为产物分解常数XPPPYqq/max,PkXrrdXPwww.bingt.org四. 微生物反应优化的一般原理 1. 发酵过程优化的一般步骤 (1) 反应过程的简化 是指把工艺过程的复杂结构压缩为少数系统，这些系统可以用关键变量来表示 (2) 定量化 系统、准确地检测发酵过程的各种参数 (3) 分离 是指在生物过程和物理过程的各种速度相互不影响的情况下，精心设计实验以获得关于生物和物理现象的数据www.bingt.org (4) 数学建模 数学模型是能以简化的形式表征过程行为，并实现特定目的的数学公式 数学模型可将特定结果通用化，并为推论系统的其它性质提供基础 建立数学模型的主要目标是：(a)为了预见任何系统的转化率或生产率；(b)用以检查在各种操作条件下工厂操作的性质和行为，检查模型适用的范围(包括外推性)；(c)用于进行工艺优化和计算机模拟；(d)用于检测出可能重要但被忽视了的参数；(e)检查是否已有效地区分生物现象和物理现象；(f)有助于阐明反应机理www.bingt.org2. 分批微生物反应过程的优化 最优化的目标函数：产量、生产率、纯利润等，有时也对这些指标的其中二个以上进行多目标函数优化 最优化的操作变量：反应时间、培养基组成、温度、pH、溶氧等 * 培养基组成的优化 预先设定XT为最大菌体浓度，则由可得到底物Si的初始浓度为)(10/0,XXYSTSXiiwww.bingt.org 无机离子或生长因子等一旦被细胞吸收，在细胞内保持元化学状态，且含量恒定不变。这类营养物质称为储存性底物。可根据这些物质在菌体内的实际含量，用类似于上式的方法确定其需要量 当代谢产物的产量与培养基组成之间的关系很复杂，不能用解析函数的方式表示时，可采用实验设计法确定最优初始浓度 利用最优实验设计法，即使不能提高产量，也可探索培养基组分的最小需用量，从而避免不必要的浪费www.bingt.org第三部分第三部分 生物反应过程的系统优化技术生物反应过程的系统优化技术一一. .系统优化技术概述系统优化技术概述二二.ATP.ATP再生系统及其在谷胱甘肽生物合成再生系统及其在谷胱甘肽生物合成中的应用中的应用三三. .有机废水处理和聚羟基烷酸生产的耦合有机废水处理和聚羟基烷酸生产的耦合系统系统四四. .生物反应与产物分离的组合系统生物反应与产物分离的组合系统www.bingt.org一一. .系统优化技术概述系统优化技术概述1.1.系统的定义系统的定义 奥地利理论生物学家贝塔朗菲于奥地利理论生物学家贝塔朗菲于1937年第一次年第一次提出提出, ,系统是系统是“一个相互作用的诸要素的综合一个相互作用的诸要素的综合体体”。 我国科学家钱学森对系统的定义是我国科学家钱学森对系统的定义是“系统是系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的，具有特定功能的有机整体，而且这个整成的，具有特定功能的有机整体，而且这个整体又是它从属的更大的系统的组成部分体又是它从属的更大的系统的组成部分” 换句话说，系统是同类或相关事物按一定的内换句话说，系统是同类或相关事物按一定的内在联系组成的整体在联系组成的整体www.bingt.org2. 系统的一般形态有：系统的一般形态有： (一一)自然系统和人造系统自然系统和人造系统 (二二)实体系统和概念系统实体系统和概念系统 (三三)封闭系统与开放系统封闭系统与开放系统 (四四)静态系统和动态系统静态系统和动态系统 (五五)对象系统和行为系统对象系统和行为系统 (六六)控制系统和因果系统控制系统和因果系统www.bingt.org3. 系统应当具备四个基本特征系统应当具备四个基本特征(一一)整体性整体性( (系统是由两个以上有一定区别又有一定相关系统是由两个以上有一定区别又有一定相关的要素所组成，系统的整体性主要表现为系统的整体的要素所组成，系统的整体性主要表现为系统的整体功能功能 ) )(二二)相关性相关性( (各要素组成了系统是因为它们之间存在相互各要素组成了系统是因为它们之间存在相互联系、相互作用、相互影响的关系联系、相互作用、相互影响的关系 ) )(三三)目的性目的性( (系统具有能使各个要素集合在一起的共同目系统具有能使各个要素集合在一起的共同目的，而且人造系统通常具有多重目的的，而且人造系统通常具有多重目的) )( (四四) )环境适应性环境适应性( (环境是指出现于系统以外的事物的总称，环境是指出现于系统以外的事物的总称，相对于系统而言，环境是一个更高级的、复杂的系统。相对于系统而言，环境是一个更高级的、复杂的系统。系统必须适应外部环境的变化，能够经常与外部环境系统必须适应外部环境的变化，能够经常与外部环境保持最佳的适应状态，才能得以存在保持最佳的适应状态，才能得以存在) ) www.bingt.org 4.4.生物反应系统优化的基本思想生物反应系统优化的基本思想: : 整体优化的思想，对所研究的对象整体优化的思想，对所研究的对象采用定性或定量的模型优化技术，采用定性或定量的模型优化技术，使系统整体目标最优使系统整体目标最优www.bingt.org5. 生物反应系统优化方法的原则主要有以下几个方面：生物反应系统优化方法的原则主要有以下几个方面：(一一)系统整体性原则系统整体性原则: :不能从系统的局部得出有关系统整体的结论；分不能从系统的局部得出有关系统整体的结论；分系统的目标必须服从于系统整体的目标系统的目标必须服从于系统整体的目标(二二)系统有序相关原则系统有序相关原则: :系统的有序性，是系统有机联系的反映，系统系统的有序性，是系统有机联系的反映，系统的任何联系都是按一定等级和层次进行的，都是秩序井然、有条不的任何联系都是按一定等级和层次进行的，都是秩序井然、有条不紊的紊的 (三三)系统目标优化原则系统目标优化原则: :优化问题是在不可控参数发生变化的情况下，优化问题是在不可控参数发生变化的情况下，根据系统的目标，经常、有效地确定可控参数的数值，使系统经常根据系统的目标，经常、有效地确定可控参数的数值，使系统经常处于最优状态处于最优状态(四四)系统动态性原则系统动态性原则: :系统优化是一个比较复杂的过程，研究对象内部系统优化是一个比较复杂的过程，研究对象内部复杂的相互作用和外部环境的多变性，使系统本身呈现出动态特性复杂的相互作用和外部环境的多变性，使系统本身呈现出动态特性 (五五)系统分解综合原则：分解是将系统中具有密切相关关系的要素进系统分解综合原则：分解是将系统中具有密切相关关系的要素进行分组；综合则是完成新系统的筹建过程，即选择具有性能好、适行分组；综合则是完成新系统的筹建过程，即选择具有性能好、适用性强的分系统用性强的分系统(六六)系统创造思维原则：其一是把陌生的事物看作熟悉的东西，用已系统创造思维原则：其一是把陌生的事物看作熟悉的东西，用已有的知识加以辩识和解决；其二是把熟悉的对象看作陌生的东西，有的知识加以辩识和解决；其二是把熟悉的对象看作陌生的东西，用新的方法、新的原则加以研究，从而创造出新的理论，新的技术。用新的方法、新的原则加以研究，从而创造出新的理论，新的技术。 www.bingt.org生物反应系统示意图生物反应过程上游加工过程加工过程下游成本经济学原料的生物具有应用价值传统育种基因工程细胞工程目的产物大规模工艺开发设计思想遗传学生理学培养技术反应器发酵技术酶技术www.bingt.org6.6.生物系统生物系统介绍：介绍： (1)生物产品合成的能量生物产品合成的能量(ATP)或辅因子或辅因子(NADH)再生系统再生系统 (2)废水生物处理的厌氧废水生物处理的厌氧好氧组合处理好氧组合处理系统系统 (3)生物反应与产物提取的耦合系统生物反应与产物提取的耦合系统 (4)有机废水处理和有用物质生产的耦合有机废水处理和有用物质生产的耦合系统系统 www.bingt.org二二. ATP再生系统及其在谷胱甘肽生物合成中的应用再生系统及其在谷胱甘肽生物合成中的应用 1. ATP再生系统的定义及分类再生系统的定义及分类 ATP再生系统可定义为一个需要再生系统可定义为一个需要ATP的生物酶反应系统与的生物酶反应系统与一个一个ATP生物合成系统所构成的耦合系统生物合成系统所构成的耦合系统 按底物的不同分类按底物的不同分类, ,ATP再生系统可分为再生系统可分为: : (1)(1)转移高能磷酸基的反应系统转移高能磷酸基的反应系统( (以高能化合物作为底物以高能化合物作为底物 ) ) (2)(2)采用碳水化合物作为基质的反应系统采用碳水化合物作为基质的反应系统( (以碳水化合物和以碳水化合物和磷酸基团作为底物磷酸基团作为底物) ) 利用碳水化合物为基质的利用碳水化合物为基质的ATP再生系统根据酶源的不同又再生系统根据酶源的不同又可分为：可分为： (1)(1)自耦合系统自耦合系统 (2)(2)种间耦合系统种间耦合系统www.bingt.org自耦合ATP再生系统示意图 再生ATP的反应系统需要ATP的生物合成反应ATPADP或AMPADP或AMP葡萄糖前体产物微生物细胞二氧化碳水和有机酸www.bingt.org种间耦合ATP再生系统示意图 需要ATP的生物酶反应再生ATP的反应系统ATPADP(AMP)前体产物葡萄糖二氧化碳、水有机酸(或乙醇)大肠杆菌产氨短杆菌或面包酵母2. 建立建立自耦合系统和种间耦合系统自耦合系统和种间耦合系统必须满足以下条件必须满足以下条件 (1)用于合成产物的酶的活性必须足够强且稳定用于合成产物的酶的活性必须足够强且稳定 (2)能大量提供廉价、稳定的前体物质能大量提供廉价、稳定的前体物质 (3)再生再生ATP的活性足够强且稳定，能与生物合成酶反应成的活性足够强且稳定，能与生物合成酶反应成功地耦合功地耦合 (4)提供廉价的能量底物提供廉价的能量底物(如葡萄糖如葡萄糖)和磷酸基团供体和磷酸基团供体(如无机如无机磷酸盐磷酸盐)以利于以利于ATP再生再生 (5)若有类似于分解反应的有害副反应，则必须对其加以控若有类似于分解反应的有害副反应，则必须对其加以控制制 (6)若底物或预定的产物不能透过细胞膜，则必须设法提高若底物或预定的产物不能透过细胞膜，则必须设法提高膜的通透性膜的通透性3. 两两 种系统的不同之处：种系统的不同之处： 自耦合ATP再生系统只用到一种微生物，故该菌中必须同时具有需要ATP的生物合成反应的酶活性和再生ATP的酶活性 种间耦合ATP再生系统采用不同的微生物，一种作为ATP合成活性的供体，另一种作为与此相偶联的生物合成酶活性的供体 以E. coli作为合成酶活性的受体菌和具有较强ATP生物合成活性的产氨短杆菌或面包酵母组合而成的种间耦合反应系统4.4.自耦合自耦合ATP再生系统再生系统 （1）GMP(5-鸟苷酸钠盐)生产过程