发酵过程的优化和控制

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1、生化工程进展堵国成江南大学 生物工程学院http:/www.cqbbcx.info/现代生化工程的主要研究内容1.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发酵过程的优化控制第一部分 绪论 一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 二. 发酵过程优化的目标和研究内容 三. 发酵过程优化的研究进展 四. 流加发酵过程的优化控制一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、 药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地生 产传统生物技术或一般化学方法很难生

2、产的特殊化学 品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环境等重 大问题的过程中必将发挥积极的作用 如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？ 以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是 一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必 须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下游 处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高的生 产强度(缩短发酵周期)发酵过程优化的主要研究内容 第一个方面是细胞生长过程研究 第二个方面是微生物反应的化学计量 第三个方面是生物反应过程动力学的研究（ 主要研究生物反应速率及其影响因素） 第四个方面的内容是生物反应器工程（包括 生物反应器及参数的检测与控制）二.

3、发酵过程优化的研究内容和目标发酵过程优化的目标 使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性 、工艺操作条件与反应器控制之间这种复 杂的相互作用尽可能地简化，并对这些条 件和相互关系进行优化，使之最适于特定 发酵过程的进行 发酵过程优化的基础是进行生物反应宏观 动力学和生物反应器的研究如何实现发酵过程的优化控制？生物反应过程动力学动力学模型的建立发酵过程优化控制实现发酵过程优化控制的过程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 建立

4、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 型的建立什么是非结构模型？ 什么是结构模型呢？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，

5、称为结构模型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 素生物反应器中复杂的相互关系三. 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，

6、建立了无菌操作的一整套技术 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 目前一般认为生

7、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

8、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

9、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

10、 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：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 问题一、何时采用流加发酵方式？二、如何进行底物的流加？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 作用 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(如产物的合 成需要某些营

11、养物质或前体) 利用营养突变体的系统(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二、如何进行流加发酵操作？1. 流加发酵类型2. 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4.合适的流加发酵类型的确定5. 流加方式的应用1.流加发酵类型流加发酵的分类类别流 加 方 式无反馈控 制反馈控制恒流量流加、变流量流加和间歇流加直接控制流加、间接控制流加 定值控制流加、程序控制流加、最优控制流 加2. 采用流加发酵应该解决的关键问题(1) 流加什么物质？补充微生物能源和碳

12、源，如在发酵液中添加 葡萄糖、 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 元素或无机盐 加入酶合成诱导物或前体物质(2) 如何流加？a.底物流加速率b.流加开始时间及总流加时间c.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a. 最佳底物浓度的确定(包括菌体生长阶段和产物合成阶段)b. 底物的消耗速率c. 菌体比生长速率()a. d. 菌体对底物的产率系数(Yx/s)b. 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a.恒速流加(包括单一速率和分阶段恒速流加)b.指数

13、速率流加c.底物在线测定后的反馈流加(如葡萄糖反馈流加)d. pH-state. DO-stat5. 流加方式的应用 (1) 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：恒流速流加过程中的流量F的确定： (a)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 (b)发酵液中残留基质浓度 (c)流加后需要控制的发酵液中的基质 浓度(2) 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

14、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)。对菌体量的变化进行物料衡算，则：假定为常数，则上式积分可得： 由于生长符合Monod方程是S的函数，要使恒定，S必须 恒定，则有：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F的表达式 为:指数速率流加方式在实际过程中的注意 事项：(1)方程中各参数要预先求知(2

15、)应用时流加速率F可采用阶梯递增方 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 发酵过程优化原理一.发酵过程优化的微生物反应原理 二.发酵过程数量化方法 三.微生物反应动力学 四.微生物反应优化的一般原理一.发酵过程优化的微生物反应原理1. 大

16、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： (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，