發(fā)酵過程的優(yōu)化控制

第一部分緒論一.發(fā)酵過程優(yōu)化在生化工程中的地位二.發(fā)酵過程優(yōu)化的目標(biāo)和研究內(nèi)容三.發(fā)酵過程優(yōu)化的研究進(jìn)展四.流加發(fā)酵過程的優(yōu)化控制發(fā)酵過程的優(yōu)化控制

第一部分緒論一.發(fā)酵過程優(yōu)化在生化一.發(fā)酵過程優(yōu)化在生化工程中的地位現(xiàn)代生物技術(shù)不僅能在生產(chǎn)新型食品、飼料添加劑、藥物的過程中發(fā)揮重要的作用，還能經(jīng)濟(jì)、清潔地生產(chǎn)傳統(tǒng)生物技術(shù)或一般化學(xué)方法很難生產(chǎn)的特殊化學(xué)品，在解決人類面臨的人口、糧食、健康、環(huán)境等重大問題的過程中必將發(fā)揮積極的作用如何才能更好地發(fā)揮現(xiàn)代生物技術(shù)的作用？以工業(yè)微生物為例，選育或構(gòu)建一株優(yōu)良菌株僅僅是一個(gè)開始，要使優(yōu)良菌株的潛力充分發(fā)揮出來，還必須優(yōu)化其發(fā)酵過程，以獲得較高的產(chǎn)物濃度(便于下游處理)、較高的底物轉(zhuǎn)化率(降低原料成本)和較高的生產(chǎn)強(qiáng)度(縮短發(fā)酵周期)一.發(fā)酵過程優(yōu)化在生化工程中的地位現(xiàn)代生物技術(shù)不僅能在生產(chǎn)發(fā)酵過程優(yōu)化的主要研究內(nèi)容第一個(gè)方面是細(xì)胞生長過程研究第二個(gè)方面是微生物反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量第三個(gè)方面是生物反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)的研究（主要研究生物反應(yīng)速率及其影響因素）第四個(gè)方面的內(nèi)容是生物反應(yīng)器工程（包括生物反應(yīng)器及參數(shù)的檢測與控制）二.發(fā)酵過程優(yōu)化的研究內(nèi)容和目標(biāo)發(fā)酵過程優(yōu)化的主要研究內(nèi)容第一個(gè)方面是細(xì)胞生長過程研究二.發(fā)酵過程優(yōu)化的目標(biāo)使細(xì)胞生理調(diào)節(jié)、細(xì)胞環(huán)境、反應(yīng)器特性、工藝操作條件與反應(yīng)器控制之間這種復(fù)雜的相互作用盡可能地簡化，并對(duì)這些條件和相互關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，使之最適于特定發(fā)酵過程的進(jìn)行發(fā)酵過程優(yōu)化的基礎(chǔ)是進(jìn)行生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)和生物反應(yīng)器的研究發(fā)酵過程優(yōu)化的目標(biāo)使細(xì)胞生理調(diào)節(jié)、細(xì)胞環(huán)境、反應(yīng)器特性、工藝如何實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化控制？如何實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化控制？正交試驗(yàn)在培養(yǎng)基確定中的應(yīng)用因素水平玉米粉（％）A豆餅粉（％）B蛋白胨（％）CPH

D10.540.55.021.050.65.531.560.76.0正交表因素水平正交試驗(yàn)在培養(yǎng)基確定中的應(yīng)用因素水平玉米粉豆餅粉蛋白胨PH1第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件因素水平玉米粉（％）A豆餅粉（％）B蛋白胨（％）CPH

D10.540.55.021.050.65.531.560.76.0因素水平玉米粉豆餅粉蛋白胨PH10.540.55.021.0第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件生物反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)模型的建立發(fā)酵過程優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程優(yōu)化控制的過程生物反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)模型的建立發(fā)酵過程優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容：是有關(guān)生物的、化學(xué)的與物理過程之間的相互作用，諸如生物反應(yīng)器中發(fā)生的細(xì)胞生長、產(chǎn)物生成、傳遞過程等生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的目的：是為描述細(xì)胞動(dòng)態(tài)行為提供數(shù)學(xué)依據(jù)，以便進(jìn)行數(shù)量化處理生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容：是有關(guān)生物的、化學(xué)的與物理過程之間建立動(dòng)力學(xué)模型的目的：是為了模擬實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)適用性很強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)模型，還可以推測待測數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定最佳生產(chǎn)條件發(fā)酵過程優(yōu)化涉及非結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)模型的建立建立動(dòng)力學(xué)模型的目的：是為了模擬實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)適用性很強(qiáng)的動(dòng)力什么是非結(jié)構(gòu)模型？什么是結(jié)構(gòu)模型呢？什么是非結(jié)構(gòu)模型？非結(jié)構(gòu)模型把細(xì)胞視為單組分，則環(huán)境的變化對(duì)細(xì)胞組成的影響可被忽略，即細(xì)胞的生長處于所謂的平衡生長狀態(tài)，此基礎(chǔ)上建立的模型稱為非結(jié)構(gòu)模型非結(jié)構(gòu)模型是在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過物料衡算建立起的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型非結(jié)構(gòu)模型把細(xì)胞視為單組分，則環(huán)境的變化對(duì)細(xì)胞組成的影響可被結(jié)構(gòu)模型由于細(xì)胞內(nèi)各組分的合成速率不同而使各組分增加的比例不同，即細(xì)胞生長處于非均衡狀態(tài)時(shí)，必須運(yùn)用從生物反應(yīng)機(jī)理出發(fā)推導(dǎo)得到的結(jié)構(gòu)模型在考慮細(xì)胞組成變化的基礎(chǔ)上建立的模型，稱為結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型由于細(xì)胞內(nèi)各組分的合成速率不同而使各組分增加的比例不生物反應(yīng)器工程的研究內(nèi)容生物反應(yīng)器的形式、結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動(dòng)與混合狀況、傳遞過程特征等是影響微生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)的重要因素生物反應(yīng)器工程的研究內(nèi)容生物反應(yīng)器的形式、結(jié)構(gòu)、操作方式、物生物反應(yīng)器中復(fù)雜的相互關(guān)系生物反應(yīng)器中復(fù)雜的相互關(guān)系三.發(fā)酵過程優(yōu)化的研究進(jìn)展20世紀(jì)40年代初抗生素工業(yè)的興起，標(biāo)志著發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新階段40年代末一門反映生物和化工相交叉的學(xué)科──生化工程誕生1954年,Hasting指出,生化工程要解決的十大問題是深層培養(yǎng)、通氣、空氣除菌、攪拌、結(jié)構(gòu)材料、容器、冷卻方式、設(shè)備及培養(yǎng)基除菌、過濾、公害1964年Aiba等人認(rèn)為通氣攪拌與放大是生化工程學(xué)科的核心，其中放大是生化工程的焦點(diǎn)20世紀(jì)60年代中期，建立了無菌操作的一整套技術(shù)三.發(fā)酵過程優(yōu)化的研究進(jìn)展20世紀(jì)40年代初抗生素工業(yè)的興1973年Aiba等人進(jìn)一步指出，在大規(guī)模研究方面，僅僅把重點(diǎn)放在無菌操作、通氣攪拌等過程的物理現(xiàn)象解析和設(shè)備的開發(fā)上是不夠的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步開展對(duì)微生物反應(yīng)本質(zhì)的研究1979年，日本學(xué)者山根恒夫編著了《生物反應(yīng)工程》一書，認(rèn)為生物反應(yīng)工程是一門以速度為基礎(chǔ)，研究酶反應(yīng)、微生物反應(yīng)及廢水處理過程的合理設(shè)計(jì)、操作和控制的工程學(xué)1985年，德國學(xué)者卡爾許格爾提出生物反應(yīng)工程的研究應(yīng)當(dāng)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容∶一是宏觀動(dòng)力學(xué)，它涉及生物、化學(xué)、物理之間的相互關(guān)系；二是生物反應(yīng)器工程，它主要涉及反應(yīng)器本身，特別是不同的反應(yīng)器對(duì)生物化學(xué)和物理過程的影響1973年Aiba等人進(jìn)一步指出，在大規(guī)模研究方面，僅僅把重目前一般認(rèn)為生物反應(yīng)工程是一門以生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，研究生物反應(yīng)過程優(yōu)化和控制以及生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大與操作的學(xué)科生物反應(yīng)工程的研究主要采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳遞過程原理、設(shè)備工程學(xué)、過程動(dòng)態(tài)學(xué)及最優(yōu)化原理等化學(xué)工程學(xué)原理，也涉及到生物化學(xué)、微生物學(xué)、微生物生理學(xué)和遺傳學(xué)等許多學(xué)科領(lǐng)域，因此是一門綜合性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科生化反應(yīng)工程的核心是生物反應(yīng)過程的數(shù)量化處理和動(dòng)力學(xué)模型的建立，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程優(yōu)化則是生物反應(yīng)工程的研究目標(biāo)目前一般認(rèn)為生物反應(yīng)工程是一門以生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，研究生實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化與控制，必須解決的五個(gè)問題:(1)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；(2)生物模型；(3)傳感器技術(shù)；(4)適用于生物過程的最優(yōu)化技術(shù)；(5)計(jì)算機(jī)─檢測系統(tǒng)─發(fā)酵罐之間的接口技術(shù)(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化與控制，必須解決的五個(gè)問題:(1)系統(tǒng)動(dòng)力1)針對(duì)有關(guān)發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行微生物生長和產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)研究，提出新的或修正的動(dòng)力學(xué)模型或表達(dá)式；2)結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)，進(jìn)行基因工程菌、哺乳動(dòng)物細(xì)胞或植物細(xì)胞的生長動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)的研究；3)在動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行過程優(yōu)化控制的研究，包括狀態(tài)觀察方程的建立、觀察數(shù)據(jù)的噪聲過濾、不可測參數(shù)及狀態(tài)的識(shí)別、過程離線或在線的優(yōu)化控制。其中尤以流加發(fā)酵的最優(yōu)化研究報(bào)道居多有關(guān)運(yùn)用生物反應(yīng)工程原理進(jìn)行發(fā)酵過程優(yōu)化控制的研究1)針對(duì)有關(guān)發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行微生物生長和產(chǎn)物形成的動(dòng)四.流加發(fā)酵所謂流加發(fā)酵，即補(bǔ)料分批發(fā)酵(Fed-batchfermentation)，有時(shí)又稱半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方法四.流加發(fā)酵所謂流加發(fā)酵，即補(bǔ)料分批發(fā)酵(Fed-batc分批、連續(xù)、流加操作方式的比較分批、連續(xù)、流加操作方式的比較第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件流加發(fā)酵的研究進(jìn)展在20世紀(jì)70年代以前流加發(fā)酵的理論研究幾乎是個(gè)空白，流加過程控制僅僅以經(jīng)驗(yàn)為主，流加方式也僅僅局限于間歇或恒速流加1973年日本學(xué)者Yoshida等人首次提出了“Fed-BatchFermentation”這個(gè)術(shù)語，并從理論上建立了第一個(gè)數(shù)學(xué)模型，流加發(fā)酵的研究才開始進(jìn)入理論研究階段流加發(fā)酵的研究進(jìn)展在20世紀(jì)70年代以前流加發(fā)酵的理論研究幾流加發(fā)酵所取得的三個(gè)方面的重大進(jìn)展20世紀(jì)70年代中后期對(duì)流加發(fā)酵過程的動(dòng)力學(xué)解析結(jié)合發(fā)酵過程的可測參數(shù)對(duì)流加過程進(jìn)行反饋控制（如DO法、CO2法、RQ(呼吸商)法、pH法、代謝物法、螢光法等）流加發(fā)酵的最優(yōu)化研究流加發(fā)酵所取得的三個(gè)方面的重大進(jìn)展20世紀(jì)70年代中后期對(duì)流加發(fā)酵最優(yōu)化研究的核心問題是找出最佳的底物流加方式，以維持發(fā)酵過程始終處于最佳狀態(tài)流加發(fā)酵最優(yōu)化的研究內(nèi)容包括：（1）狀態(tài)方程的建立（2）目標(biāo)泛函的確定（3）最優(yōu)化底物流加方式的求解流加發(fā)酵最優(yōu)化研究的核心問題是找出最佳的底物流加方式，以維持流加發(fā)酵的物料衡算式可以表達(dá)為：流加發(fā)酵的最優(yōu)化理論有：格林原理、龐特里金最小值(最大值)原理等V：發(fā)酵液體積X：發(fā)酵液中菌體濃度S：限制性底物濃度SF：新鮮培養(yǎng)基中的限制性底物濃度F：流加速度菌體：限制性底物：產(chǎn)物：發(fā)酵液體積：P：產(chǎn)物濃度流加發(fā)酵的物料衡算式可以表達(dá)為：流加發(fā)酵的最優(yōu)化理論有：格林在采用流加發(fā)酵技術(shù)之前要考慮的兩個(gè)問題一、何時(shí)采用流加發(fā)酵方式？二、如何進(jìn)行底物的流加？在采用流加發(fā)酵技術(shù)之前要考慮的兩個(gè)問題一、何時(shí)采用流加發(fā)酵方式？所用底物在高濃度時(shí)對(duì)菌體生長有抑制作用

高菌體濃度培養(yǎng)即高密度培養(yǎng)系統(tǒng)非生長耦聯(lián)性次級(jí)代謝產(chǎn)物(如產(chǎn)物的合成需要某些營養(yǎng)物質(zhì)或前體)利用營養(yǎng)突變體的系統(tǒng)(過量加入營養(yǎng)物只能使菌體迅速生長，而目的代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量會(huì)減少。而當(dāng)營養(yǎng)物嚴(yán)重缺乏時(shí)，菌體生長受抑制，代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量也會(huì)減小)

營養(yǎng)缺陷型菌株的培養(yǎng)一、何時(shí)采用流加發(fā)酵方式？二、如何進(jìn)行流加發(fā)酵操作？1.流加發(fā)酵類型2.采用流加發(fā)酵應(yīng)該解決的關(guān)鍵問題？3.流加發(fā)酵過程中某些重要參數(shù)的確定4.合適的流加發(fā)酵類型的確定5.流加方式的應(yīng)用二、如何進(jìn)行流加發(fā)酵操作？1.流加發(fā)酵類型流加發(fā)酵的分類類別流加方式無反饋控制反饋控制恒流量流加、變流量流加和間歇流加直接控制流加、間接控制流加定值控制流加、程序控制流加、最優(yōu)控制流加

1.流加發(fā)酵類型流加發(fā)酵的分類類別流加方式無反饋2.采用流加發(fā)酵應(yīng)該解決的關(guān)鍵問題(1)流加什么物質(zhì)？①補(bǔ)充微生物能源和碳源，如在發(fā)酵液中添加葡萄糖、飴糖、液化淀粉。作為消泡劑的天然油脂，有時(shí)也能同時(shí)起到補(bǔ)充碳源的作用②補(bǔ)充菌體所需要的氮源，有機(jī)氮或氨水③加入某些微生物生長或合成需要的微量元素或無機(jī)鹽④加入酶合成誘導(dǎo)物或前體物質(zhì)2.采用流加發(fā)酵應(yīng)該解決的關(guān)鍵問題(2)如何流加？

a.底物流加速率

b.流加開始時(shí)間及總流加時(shí)間

c.需控制的底物濃度(2)如何流加？3.流加發(fā)酵過程中某些重要參數(shù)的確定最佳底物濃度的確定

(包括菌體生長階段和產(chǎn)物合成階段)b.底物的消耗速率c.菌體比生長速率()d.菌體對(duì)底物的產(chǎn)率系數(shù)(Yx/s)

及產(chǎn)物對(duì)底物的產(chǎn)率系數(shù)(Yp/s)3.流加發(fā)酵過程中某些重要參數(shù)的確定4.合適的流加發(fā)酵類型的確定a.恒速流加(包括單一速率和分階段恒速流加)b.指數(shù)速率流加c.底物在線測定后的反饋流加(如葡萄糖反饋流加)d.pH-state.DO-stat4.合適的流加發(fā)酵類型的確定5.流加方式的應(yīng)用(1)恒速流加采用恒流速流加培養(yǎng)時(shí)，可得到如下的物料平衡方程式：細(xì)胞平衡：碳平衡：產(chǎn)物平衡：體積平衡：V：發(fā)酵液體積X：發(fā)酵液中菌體濃度S：限制性底物濃度SF：新鮮培養(yǎng)基中的限制性底物濃度F：流加速度P：產(chǎn)物濃度5.流加方式的應(yīng)用采用恒流速流加培養(yǎng)時(shí)，可得到如下的物料平恒流速流加過程中的流量F的確定：預(yù)試驗(yàn)中所得出的流加時(shí)刻菌體對(duì)所流加基質(zhì)的消耗速率發(fā)酵液中殘留基質(zhì)濃度流加后需要控制的發(fā)酵液中的基質(zhì)濃度恒流速流加過程中的流量F的確定：(2)指數(shù)速率流加在菌體生長階段采用指數(shù)速率流加法的幾點(diǎn)假設(shè)如下：(a)發(fā)酵罐內(nèi)為理想混合；(b)葡萄糖為唯一限制性碳源；(c)殘留菌體對(duì)葡萄糖的產(chǎn)率系數(shù)(YX/s)為常數(shù)；(d)菌體生長遵循Monod方程。(2)指數(shù)速率流加對(duì)底物葡萄糖進(jìn)行衡算，則：

F為體積流加速率(L/h)，S0為流加液中基質(zhì)濃度(g/L)，Yx/s為菌體對(duì)底物的產(chǎn)率系數(shù)(g/g)，ms為細(xì)胞比維持系數(shù)(g/g/h)，X為菌體濃度(g/L)，V為培養(yǎng)液體積(L)，μ為菌體比生長速率(h-1)。

對(duì)底物葡萄糖進(jìn)行衡算，則：對(duì)菌體量的變化進(jìn)行物料衡算，則：假定為常數(shù)，則上式積分可得：

對(duì)菌體量的變化進(jìn)行物料衡算，則：假定為常數(shù)，則上式積分可得

由于生長符合Monod方程

μ是S的函數(shù)，要使μ恒定，S必須恒定，則有：

由于生長符合Monod方程

μ是S的函數(shù)，要使μ恒其中tF為開始指數(shù)速率流加的時(shí)間，t≥tF，XF和VF分別為tF時(shí)刻的菌體濃度和發(fā)酵液體積

指數(shù)速率流加的速率F的表達(dá)式為:其中tF為開始指數(shù)速率流加的時(shí)間，t≥tF，XF和VF分別為指數(shù)速率流加方式在實(shí)際過程中的注意事項(xiàng)：方程中各參數(shù)要預(yù)先求知應(yīng)用時(shí)流加速率F可采用階梯遞增方式進(jìn)行設(shè)定指數(shù)速率流加方式在實(shí)際過程中的注意事項(xiàng)：高生產(chǎn)率和高細(xì)胞密度發(fā)酵1.細(xì)胞生長環(huán)境的優(yōu)化策略(1)培養(yǎng)基組成的優(yōu)化(2)特殊營養(yǎng)物的添加(3)限制代謝副產(chǎn)物的積累2.培養(yǎng)模式(1)所培養(yǎng)細(xì)胞的具體代謝行為(2)利用抑制性底物合成目的產(chǎn)物的潛力(3)誘導(dǎo)條件以及測量細(xì)胞培養(yǎng)各項(xiàng)參數(shù)的能力3.誘導(dǎo)策略4.細(xì)胞循環(huán)發(fā)酵(應(yīng)用限制：作用于進(jìn)入過濾單元的細(xì)胞的剪應(yīng)力太大；系統(tǒng)的放大存在許多實(shí)際困難)高生產(chǎn)率和高細(xì)胞密度發(fā)酵1.細(xì)胞生長環(huán)境的優(yōu)化策略第二部分分批與連續(xù)發(fā)酵過程優(yōu)化原理一.發(fā)酵過程優(yōu)化的微生物反應(yīng)原理

二.發(fā)酵過程數(shù)量化方法

三.微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

四.微生物反應(yīng)優(yōu)化的一般原理第二部分分批與連續(xù)發(fā)酵過程優(yōu)化原理一.發(fā)酵過程優(yōu)化的微生

一.發(fā)酵過程優(yōu)化的微生物反應(yīng)原理

1.大腸桿菌生長過程中觀察到下列現(xiàn)象∶(1)在大腸桿菌快速生長期間，生物合成的中間體很少滲漏到胞外培養(yǎng)基中，結(jié)構(gòu)單元(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)大腸桿菌胞內(nèi)的大分子物質(zhì)隨比生長速率而變化(3)一旦生長培養(yǎng)基中的結(jié)構(gòu)單元足夠，細(xì)胞就不再合成這些物質(zhì)(4)特定的代謝途徑代謝特定的底物，只有底物存在時(shí)，細(xì)胞才合成相應(yīng)的酶(5)若兩個(gè)不同的底物同時(shí)存在于培養(yǎng)基中，細(xì)胞先合成能在一種底物上以較高比生長速率生長的酶系，當(dāng)這種底物消耗完畢，再合成利用另一底物的酶。一.發(fā)酵過程優(yōu)化的微生物反應(yīng)原理

1.大腸桿菌生長過2.細(xì)胞生長過程可分為三個(gè)步驟：(1)底物傳遞進(jìn)入細(xì)胞(2)通過胞內(nèi)反應(yīng)，將底物轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞質(zhì)和代謝產(chǎn)物(3)代謝產(chǎn)物排泄進(jìn)入非生物相，即胞外培養(yǎng)基2.細(xì)胞生長過程可分為三個(gè)步驟：3.底物、代謝產(chǎn)物和細(xì)胞質(zhì)成分的定義為：底物是一種存在于初始非生物相或者攝入物中起作用的可交換的化合物代謝產(chǎn)物是一種作為代謝物產(chǎn)生于某代謝途徑進(jìn)入非生物相的化合物細(xì)胞質(zhì)成分是一種細(xì)胞利用底物產(chǎn)生的不可交換的化合物3.底物、代謝產(chǎn)物和細(xì)胞質(zhì)成分的定義為：底物是一種存在于初二.發(fā)酵過程數(shù)量化方法發(fā)酵過程的數(shù)量化處理包括：1.發(fā)酵過程的速度2.化學(xué)計(jì)量學(xué)和熱力學(xué)3.生產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率只有當(dāng)變量可測量時(shí)，才有可能對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行數(shù)量化處理二.發(fā)酵過程數(shù)量化方法發(fā)酵過程的數(shù)量化處理包括：1.發(fā)酵過程的速度發(fā)酵過程的速度概念1.發(fā)酵過程的速度發(fā)酵過程的速度概念發(fā)酵過程常規(guī)的參數(shù)及其測量發(fā)酵過程常規(guī)的參數(shù)及其測量菌體生長速度為∶

氧和底物利用速度為∶

P、C和HV生成速度為:菌體生長速度為∶氧和底物利用速度為∶P、C和HV生成速細(xì)胞生長的比速率為：

底物消耗的比速率為qs∶

產(chǎn)物形成的比速率為qp：細(xì)胞生長的比速率為：底物消耗的比速率為qs∶產(chǎn)物形成的

氧消耗的比速率為qo：

二氧化碳生成的比速率為qc：發(fā)酵熱生成的比速率：氧消耗的比速率為qo：二氧化碳生成的比速率為qc：發(fā)酵2.化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)計(jì)量方程

表示通用化了的碳源

根據(jù)元素分析得出的細(xì)胞組成

表示產(chǎn)物2.化學(xué)計(jì)量學(xué)3.產(chǎn)率系數(shù)(1)宏觀產(chǎn)率系數(shù)宏觀產(chǎn)率系數(shù)(或稱得率系數(shù))Yi/j是化學(xué)計(jì)量學(xué)中一種非常重要的參數(shù)，常用于對(duì)碳源等底物形成菌體或產(chǎn)物的潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中i表示菌體或產(chǎn)物，j表示底物例如，菌體對(duì)底物的產(chǎn)率系數(shù)可表示為：3.產(chǎn)率系數(shù)(1)宏觀產(chǎn)率系數(shù)生物反應(yīng)過程中宏觀產(chǎn)率系數(shù)的定義總覽生物反應(yīng)過程中宏觀產(chǎn)率系數(shù)的定義總覽有時(shí)，以摩爾為單位表示產(chǎn)率系數(shù)更有利：

相似的概念可用于表達(dá)重要的常數(shù)：值在實(shí)踐中對(duì)推導(dǎo)元素平衡方程很重要，對(duì)與氧化磷酸化有關(guān)的理論問題也有重要意義有時(shí)，以摩爾為單位表示產(chǎn)率系數(shù)更有利：

相似的概念可用于表達(dá)(2)理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率假設(shè)發(fā)酵過程中完全沒有菌體生成，則YP/S可達(dá)理論最高值，稱為理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率（a）根據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化學(xué)計(jì)量方程為∶依此計(jì)算，=147/180=0.82此處沒有考慮反應(yīng)過程中NADH及ATP等輔助底物的生成和消耗(2)理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率假設(shè)發(fā)酵過程中完全沒有菌體生成，則YP（b）由生物化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算根據(jù)由底物生成目標(biāo)代謝產(chǎn)物的代謝途徑，進(jìn)行代謝過程中有關(guān)NAD(P)+和ATP等輔底物的物料衡算，結(jié)合化學(xué)計(jì)量關(guān)系可求出上式：由該反應(yīng)式得∶=(147×13)/(12×180)=0.75此處-酮戊二酸的氨基化還原反應(yīng)中所需要的NADPH由異檸檬酸脫氫反應(yīng)供給!！用生化計(jì)量式時(shí),必須清楚有關(guān)的代謝途徑（b）由生物化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算根據(jù)由底物生成目標(biāo)代謝產(chǎn)物的代謝(c)實(shí)際發(fā)酵過程中的產(chǎn)率系數(shù)在實(shí)際發(fā)酵中，產(chǎn)率是變化的，產(chǎn)率取決于下列因素：Y=f(菌株、底物、、m、Ｓ；、tm、OTR、C/N，P/O)式中m為混合度，S為底物濃度，為平均滯留時(shí)間，tm為混合時(shí)間，OTR為氧傳遞速度，C/N為碳氮比，P/O為磷氧比(c)實(shí)際發(fā)酵過程中的產(chǎn)率系數(shù)在實(shí)際發(fā)酵中，產(chǎn)率是變化的，微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的分類微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的分類若起始菌量為x0（接種量），經(jīng)過時(shí)間t后的總菌量為x，則：（一）分批發(fā)酵細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)模型

若起始菌量為x0（接種量），經(jīng)過時(shí)間t后的總菌量為x，實(shí)際上菌體的生長是連續(xù)的過程，上面是經(jīng)過個(gè)別單位時(shí)間跳躍式發(fā)生的，因此，為接近實(shí)際，常將時(shí)間分得很短，按1/m單位時(shí)間來看，此時(shí)，t單位時(shí)間內(nèi)獲得的總菌數(shù)為：實(shí)際上菌體的生長是連續(xù)的過程，上面是經(jīng)過個(gè)別單位時(shí)間跳躍式發(fā)當(dāng)m愈大，問題就越接近實(shí)際，因此當(dāng)m愈大，問題就越接近實(shí)際，因此當(dāng)x＝2x0

時(shí)，即細(xì)胞通過分裂繁殖一代，數(shù)量增加一倍所用的時(shí)間叫世代時(shí)間或倍增時(shí)間，用td表示。則：該式即是微生物在對(duì)數(shù)生長期的增殖模式。當(dāng)x＝2x0時(shí)，即細(xì)胞通過分裂繁殖一代，數(shù)量增加一倍1949年，莫諾發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的比生長速率與單一限制性基質(zhì)之間存在一定關(guān)系莫諾建立了被稱為莫諾方程的經(jīng)驗(yàn)公式：1949年，莫諾發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的比生長速率與單一限制性基質(zhì)之間存在該式中μmax稱為最大比生長速率，是在S＞＞KS，且其他成分保持不變的情況下取得的。S

是限制性底物濃度。由該式可知，當(dāng)μ＝1/2μmax時(shí)，有KS=S，所以，莫諾常數(shù)（或稱飽和常數(shù)）KS代表當(dāng)微生物的生長速率等于最大比生長速率的一半時(shí)的底物濃度；KS表示微生物對(duì)底物的親和力。該式中μmax稱為最大比生長速率，是在S＞＞KS，且其當(dāng)S→∞時(shí)，μ→μm，說明μm只是理論上的最大生長潛力，實(shí)際上是不可能達(dá)到的。實(shí)際上，莫諾方程是在如下假設(shè)基礎(chǔ)上建立起來的：當(dāng)S→∞時(shí)，μ→μm，說明μm只是理論上的最大生長潛力1）菌體生長為均衡型非結(jié)構(gòu)式生長，因此，細(xì)胞成分只需要一個(gè)參數(shù)即菌體濃度表示即可。2）培養(yǎng)基中只有一種底物是生長限制性底物，其他營養(yǎng)成分不影響微生物生長。3）將微生物生長視為簡單反應(yīng)，并假設(shè)菌體得率為常數(shù)，沒有動(dòng)態(tài)滯后。1）菌體生長為均衡型非結(jié)構(gòu)式生長，因此，細(xì)胞成分只需要一個(gè)參莫諾方程與米氏方程形式相同，但微生物生長是細(xì)胞群體生命活動(dòng)得綜合表現(xiàn)，機(jī)理非常復(fù)雜。方程中的常數(shù)μm

和KS

可用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過試驗(yàn)求得，也可用試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖求得。莫諾方程與米氏方程形式相同，但微生物生長是細(xì)胞群體生命活動(dòng)得Monod方程應(yīng)滿足∶(1)菌體生長為均衡型非結(jié)構(gòu)生長；(2)培養(yǎng)基中只有一種底物是生長限制性底物；(3)菌體產(chǎn)率系數(shù)恒定第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件2.細(xì)胞生長穩(wěn)定期和延遲期的Monod型動(dòng)力學(xué)(1)延遲期動(dòng)力學(xué)模型的建立

(2)生長穩(wěn)定期動(dòng)力學(xué)模型的建立式中和是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取=max和=xmax，2.細(xì)胞生長穩(wěn)定期和延遲期的Monod型動(dòng)力學(xué)(1)延遲3.微生物死亡期和內(nèi)源代謝(1)微生物死亡期的動(dòng)力學(xué)模型

Kd為比死亡速率(h-1)

對(duì)應(yīng)于由底物生成菌體的一級(jí)反應(yīng)速率為∶(2)內(nèi)源代謝的動(dòng)力學(xué)模型或：ms為細(xì)胞的維持系數(shù)(s-1)，Y*X/S為最大細(xì)胞產(chǎn)率3.微生物死亡期和內(nèi)源代謝(1)微生物死亡期的動(dòng)力學(xué)模型4.底物和產(chǎn)物抑制的動(dòng)力學(xué)模型(1)底物抑制動(dòng)力學(xué)(Andrew底物抑制模型)式中KIS是底物抑制常數(shù)(2)產(chǎn)物抑制動(dòng)力學(xué)（Hinshelwood模型）式中，P為產(chǎn)物濃度，k為動(dòng)力學(xué)常數(shù)或：式中KIP為產(chǎn)物抑制常數(shù)4.底物和產(chǎn)物抑制的動(dòng)力學(xué)模型(1)底物抑制動(dòng)力學(xué)(An

5.無抑制作用的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)溫度和pH恒定時(shí)，對(duì)于某一特定培養(yǎng)基組分的濃度s，Monod方程為∶式中:max稱為最大比生長速率(h-1)，Ks稱為半飽和常數(shù)(g/L)底物消耗速率方程對(duì)應(yīng)為∶

5.無抑制作用的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)溫度和pH恒定時(shí)，對(duì)于某一特（二）微生物產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)模型Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率和細(xì)胞生長速率之間的關(guān)系，將產(chǎn)物形成區(qū)分為三種類型類型Ⅰ∶也稱為偶聯(lián)模型（醇類、葡萄糖酸、乳酸）類型Ⅱ∶也稱部分偶聯(lián)模型（檸檬酸、氨基酸）

類型Ⅲ∶也稱為非偶聯(lián)模型（抗生素、酶、維生素、多糖）產(chǎn)物形成的比速率為qp細(xì)胞生長的比速率為：=xmax（二）微生物產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)模型Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率和細(xì)上述三種類型外還有一種模型是qP與負(fù)偶聯(lián)的模型，例如黑曲霉生產(chǎn)黑色素，其qP與的關(guān)系可表示為：當(dāng)考慮到產(chǎn)物可能存在分解時(shí)：式中，k’d為產(chǎn)物分解常數(shù)上述三種類型外還有一種模型是qP與負(fù)偶聯(lián)的模型，例如黑曲霉2.分批微生物反應(yīng)過程的優(yōu)化最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：產(chǎn)量、生產(chǎn)率、純利潤等，有時(shí)也對(duì)這些指標(biāo)的其中二個(gè)以上進(jìn)行多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化最優(yōu)化的操作變量：反應(yīng)時(shí)間、培養(yǎng)基組成、溫度、pH、溶氧等*培養(yǎng)基組成的優(yōu)化預(yù)先設(shè)定XT為最大菌體濃度，則由可得到底物Si的初始濃度為∶2.分批微生物反應(yīng)過程的優(yōu)化最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：產(chǎn)量、生產(chǎn)率分批發(fā)酵中，微生物處于連續(xù)變化的環(huán)境中，基質(zhì)不斷消耗，產(chǎn)物不斷積累，環(huán)境條件不斷變化，菌體不能長期處于旺盛的發(fā)酵期，發(fā)酵設(shè)備利用率低，單位體積時(shí)間的產(chǎn)物量也較少。分批發(fā)酵中，微生物處于連續(xù)變化的環(huán)境中，基質(zhì)不斷消耗，產(chǎn)物不連續(xù)發(fā)酵中，微生物的生長代謝活動(dòng)保持旺盛的穩(wěn)定狀態(tài)，而pH、營養(yǎng)成分、溶解氧等都保持恒定，并從系統(tǒng)外部予以調(diào)控。這樣就大大提高了設(shè)備利用率。與分批發(fā)酵相比較，連續(xù)發(fā)酵具有單位產(chǎn)量的反應(yīng)器容積小，人工費(fèi)用低，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定及發(fā)應(yīng)速率容易控制的優(yōu)點(diǎn)。連續(xù)發(fā)酵中，微生物的生長代謝活動(dòng)保持旺盛的穩(wěn)定狀態(tài)，而pH盡管連續(xù)發(fā)酵具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際發(fā)酵工業(yè)中，連續(xù)發(fā)酵還未能全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)的間歇發(fā)酵。這是由于在連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)和生產(chǎn)中，遇到了在長期連續(xù)發(fā)酵過程中，微生物的突變和雜菌污染的問題，欲保持長期的無菌狀態(tài)，在技術(shù)上尚有一定的困難。盡管連續(xù)發(fā)酵具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際發(fā)酵工業(yè)中，連續(xù)發(fā)酵還未此外，發(fā)酵液在連續(xù)流動(dòng)過程中的不均勻性和絲狀菌在管道中流動(dòng)的困難，以及對(duì)微生物動(dòng)態(tài)方面的活動(dòng)規(guī)律還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。目前還不能根據(jù)連續(xù)發(fā)酵的理論完全來控制和指導(dǎo)生產(chǎn)。此外，發(fā)酵液在連續(xù)流動(dòng)過程中的不均勻性和絲狀菌在管道中流動(dòng)的雖然如此，連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)越性依舊不可忽視，特別是在連續(xù)發(fā)酵穩(wěn)定狀態(tài)條件下，根據(jù)微生物生長和代謝之間某些數(shù)學(xué)關(guān)系來采用它作為過程運(yùn)轉(zhuǎn)和控制的基礎(chǔ)，從而來選定過程控制的參數(shù)。運(yùn)用目前連續(xù)發(fā)酵的基本理論，人們可以人為地來控制微生物的定向培養(yǎng)，進(jìn)而來研究微生物的生理及代謝作用。這些均是控制發(fā)酵過程中極為重要的問題。雖然如此，連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)越性依舊不可忽視，特別是在連續(xù)發(fā)酵穩(wěn)定一、單級(jí)恒化器及其操作特征所謂恒化器，是指具有恒定化學(xué)環(huán)境的反應(yīng)器，恒化指明了操作的穩(wěn)定狀態(tài)特征。恒化器的基本操作模式如下圖。一、單級(jí)恒化器及其操作特征所謂恒化器，是指具有恒定化學(xué)環(huán)境的物料連續(xù)地以體積流量F流入反應(yīng)器,并以同樣流量流出去。流入物流中基質(zhì)濃度為S0,菌濃度為x0。x0一般為0,反應(yīng)器內(nèi)有很好的混合,即備點(diǎn)濃度一樣。恒化器的操作特點(diǎn)是其流出物流的濃度與反應(yīng)器內(nèi)相同，而且加入的物流一進(jìn)入反應(yīng)器立即與反應(yīng)器內(nèi)物料均勻混合。下面來分析一下恒化器的設(shè)計(jì)方程及操作中的定量關(guān)系。物料連續(xù)地以體積流量F流入反應(yīng)器,并以同樣流量流出去。流對(duì)于菌體：積累的細(xì)胞＝（進(jìn)入-流出）的細(xì)胞+（生長-死亡）的細(xì)胞從前面給出的物料衡算關(guān)系可以作出菌體的平衡關(guān)系：對(duì)于菌體：積累的細(xì)胞＝（進(jìn)入-流出）的細(xì)胞+（生長-死亡）若①流入反應(yīng)器的菌體濃度x0為零；②μ＞＞ε；③培養(yǎng)液體積不變；若①流入反應(yīng)器的菌體濃度x0為零；②μ＞＞ε；③培養(yǎng)液體所以，F(xiàn)/V實(shí)際上是表示單位體積培養(yǎng)液的流率，用稀釋率D來描述，表示反應(yīng)器中物料更新程度，是連續(xù)培養(yǎng)中的一個(gè)重要的參數(shù);稀釋速率的倒數(shù)就是物料在反應(yīng)器中的平均停留時(shí)間。所以，F(xiàn)/V實(shí)際上是表示單位體積培養(yǎng)液的流率，用稀釋率D開始連續(xù)培養(yǎng)一段時(shí)間(大約是平均停留時(shí)間的3-5倍)以后，微生物反應(yīng)過程進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，培養(yǎng)液中的細(xì)胞、基質(zhì)和產(chǎn)物濃度恒定，不再隨培養(yǎng)時(shí)間變化，這就是恒化培養(yǎng)。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)：開始連續(xù)培養(yǎng)一段時(shí)間(大約是平均停留時(shí)間的3-5倍)以后，微對(duì)于恒化器而言，因菌體濃度處于恒定狀態(tài)，所以：這表明，在一定范圍內(nèi)，人為地調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的流加速度，可以使細(xì)胞按照所希望的比生長速率來生長。對(duì)于恒化器而言，因菌體濃度處于恒定狀態(tài)，所以：這表明，在一定對(duì)于限制性底物：積累底物＝（流進(jìn)-流出）-（生長+產(chǎn)物+維持）所消耗的底物對(duì)于限制性底物：積累底物＝（流進(jìn)-流出）-（生長+產(chǎn)物+維持產(chǎn)物形成量很小，可以忽略，這樣，在恒定狀態(tài)下產(chǎn)物形成量很小，可以忽略，這樣，在恒定狀態(tài)下對(duì)于產(chǎn)物形成過程中的平衡：積累的產(chǎn)物＝（生成-流出）的產(chǎn)物對(duì)于產(chǎn)物形成過程中的平衡：積累的產(chǎn)物＝（生成-流出）的產(chǎn)物同樣道理，在恒定條件下：同樣道理，在恒定條件下：連續(xù)培養(yǎng)中，變量很多，如x、s、D及μ等，但這些變量中D是最基本的變量，這不僅因?yàn)镈可以通過加料量F而任意調(diào)節(jié)，更重要的D一旦變化，就會(huì)引起x、s、μ等一系列變化，直至達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。上面的幾個(gè)平衡式即是單級(jí)恒化器在達(dá)到平衡時(shí)的基本特征，式中均涉及到稀釋率。稀釋率與細(xì)胞濃度、營養(yǎng)物質(zhì)濃度之間存在相互關(guān)系的關(guān)系。連續(xù)培養(yǎng)中，變量很多，如x、s、D及μ等，但這些變量中D是最如果D增加，開始x呈線性慢慢下降，然后，當(dāng)D＝μmax時(shí)，x下降到0；開始時(shí)，s隨D的增加而緩慢增加，當(dāng)D＝μmax時(shí)，s→s0；x＝0表示反應(yīng)器中的菌體通過稀釋被“清洗出罐”，此時(shí)的稀釋率定義為臨界稀釋率Dc：當(dāng)流速低，即D較小時(shí)，營養(yǎng)物質(zhì)全部被細(xì)胞利用，s→0，細(xì)胞濃度x=s0·Yx/s

；如果D增加，開始x呈線性慢慢下降，然后，當(dāng)D＝μmax時(shí)，xXSDXD(1/h)X，DX（g/L）S（g/L）DX1234500246810①D→0；x達(dá)最大值,s最小。②D增大，s增大，x減少，直至最后x=0XSDXD(1/h)X，DX（g/L）S（g/L）DX123XSDXD(1/h)X，DX（g/L）S（g/L）DX1234500246810③清洗點(diǎn)：D→μmax

時(shí)，s迅速增大到S0，x迅速下降到0。XSDXD(1/h)X，DX（g/L）S（g/L）DX123可見，單級(jí)恒化器連續(xù)培養(yǎng)菌體的穩(wěn)態(tài)操作必須有D＜Dc；如果D>Dcrit

，反應(yīng)器中的菌體終將被沖出；如果D只稍微低于Dc，那么整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的變化是非常敏感的，隨D的微小變化，x將發(fā)生巨大的變化?？梢姡瑔渭?jí)恒化器連續(xù)培養(yǎng)菌體的穩(wěn)態(tài)操作必須有D＜Dc；如果連續(xù)培養(yǎng)是以菌體為目的產(chǎn)物，那么菌體生長速率希望取得最大值，dx/dt稱為連續(xù)生產(chǎn)菌體的生產(chǎn)強(qiáng)度Pt

如果連續(xù)培養(yǎng)是以菌體為目的產(chǎn)物，那么菌體生長速率希望取得最大∵ks<<s0,

，可知Dmax就在μmax附近∵ks<<s0,，可知Dmax就在μmax附近該題說明，連續(xù)培養(yǎng)理論與實(shí)踐的吻合程度受稀釋率D的影響較大，只有在適當(dāng)?shù)腄的范圍，才有較好的理論與實(shí)踐的吻合度。該題說明，連續(xù)培養(yǎng)理論與實(shí)踐的吻合程度受稀釋率D的影響較大，部分菌體再循環(huán)的單級(jí)恒化器這種操作方法不僅提供了連續(xù)接種的手段，也增加了培養(yǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以在較高的稀釋率下操作，甚至可使D＞Dc，同時(shí)由于反應(yīng)器中穩(wěn)定地維持了較高的細(xì)胞濃度，可是稀釋率遠(yuǎn)大于單級(jí)恒化器時(shí)的稀釋率，從而使得單位體積反應(yīng)器效率大幅度提高。部分菌體再循環(huán)的單級(jí)恒化器這種操作方法不僅提供了連續(xù)接種的手對(duì)于菌體：積累的細(xì)胞＝（進(jìn)入-流出）的細(xì)胞+生長的細(xì)胞+循環(huán)補(bǔ)充的細(xì)胞對(duì)于菌體：積累的細(xì)胞＝（進(jìn)入-流出）的細(xì)胞+生長的細(xì)胞+循若x0＝0，反應(yīng)液體積恒定時(shí)，有：當(dāng)培養(yǎng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，有：若x0＝0，反應(yīng)液體積恒定時(shí)，有：當(dāng)培養(yǎng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，有對(duì)于限制性底物：積累底物＝（流進(jìn)-流出）-消耗的底物+循環(huán)流入底物對(duì)于限制性底物：積累底物＝（流進(jìn)-流出）-消耗的底物+循環(huán)流當(dāng)培養(yǎng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，其中，R為循環(huán)濃縮因子：當(dāng)培養(yǎng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，其中，R為循環(huán)濃縮因子：根據(jù)莫諾方程，結(jié)合菌體衡算式，得：根據(jù)莫諾方程，結(jié)合菌體衡算式，得：與沒有菌體再循環(huán)得單級(jí)恒化器相比教，在部分菌體再循環(huán)的單級(jí)恒化器中，穩(wěn)定狀態(tài)下的菌體濃度x比沒有菌體再循環(huán)的大一個(gè)1/R因子。與沒有菌體再循環(huán)得單級(jí)恒化器相比教，在部分菌體再循環(huán)的單級(jí)恒三、連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用目前，連續(xù)培養(yǎng)只在SCP，乙醇生產(chǎn)和污水處理上成功地應(yīng)用，在其它微生物培養(yǎng)中的應(yīng)用還很少。主要原因是：（1）微生物菌種的變異問題，（2）雜菌污染問題。三、連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用目前，連續(xù)培養(yǎng)只在SCP，乙醇生產(chǎn)和污水處1.分批培養(yǎng)、分批補(bǔ)料培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)各是怎樣的操作方式？2.Monod方程是描述什么的？3.何為單級(jí)恒化器？作業(yè)1.分批培養(yǎng)、分批補(bǔ)料培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)各是怎樣的操作方式？作業(yè)數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)模型是能以簡化的形式表征過程行為，并實(shí)現(xiàn)特定目的的數(shù)學(xué)公式數(shù)學(xué)模型可將特定結(jié)果通用化，并為推論系統(tǒng)的其它性質(zhì)提供基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型的主要目標(biāo)是：(a)為了預(yù)見任何系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率或生產(chǎn)率；(b)用以檢查在各種操作條件下工廠操作的性質(zhì)和行為，檢查模型適用的范圍(包括外推性)；(c)用于進(jìn)行工藝優(yōu)化和計(jì)算機(jī)模擬；(d)用于檢測出可能重要但被忽視了的參數(shù)；(e)檢查是否已有效地區(qū)分生物現(xiàn)象和物理現(xiàn)象；(f)有助于闡明反應(yīng)機(jī)理數(shù)學(xué)建模例子：

三.有機(jī)廢水處理和聚羥基烷酸生產(chǎn)的耦合系統(tǒng)

工合成塑料污染的主要特點(diǎn)是∶(1)污染范圍廣。江河湖泊，田野山川無處不有(2)污染物增長量快。全世界每年對(duì)塑料的需求量為1億噸。由于價(jià)廉、易老化，塑料用量的增加導(dǎo)致其廢棄物也迅速增加，傾入海洋的塑料垃圾達(dá)數(shù)十萬噸，陸上的更是難以計(jì)數(shù)(3)處理困難。塑料具有耐酸堿、抗氧化、難腐蝕、難降解的特性，埋地處理百年不爛；燃燒時(shí)產(chǎn)生大量有毒氣體，如HCl、硫氧化物、碳氧化物等(4)回收利用難。塑料制品種類繁多，難以分揀回收(5)對(duì)生態(tài)環(huán)境危害大。地膜降低耕地質(zhì)量，農(nóng)作物植株矮小，抗病力差；殘膜隨風(fēng)飄動(dòng)，對(duì)周圍環(huán)境、畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)都有很大的影響例子：

三.有機(jī)廢水處理和聚羥基烷酸生產(chǎn)的耦合系統(tǒng)工合成生物可降解塑料的特點(diǎn)：聚羥基烷酸酯(Polyhydroxyalkoates，簡稱PHAs)是生物可降解材料的一個(gè)研究熱點(diǎn)。其中聚--羥基丁酸(簡稱PHB)及3-羥基丁酸與3-羥基戊酸的共聚物(簡稱P(3HB-co-3HV)或PHBV)是PHAs族中研究和應(yīng)用最廣泛的兩種多聚體PHAs作為一種有光學(xué)活性的聚酯，除具有高分子化合物的基本特性，如質(zhì)輕、彈性、可塑性、耐磨性、抗射線等外，更重要的是其還具有生物可降解性和生物可相容性。已有研究表明，采用PHAs制作的香波瓶，在自然環(huán)境中9個(gè)月后，可基本上被完全降解，而用合成塑料制作的同樣物品，完全降解的時(shí)間約需100年生物可降解塑料的特點(diǎn)：聚羥基烷酸酯(Polyhydroxya有機(jī)廢水的資源化處理有機(jī)廢水是地球環(huán)境的一大污染源，但同時(shí)也是一種資源，近幾十年來，有機(jī)廢水的資源化技術(shù)發(fā)展極其迅速，已被認(rèn)為是消除有機(jī)廢水污染的最經(jīng)濟(jì)有效的途徑之一用于高濃度有機(jī)廢水處理的厭氧消化技術(shù)，自20世紀(jì)50年代以后得到了迅速發(fā)展，先后出現(xiàn)了厭氧濾池(AF)、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)、附著膜厭氧膨脹床反應(yīng)器(AAFEB)、厭氧流化床反應(yīng)器等，其中UASB的應(yīng)用最為廣泛該反應(yīng)器能培養(yǎng)并保持大量活性高、沉降性能好的顆粒污泥，因而反應(yīng)器的處理能力大大提高，水力停留時(shí)間大大縮短有機(jī)廢水的資源化處理有機(jī)廢水是地球環(huán)境的一大污染源，但同時(shí)也有機(jī)廢水的厭氧處理有機(jī)廢水的厭氧發(fā)酵過程是一個(gè)復(fù)雜的有多種微生物類群參加的生物化學(xué)過程，通常可分為酸性發(fā)酵階段(產(chǎn)酸)和甲烷化階段(產(chǎn)甲烷)兩階段產(chǎn)酸階段主要是有機(jī)廢水中復(fù)雜的大分子有機(jī)物在厭氧條件下被水解和產(chǎn)酸細(xì)菌發(fā)酵成為有機(jī)酸，如丁酸、乙酸、乳酸和丙酸等。此階段的細(xì)菌種類多，代謝能力強(qiáng)，繁殖速度快。產(chǎn)甲烷階段主要是產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸被產(chǎn)甲烷菌利用轉(zhuǎn)化為甲烷有機(jī)廢水的厭氧處理有機(jī)廢水的厭氧發(fā)酵過程是一個(gè)復(fù)雜的有多種微不同研究者的厭氧發(fā)酵產(chǎn)物不同研究者的厭氧發(fā)酵產(chǎn)物有機(jī)廢水處理和PHAs生產(chǎn)耦合系統(tǒng)理論依據(jù)是∶（1）有機(jī)廢水在厭氧處理過程中，產(chǎn)酸微生物能將廢水中生物可降解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿佑袡C(jī)酸，如乙酸、丙酸、乳酸、丁酸以及其它可溶性小分子化合物（2）真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌在好氧、碳源充足、貧氮的條件下能利用有機(jī)酸在胞內(nèi)大量積累PHAs

將有機(jī)廢水酸化反應(yīng)器與PHAs發(fā)酵罐相組合，可使酸化反應(yīng)器為R.eutrophus提供相對(duì)穩(wěn)定、較佳的底物，從而在發(fā)酵罐中相對(duì)廉價(jià)地生產(chǎn)出PHAs有機(jī)廢水處理和PHAs生產(chǎn)耦合系統(tǒng)理論依據(jù)是∶主要內(nèi)容包括以下五個(gè)方面∶1.有機(jī)廢水生產(chǎn)PHAs的初步條件；2.R.eutropha發(fā)酵生產(chǎn)PHAs最佳有機(jī)酸種類的確定，包括以有機(jī)酸為底物生產(chǎn)PHAs的代謝機(jī)理、理論產(chǎn)率和PHAs發(fā)酵的實(shí)際產(chǎn)率；3.高效厭氧酸化工藝，包括酸化率達(dá)100%時(shí)有機(jī)酸分布的工藝學(xué)條件等；4.在小型發(fā)酵罐中，以不同濃度的酸化廢水為碳源進(jìn)行分批發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，在對(duì)PHAs發(fā)酵過程動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，建立較為合理的PHAs發(fā)酵過程動(dòng)力學(xué)模型；5.進(jìn)行了有機(jī)廢水生產(chǎn)PHAs流加發(fā)酵的初步研究，比較了分批和流加發(fā)酵過程中丁酸對(duì)PHAs產(chǎn)率的變化主要內(nèi)容包括以下五個(gè)方面∶1.有機(jī)廢水生產(chǎn)PHAs的初步條

有機(jī)廢水酸化和PHAs生產(chǎn)耦合系統(tǒng)

①進(jìn)水池②泵③UASB酸化反應(yīng)器④出水池⑤分離濃縮系統(tǒng)

⑥濃縮的有機(jī)酸⑦PHA發(fā)酵罐有機(jī)廢水酸化和PHAs生產(chǎn)耦合系統(tǒng)

①進(jìn)水池②泵③1.有機(jī)廢水生產(chǎn)PHAs的初步研究有機(jī)廢水生產(chǎn)PHAs是指R.eutropha

以有機(jī)廢水厭氧酸化的產(chǎn)物為生產(chǎn)PHAs的基質(zhì)在一定溫度下，影響有機(jī)廢水酸化的主要因素：(a)水力停留時(shí)間(HRT)(b)pH值(進(jìn)水堿度)1.有機(jī)廢水生產(chǎn)PHAs的初步研究有機(jī)廢水生產(chǎn)PHAs是指酸化階段HRT對(duì)發(fā)酵階段PHAs濃度的影響進(jìn)水堿度對(duì)發(fā)酵階段PHAs濃度的影響酸化階段HRT對(duì)發(fā)酵階段PHAs濃度的影響進(jìn)水堿度對(duì)發(fā)酵階段2.R.eutropha

利用不同有機(jī)酸生產(chǎn)PHAs

的比較研究目前研究采用的PHAs生產(chǎn)方式通常有兩種:一種是一步發(fā)酵法，即細(xì)胞生長與PHAs積累相偶聯(lián)；另一種是兩步發(fā)酵法，即微生物生長和PHA積累分兩階段進(jìn)行，第一階段細(xì)胞大量形成，第二階段細(xì)胞基本不繁殖而PHAs大量積累，這種方法需進(jìn)行菌體的離心收集2.R.eutropha利用不同有機(jī)酸生產(chǎn)PHAs

(1)一步發(fā)酵法生產(chǎn)PHAs（聚羥基烷酸酯）

采用不同工藝對(duì)有機(jī)廢水進(jìn)行厭氧酸化，可得到以乙酸、丙酸、乳酸或丁酸等為優(yōu)勢產(chǎn)物的酸化廢水R.eutrophusWSH1對(duì)不同酸的利用**初始酸濃度為10g/L，分別在19h、25h、32h、43h、50h加入5g/L的酸(1)一步發(fā)酵法生產(chǎn)PHAs（聚羥基烷酸酯）

采用(2)兩步發(fā)酵法生產(chǎn)PHAs4種有機(jī)酸的初始濃度采用10g/L，并分別在發(fā)酵的19h、25.5h、32.5h和43h補(bǔ)充加入2.5g/L的酸。PHAs合成階段初始細(xì)胞干重為3.3g/L，細(xì)胞中無PHAs積累(2)兩步發(fā)酵法生產(chǎn)PHAs4種有機(jī)酸的初始濃度采用10g(3)R.eutrophaWSH1利用混合酸發(fā)酵PHAs初始酸濃度10g/L(乙酸、丙酸、乳酸和丁酸各2.5g/L)，發(fā)酵41h和57h分別加入8g/L的混合酸(乙酸、丙酸、乳酸和丁酸各2g/L)結(jié)論：在生長和合成PHAs階段對(duì)有機(jī)酸的利用順序皆為丁酸>乳酸>丙酸>乙酸(3)R.eutrophaWSH1利用混合酸發(fā)酵PHA3.有機(jī)廢水生產(chǎn)PHAs的機(jī)理研究

(1)廢水中大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)酸厭氧微生物己糖降解最重要的代謝途徑是EMP和HMP途徑，先生成丙酮酸，然后形成揮發(fā)性有機(jī)酸、乳酸等。控制不同酸化條件，可以使不同的有機(jī)酸成為主要酸化產(chǎn)物。代謝方程分別為∶C6H12O6+4H2O→2CH3COO-+2HCO3-+4H++4H2C6H12O6+2H2→2CH3CH2COO-+2H2O+2H+C6H12O6+2H2O→CH3CH2CH2COO-+2HCO3-+3H++2H2C6H12O6→2CH3CHOHCOO-+2H+3.有機(jī)廢水生產(chǎn)PHAs的機(jī)理研究

(1)廢水中(2)有機(jī)酸合成PHAs的代謝途徑

R.eutropha

利用小分子有機(jī)酸合成的PHAs主要為聚羥基丁酸(PHB)、羥基丁酸和羥基戊酸的共聚物(PHBV)以乙酸、丙酸、乳酸和丁酸為碳源時(shí)PHAs的合成途徑:(2)有機(jī)酸合成PHAs的代謝途徑R.eutropha第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件(3)不同有機(jī)酸對(duì)PHAs的產(chǎn)率與理論產(chǎn)率的比較不同有機(jī)酸對(duì)PHAs的產(chǎn)率與理論產(chǎn)率的比較在一步發(fā)酵法中，由于所消耗的有機(jī)酸有一部分用于合成細(xì)胞的合成，因而四種有機(jī)酸對(duì)PHAs的實(shí)際產(chǎn)率均小于兩步法，但它們對(duì)PHAs和細(xì)胞的產(chǎn)率之和卻大于兩步法的產(chǎn)率(3)不同有機(jī)酸對(duì)PHAs的產(chǎn)率與理論產(chǎn)率的比較不同有機(jī)酸對(duì)(4)產(chǎn)酸相產(chǎn)物分布及其影響因子的研究(a)HRT對(duì)酸化產(chǎn)物分布的影響HRT對(duì)酸化產(chǎn)物分布的影響(4)產(chǎn)酸相產(chǎn)物分布及其影響因子的研究(a)HRT對(duì)酸化

(b)不同pH條件下UASB反應(yīng)器出水產(chǎn)物分布(b)不同pH條件下UASB反應(yīng)器出水產(chǎn)物分布4.不同初始酸濃度對(duì)PHAs發(fā)酵過程的影響當(dāng)硫酸銨濃度為1.5g/L時(shí)，初始酸濃度在20g/L左右較佳4.不同初始酸濃度對(duì)PHAs發(fā)酵過程的影響當(dāng)硫酸銨濃度為1丁酸消耗速率大大超過乙酸和丙酸的消耗速率,當(dāng)初始酸濃度為5、10、15、20和25g/L時(shí)，最終發(fā)酵液中殘留的丁酸濃度為∶0、0.01、0.16、0.58和3.81g/L丁酸消耗速率大大超過乙酸和丙酸的消耗速率,當(dāng)初始酸濃度為5PHAs濃度的變化殘留細(xì)胞量隨時(shí)間的變化初始酸濃度:○5g/L;□10g/L;△15g/L;20g/L;

25g/LPHAs濃度的變化5.PHAs分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

(1)細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)5.PHAs分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

(1)細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)(2)PHAs形成模型(2)PHAs形成模型6.以有機(jī)廢水酸化產(chǎn)物為底物進(jìn)行PHAs流加發(fā)酵（1）流加發(fā)酵過程曲線將UASB出水中的總有機(jī)酸濃度濃縮至150g/L左右，進(jìn)行PHAs生產(chǎn)的流加發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)果見圖6.以有機(jī)廢水酸化產(chǎn)物為底物進(jìn)行PHAs流加發(fā)酵（1）流加(2)酸化廢水發(fā)酵過程中丁酸對(duì)PHAs的產(chǎn)率的變化(2)酸化廢水發(fā)酵過程中丁酸對(duì)PHAs的產(chǎn)率的變化發(fā)酵過程的優(yōu)化控制

第一部分緒論一.發(fā)酵過程優(yōu)化在生化工程中的地位二.發(fā)酵過程優(yōu)化的目標(biāo)和研究內(nèi)容三.發(fā)酵過程優(yōu)化的研究進(jìn)展四.流加發(fā)酵過程的優(yōu)化控制發(fā)酵過程的優(yōu)化控制

第一部分緒論一.發(fā)酵過程優(yōu)化在生化一.發(fā)酵過程優(yōu)化在生化工程中的地位現(xiàn)代生物技術(shù)不僅能在生產(chǎn)新型食品、飼料添加劑、藥物的過程中發(fā)揮重要的作用，還能經(jīng)濟(jì)、清潔地生產(chǎn)傳統(tǒng)生物技術(shù)或一般化學(xué)方法很難生產(chǎn)的特殊化學(xué)品，在解決人類面臨的人口、糧食、健康、環(huán)境等重大問題的過程中必將發(fā)揮積極的作用如何才能更好地發(fā)揮現(xiàn)代生物技術(shù)的作用？以工業(yè)微生物為例，選育或構(gòu)建一株優(yōu)良菌株僅僅是一個(gè)開始，要使優(yōu)良菌株的潛力充分發(fā)揮出來，還必須優(yōu)化其發(fā)酵過程，以獲得較高的產(chǎn)物濃度(便于下游處理)、較高的底物轉(zhuǎn)化率(降低原料成本)和較高的生產(chǎn)強(qiáng)度(縮短發(fā)酵周期)一.發(fā)酵過程優(yōu)化在生化工程中的地位現(xiàn)代生物技術(shù)不僅能在生產(chǎn)發(fā)酵過程優(yōu)化的主要研究內(nèi)容第一個(gè)方面是細(xì)胞生長過程研究第二個(gè)方面是微生物反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量第三個(gè)方面是生物反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)的研究（主要研究生物反應(yīng)速率及其影響因素）第四個(gè)方面的內(nèi)容是生物反應(yīng)器工程（包括生物反應(yīng)器及參數(shù)的檢測與控制）二.發(fā)酵過程優(yōu)化的研究內(nèi)容和目標(biāo)發(fā)酵過程優(yōu)化的主要研究內(nèi)容第一個(gè)方面是細(xì)胞生長過程研究二.發(fā)酵過程優(yōu)化的目標(biāo)使細(xì)胞生理調(diào)節(jié)、細(xì)胞環(huán)境、反應(yīng)器特性、工藝操作條件與反應(yīng)器控制之間這種復(fù)雜的相互作用盡可能地簡化，并對(duì)這些條件和相互關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，使之最適于特定發(fā)酵過程的進(jìn)行發(fā)酵過程優(yōu)化的基礎(chǔ)是進(jìn)行生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)和生物反應(yīng)器的研究發(fā)酵過程優(yōu)化的目標(biāo)使細(xì)胞生理調(diào)節(jié)、細(xì)胞環(huán)境、反應(yīng)器特性、工藝如何實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化控制？如何實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化控制？正交試驗(yàn)在培養(yǎng)基確定中的應(yīng)用因素水平玉米粉（％）A豆餅粉（％）B蛋白胨（％）CPH

D10.540.55.021.050.65.531.560.76.0正交表因素水平正交試驗(yàn)在培養(yǎng)基確定中的應(yīng)用因素水平玉米粉豆餅粉蛋白胨PH1第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件因素水平玉米粉（％）A豆餅粉（％）B蛋白胨（％）CPH

D10.540.55.021.050.65.531.560.76.0因素水平玉米粉豆餅粉蛋白胨PH10.540.55.021.0第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件生物反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)模型的建立發(fā)酵過程優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程優(yōu)化控制的過程生物反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)模型的建立發(fā)酵過程優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容：是有關(guān)生物的、化學(xué)的與物理過程之間的相互作用，諸如生物反應(yīng)器中發(fā)生的細(xì)胞生長、產(chǎn)物生成、傳遞過程等生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的目的：是為描述細(xì)胞動(dòng)態(tài)行為提供數(shù)學(xué)依據(jù)，以便進(jìn)行數(shù)量化處理生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容：是有關(guān)生物的、化學(xué)的與物理過程之間建立動(dòng)力學(xué)模型的目的：是為了模擬實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)適用性很強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)模型，還可以推測待測數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定最佳生產(chǎn)條件發(fā)酵過程優(yōu)化涉及非結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)模型的建立建立動(dòng)力學(xué)模型的目的：是為了模擬實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)適用性很強(qiáng)的動(dòng)力什么是非結(jié)構(gòu)模型？什么是結(jié)構(gòu)模型呢？什么是非結(jié)構(gòu)模型？非結(jié)構(gòu)模型把細(xì)胞視為單組分，則環(huán)境的變化對(duì)細(xì)胞組成的影響可被忽略，即細(xì)胞的生長處于所謂的平衡生長狀態(tài)，此基礎(chǔ)上建立的模型稱為非結(jié)構(gòu)模型非結(jié)構(gòu)模型是在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過物料衡算建立起的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型非結(jié)構(gòu)模型把細(xì)胞視為單組分，則環(huán)境的變化對(duì)細(xì)胞組成的影響可被結(jié)構(gòu)模型由于細(xì)胞內(nèi)各組分的合成速率不同而使各組分增加的比例不同，即細(xì)胞生長處于非均衡狀態(tài)時(shí)，必須運(yùn)用從生物反應(yīng)機(jī)理出發(fā)推導(dǎo)得到的結(jié)構(gòu)模型在考慮細(xì)胞組成變化的基礎(chǔ)上建立的模型，稱為結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型由于細(xì)胞內(nèi)各組分的合成速率不同而使各組分增加的比例不生物反應(yīng)器工程的研究內(nèi)容生物反應(yīng)器的形式、結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動(dòng)與混合狀況、傳遞過程特征等是影響微生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)的重要因素生物反應(yīng)器工程的研究內(nèi)容生物反應(yīng)器的形式、結(jié)構(gòu)、操作方式、物生物反應(yīng)器中復(fù)雜的相互關(guān)系生物反應(yīng)器中復(fù)雜的相互關(guān)系三.發(fā)酵過程優(yōu)化的研究進(jìn)展20世紀(jì)40年代初抗生素工業(yè)的興起，標(biāo)志著發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新階段40年代末一門反映生物和化工相交叉的學(xué)科──生化工程誕生1954年,Hasting指出,生化工程要解決的十大問題是深層培養(yǎng)、通氣、空氣除菌、攪拌、結(jié)構(gòu)材料、容器、冷卻方式、設(shè)備及培養(yǎng)基除菌、過濾、公害1964年Aiba等人認(rèn)為通氣攪拌與放大是生化工程學(xué)科的核心，其中放大是生化工程的焦點(diǎn)20世紀(jì)60年代中期，建立了無菌操作的一整套技術(shù)三.發(fā)酵過程優(yōu)化的研究進(jìn)展20世紀(jì)40年代初抗生素工業(yè)的興1973年Aiba等人進(jìn)一步指出，在大規(guī)模研究方面，僅僅把重點(diǎn)放在無菌操作、通氣攪拌等過程的物理現(xiàn)象解析和設(shè)備的開發(fā)上是不夠的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步開展對(duì)微生物反應(yīng)本質(zhì)的研究1979年，日本學(xué)者山根恒夫編著了《生物反應(yīng)工程》一書，認(rèn)為生物反應(yīng)工程是一門以速度為基礎(chǔ)，研究酶反應(yīng)、微生物反應(yīng)及廢水處理過程的合理設(shè)計(jì)、操作和控制的工程學(xué)1985年，德國學(xué)者卡爾許格爾提出生物反應(yīng)工程的研究應(yīng)當(dāng)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容∶一是宏觀動(dòng)力學(xué)，它涉及生物、化學(xué)、物理之間的相互關(guān)系；二是生物反應(yīng)器工程，它主要涉及反應(yīng)器本身，特別是不同的反應(yīng)器對(duì)生物化學(xué)和物理過程的影響1973年Aiba等人進(jìn)一步指出，在大規(guī)模研究方面，僅僅把重目前一般認(rèn)為生物反應(yīng)工程是一門以生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，研究生物反應(yīng)過程優(yōu)化和控制以及生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大與操作的學(xué)科生物反應(yīng)工程的研究主要采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳遞過程原理、設(shè)備工程學(xué)、過程動(dòng)態(tài)學(xué)及最優(yōu)化原理等化學(xué)工程學(xué)原理，也涉及到生物化學(xué)、微生物學(xué)、微生物生理學(xué)和遺傳學(xué)等許多學(xué)科領(lǐng)域，因此是一門綜合性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科生化反應(yīng)工程的核心是生物反應(yīng)過程的數(shù)量化處理和動(dòng)力學(xué)模型的建立，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程優(yōu)化則是生物反應(yīng)工程的研究目標(biāo)目前一般認(rèn)為生物反應(yīng)工程是一門以生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，研究生實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化與控制，必須解決的五個(gè)問題:(1)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；(2)生物模型；(3)傳感器技術(shù)；(4)適用于生物過程的最優(yōu)化技術(shù)；(5)計(jì)算機(jī)─檢測系統(tǒng)─發(fā)酵罐之間的接口技術(shù)(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化與控制，必須解決的五個(gè)問題:(1)系統(tǒng)動(dòng)力1)針對(duì)有關(guān)發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行微生物生長和產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)研究，提出新的或修正的動(dòng)力學(xué)模型或表達(dá)式；2)結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)，進(jìn)行基因工程菌、哺乳動(dòng)物細(xì)胞或植物細(xì)胞的生長動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)的研究；3)在動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行過程優(yōu)化控制的研究，包括狀態(tài)觀察方程的建立、觀察數(shù)據(jù)的噪聲過濾、不可測參數(shù)及狀態(tài)的識(shí)別、過程離線或在線的優(yōu)化控制。其中尤以流加發(fā)酵的最優(yōu)化研究報(bào)道居多有關(guān)運(yùn)用生物反應(yīng)工程原理進(jìn)行發(fā)酵過程優(yōu)化控制的研究1)針對(duì)有關(guān)發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行微生物生長和產(chǎn)物形成的動(dòng)四.流加發(fā)酵所謂流加發(fā)酵，即補(bǔ)料分批發(fā)酵(Fed-batchfermentation)，有時(shí)又稱半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方法四.流加發(fā)酵所謂流加發(fā)酵，即補(bǔ)料分批發(fā)酵(Fed-batc分批、連續(xù)、流加操作方式的比較分批、連續(xù)、流加操作方式的比較第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件第四章-生化工程-發(fā)酵過程優(yōu)化與控制課件流加發(fā)酵的研究進(jìn)展在20世紀(jì)70年代以前流加發(fā)酵的理論研究幾乎是個(gè)空白，流加過程控制僅僅以經(jīng)驗(yàn)為主，流加方式也僅僅局限于間歇或恒速流加1973年日本學(xué)者Yoshida等人首次提出了“Fed-BatchFermentation”這個(gè)術(shù)語，并從理論上建立了第一個(gè)數(shù)學(xué)模型，流加發(fā)酵的研究才開始進(jìn)入理論研究階段流加發(fā)酵的研究進(jìn)展在20世紀(jì)70年代以前流加發(fā)酵的理論研究幾流加發(fā)酵所取得的三個(gè)方面的重大進(jìn)展20世紀(jì)70年代中后期對(duì)流加發(fā)酵過程的動(dòng)力學(xué)解析結(jié)合發(fā)酵過程的可測參數(shù)對(duì)流加過程進(jìn)行反饋控制（如DO法、CO2法、RQ(呼吸商)法、pH法、代謝物法、螢光法等）流加發(fā)酵的最優(yōu)化研究流加發(fā)酵所取得的三個(gè)方面的重大進(jìn)展20世紀(jì)70年代中后期對(duì)流加發(fā)酵最優(yōu)化研究的核心問題是找出最佳的底物流加方式，以維持發(fā)酵過程始終處于最佳狀態(tài)流加發(fā)酵最優(yōu)化的研究內(nèi)容包括：（1）狀態(tài)方程的建立（2）目標(biāo)泛函的確定（3）最優(yōu)化底物流加方式的求解流加發(fā)酵最優(yōu)化研究的核心問題是找出最佳的底物流加方式，以維持流加發(fā)酵的物料衡算式可以表達(dá)為：流加發(fā)酵的最優(yōu)化理論有：格林原理、龐特里金最小值(最大值)原理等V：發(fā)酵液體積X：發(fā)酵液中菌體濃度S：限制性底物濃度SF：新鮮培養(yǎng)基中的限制性底物濃度F：流加速度菌體：限制性底物：產(chǎn)物：發(fā)酵液體積：P：產(chǎn)物濃度流加發(fā)酵的物料衡算式可以表達(dá)為：流加發(fā)酵的最優(yōu)化理論有：格林在采用流加發(fā)酵技術(shù)之前要考慮的兩個(gè)問題一、何時(shí)采用流加發(fā)酵方式？二、如何進(jìn)行底物的流加？在采用流加發(fā)酵技術(shù)之前要考慮的兩個(gè)問題一、何時(shí)采用流加發(fā)酵方式？所用底物在高濃度時(shí)對(duì)菌體生長有抑制作用

高菌體濃度培養(yǎng)即高密度培養(yǎng)系統(tǒng)非生長耦聯(lián)性次級(jí)代謝產(chǎn)物(如產(chǎn)物的合成需要某些營養(yǎng)物質(zhì)或前體)利用營養(yǎng)突變體的系統(tǒng)(過量加入營養(yǎng)物只能使菌體迅速生長，而目的代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量會(huì)減少。而當(dāng)營養(yǎng)物嚴(yán)重缺乏時(shí)，菌體生長受抑制，代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量也會(huì)減小)

營養(yǎng)缺陷型菌株的培養(yǎng)一、何時(shí)采用流加發(fā)酵方式？二、如何進(jìn)行流加發(fā)酵操作？1.流加發(fā)酵類型2.采用流加發(fā)酵應(yīng)該解決的關(guān)鍵問題？3.流加發(fā)酵過程中某些重要參數(shù)的確定4.合適的流加發(fā)酵類型的確定5.流加方式的應(yīng)用二、如何進(jìn)行流加發(fā)酵操作？1.流加發(fā)酵類型流加發(fā)酵的分類類別流加方式無反饋控制反饋控制恒流量流加、變流量流加和間歇流加直接控制流加、間接控制流加定值控制流加、程序控制流加、最優(yōu)控制流加

1.流加發(fā)酵類型流加發(fā)酵的分類類別流加方式無反饋2.采用流加發(fā)酵應(yīng)該解決的關(guān)鍵問題(1)流加什么物質(zhì)？①補(bǔ)充微生物能源和碳源，如在發(fā)酵液中添加葡萄糖、飴糖、液化淀粉。作為消泡劑的天然油脂，有時(shí)也能同時(shí)起到補(bǔ)充碳源的作用②補(bǔ)充菌體所需要的氮源，有機(jī)氮或氨水③加入某些微生物生長或合成需要的微量元素或無機(jī)鹽④加入酶合成誘導(dǎo)物或前體物質(zhì)2.采用流加發(fā)酵應(yīng)該解決的關(guān)鍵問題(2)如何流加？

a.底物流加速率

b.流加開始時(shí)間及總流加時(shí)間

c.需控制的底物濃度(2)如何流加？3.流加發(fā)酵過程中某些重要參數(shù)的確定最佳底物濃度的確定

(包括菌體生長階段和產(chǎn)物合成階段)b.底物的消耗速率c.菌體比生長速率()d.菌體對(duì)底物的產(chǎn)率系數(shù)(Yx/s)

及產(chǎn)物對(duì)底物的產(chǎn)率系數(shù)(Yp/s)3.流加發(fā)酵過程中某些重要參數(shù)的確定4.合適的流加發(fā)酵類型的確定a.恒速流加(包括單一速率和分階段恒速流加)b.指數(shù)速率流加c.底物在線測定后的反饋流加(如葡萄糖反饋流加)d.pH-state.DO-stat4.合適的流加發(fā)酵類型的確定5.流加方式的應(yīng)用(1)恒速流加采用恒流速流加培養(yǎng)時(shí)，可得到如下的物料平衡方程式：細(xì)胞平衡：碳平衡：產(chǎn)物平衡：體積平衡：V：發(fā)酵液體積X：發(fā)酵液中菌體濃度S：限制性底物濃度SF：新鮮培養(yǎng)基中的限制性底物濃度F：流加速度P：產(chǎn)物濃度5.流加方式的應(yīng)用采用恒流速流加培養(yǎng)時(shí)，可得到如下的物料平恒流速流加過程中的流量F的確定：預(yù)試驗(yàn)中所得出的流加時(shí)刻菌體對(duì)所流加基質(zhì)的消耗速率發(fā)酵液中殘留基質(zhì)濃度流加后需要控制的發(fā)酵液中的基質(zhì)濃度恒流速流加過程中的流量F的確定：(2)指數(shù)速率流加在菌體生長階段采用指數(shù)速率流加法的幾點(diǎn)假設(shè)如下：(a)發(fā)酵罐內(nèi)為理想混合；(b)葡萄糖為唯一限制性碳源；(c)殘留菌體對(duì)葡萄糖的產(chǎn)率系數(shù)(YX/s)為常數(shù)；(d)菌體生長遵循Monod方程。(2)指數(shù)速率流加對(duì)底物葡萄糖進(jìn)行衡算，則：

F為體積流加速率(L/h)，S0為流加液中基質(zhì)濃度(g/L)，Yx/s為菌體對(duì)底物的產(chǎn)率系數(shù)(g/g)，ms為細(xì)胞比維持系數(shù)(g/g/h)，X為菌體濃度(g/L)，V為培養(yǎng)液體積(L)，μ為菌體比生長速率(h-1)。

對(duì)底物葡萄糖進(jìn)行衡算，則：對(duì)菌體量的變化進(jìn)行物料衡算，則：假定為常數(shù)，則上式積分可得：

對(duì)菌體量的變化進(jìn)行物料衡算，則：假定為常數(shù)，則上式積分可得

由于生長符合Monod方程

μ是S的函數(shù)，要使μ恒定，S必須恒定，則有：

由于生長符合Monod方程

μ是S的函數(shù)，要使μ恒其中tF為開始指數(shù)速率流加的時(shí)間，t≥tF，XF和VF分別為tF時(shí)刻的菌體濃度和發(fā)酵液體積

指數(shù)速率流加的速率F的表達(dá)式為:其中tF為開始指數(shù)速率流加的時(shí)間，t≥tF，XF和VF分別為指數(shù)速率流加方式在實(shí)際過程中的注意事項(xiàng)：方程中各參數(shù)要預(yù)先求知應(yīng)用時(shí)流加速率F可采用階梯遞增方式進(jìn)行設(shè)定指數(shù)速率流加方式在實(shí)際過程中的注意事項(xiàng)：高生產(chǎn)率和高細(xì)胞密度發(fā)酵1.細(xì)胞生長環(huán)境的優(yōu)化策略(1)培養(yǎng)基組成的優(yōu)化(2)特殊營養(yǎng)物的添加(3)限制代謝副產(chǎn)物的積累2.培養(yǎng)模式(1)所培養(yǎng)細(xì)胞的具體代謝行為(2)利用抑制性底物合成目的產(chǎn)物的潛力(3)誘導(dǎo)條件以及測量細(xì)胞培養(yǎng)各項(xiàng)參數(shù)的能力3.誘導(dǎo)策略4.細(xì)胞循環(huán)發(fā)酵(應(yīng)用限制：作用于進(jìn)入過濾單元的細(xì)胞的剪應(yīng)力太大；系統(tǒng)的放大存在許多實(shí)際困難)高生產(chǎn)率和高細(xì)胞密度發(fā)酵1.細(xì)胞生長環(huán)境的優(yōu)化策略第二部分分批與連續(xù)發(fā)酵過程優(yōu)化原理一.發(fā)酵過程優(yōu)化的微生物反應(yīng)原理

二.發(fā)酵過程數(shù)量化方法

三.微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

四.微生物反應(yīng)優(yōu)化的一般原理第二部分分批與連續(xù)發(fā)酵過程優(yōu)化原理一.發(fā)酵過程優(yōu)化的微生

一.發(fā)酵過程優(yōu)化的微生物反應(yīng)原理

1.大腸桿菌生長過程中觀察到下列現(xiàn)象∶(1)在大腸桿菌快速生長期間，生物合成的中間體很少滲漏到胞外培養(yǎng)基中，結(jié)構(gòu)單元(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)大腸桿菌胞內(nèi)的大分子物質(zhì)隨比生長速率而變化(3)一旦生長培養(yǎng)基中的結(jié)構(gòu)單元足夠，細(xì)胞就不再合成這些物質(zhì)(4)特定的代謝途徑代謝特定的底物，只有底物存在時(shí)，細(xì)胞才合成相應(yīng)的酶(5)若兩個(gè)不同的底物同時(shí)存在于培養(yǎng)基中，細(xì)胞先合成能在一種底物上以較高比生長速率生長的酶系，當(dāng)這種底物消耗完畢，再合成利用另一底物的酶。一.發(fā)酵過程優(yōu)化的微生物反應(yīng)原理

1.大腸桿菌生長過2.細(xì)胞生長過程可分為三個(gè)步驟：(1)底物傳遞進(jìn)入細(xì)胞(2)通過胞內(nèi)反應(yīng)，將底物轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞質(zhì)和代謝產(chǎn)物(3)代謝產(chǎn)物排泄進(jìn)入非生物相，即胞外培養(yǎng)基2.細(xì)胞生長過程可分為三個(gè)步驟：3.底物、代謝產(chǎn)物和細(xì)胞質(zhì)成分的定義為：底物是一種存在于初始非生物相或者攝入物中起作用的可交換的化合物代謝產(chǎn)物是一種作為代謝物產(chǎn)生于某代謝途徑進(jìn)入非生物相的化合物細(xì)胞質(zhì)成分是一種細(xì)胞利用底物產(chǎn)生的不可交換的化合物3.底物、代謝產(chǎn)物和細(xì)胞質(zhì)成分的定義為：底物是一種存在于初二.發(fā)酵過程數(shù)量化方法發(fā)酵過程的數(shù)量化處理包括：1.發(fā)酵過程的速度2.化學(xué)計(jì)量學(xué)和熱力學(xué)3.生產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率只有當(dāng)變量可測量時(shí)，才有可能對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行數(shù)量化處理二.發(fā)酵過程數(shù)量化方法發(fā)酵過程的數(shù)量化處理包括：1.發(fā)酵過程的速度發(fā)酵過程的速度概念1.發(fā)酵過程的速度發(fā)酵過程的速度概念發(fā)酵過程常規(guī)的參數(shù)及其測量發(fā)酵過程常規(guī)的參數(shù)及其測量菌體生長速度為∶

氧和底物利用速度為∶

P、C和HV生成速度為:菌體生長速度為∶氧和底物利用速度為∶P、C和HV生成速細(xì)胞生長的比速率為：

底物消耗的比速率為qs∶

產(chǎn)物形成的比速率為qp：細(xì)胞生長的比速率為：底物消耗的比速率為qs∶產(chǎn)物形成的

氧消耗的比速率為qo：

二氧化碳生成的比速率為qc：發(fā)酵熱生成的比速率：氧消耗的比速率為qo：二氧化碳生成的比速率為qc：發(fā)酵2.化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)計(jì)量方程

表示通用化了的碳源

根據(jù)元素分析得出的細(xì)胞組成

表示產(chǎn)物2.化學(xué)計(jì)量學(xué)3.產(chǎn)率系數(shù)(1)宏觀產(chǎn)率系數(shù)宏觀產(chǎn)率系數(shù)(或稱得率系數(shù))Yi/j是化學(xué)計(jì)量學(xué)中一種非常重要的參數(shù)，常用于對(duì)碳源等底物形成菌體或產(chǎn)物的潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中i表示菌體或產(chǎn)物，j表示底物例如，菌體對(duì)底物的產(chǎn)率系數(shù)可表示為：3.產(chǎn)率系數(shù)(1)宏觀產(chǎn)率系數(shù)生物反應(yīng)過程中宏觀產(chǎn)率系數(shù)的定義總覽生物反應(yīng)過程中宏觀產(chǎn)率系數(shù)的定義總覽有時(shí)，以摩爾為單位表示產(chǎn)率系數(shù)更有利：

相似的概念可用于表達(dá)重要的常數(shù)：值在實(shí)踐中對(duì)推導(dǎo)元素平衡方程很重要，對(duì)與氧化磷酸化有關(guān)的理論問題也有重要意義有時(shí)，以摩爾為單位表示產(chǎn)率系數(shù)更有利：

相似的概念可用于表達(dá)(2)理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率假設(shè)發(fā)酵過程中完全沒有菌體生成，則YP/S可達(dá)理論最高值，稱為理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率（a）根據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化學(xué)計(jì)量方程為∶依此計(jì)算，=147/180=0.82此處沒有考慮反應(yīng)