典型發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)及模型

典型發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)及模型第一頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日11949年，莫諾改變了間歇培養(yǎng)，建立了連續(xù)培養(yǎng)方法，即以一定的速率不斷地向混合均勻的發(fā)酵罐中供給新鮮培養(yǎng)基，同時(shí)等量排除發(fā)酵液，維持發(fā)酵罐中液量一定的培養(yǎng)方法。理論上，連續(xù)培養(yǎng)可使培養(yǎng)無(wú)限進(jìn)行。連續(xù)培養(yǎng)中微生物所處的環(huán)境如底物和菌體濃度、比生長(zhǎng)速率、pH等可維持穩(wěn)定。因此，應(yīng)用連續(xù)培養(yǎng)方法，使用各種限制性培養(yǎng)技術(shù)，可以建立高選擇性的培養(yǎng)環(huán)境，從而為研究微生物對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)、最佳環(huán)境條件下獲得最好的培養(yǎng)效果提供了獨(dú)特的工具和方法。第二頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日2一、概述1、發(fā)酵的實(shí)質(zhì)：生物化學(xué)反應(yīng)。2、發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)主要研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動(dòng)間的相互作用隨時(shí)間而變化的規(guī)律。3、研究方法采用數(shù)學(xué)模型定量描述發(fā)酵過(guò)程中影響細(xì)胞生長(zhǎng)、基質(zhì)利用和產(chǎn)物生成的各種因素。第三頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日34、發(fā)酵過(guò)程的反應(yīng)描述及速度概念(1)、發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)的描述

XS（底物）→

X（菌體）＋P（產(chǎn)物）研究發(fā)酵過(guò)程的目的發(fā)酵研究的內(nèi)容：菌種的來(lái)源——找到一個(gè)好的菌種發(fā)酵過(guò)程的工藝控制——最大限度發(fā)揮菌種的潛力第四頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日4(2)、發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)速度的描述

XS（底物）→

X（菌體）＋P（產(chǎn)物）基質(zhì)的消耗速度：(g·L-1·s-1)基質(zhì)的消耗比速：(h-1、s-1)單位時(shí)間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物(菌體)的量稱(chēng)為比速，是生物反應(yīng)中用于描述反應(yīng)速度的常用概念。第五頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日55、發(fā)酵反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容研究反應(yīng)速度及其影響因素并建立反應(yīng)速度與影響因素的關(guān)聯(lián)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型反應(yīng)器特性+反應(yīng)器的操作模型操作條件與反應(yīng)結(jié)果的關(guān)系，定量地控制反應(yīng)過(guò)程獲取最大效益第六頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日66、已建立動(dòng)力學(xué)模型的類(lèi)型

機(jī)制模型：根據(jù)反應(yīng)機(jī)制建立幾乎沒(méi)有

現(xiàn)象模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停耗壳按蠖鄶?shù)模型

能定量地描述發(fā)酵過(guò)程

能反映主要因素的影響第七頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日二、分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)微生物發(fā)酵有三種方式：即分批發(fā)酵(batchfermentation)；補(bǔ)料分批發(fā)酵(fedbatchfermentation)；連續(xù)發(fā)酸(continuousfermentation)；第八頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日8工業(yè)上為了防止出現(xiàn)菌種衰退和雜菌污染等實(shí)際問(wèn)題，大都采用分批發(fā)酵或補(bǔ)料分批發(fā)酵這兩種方式。其中補(bǔ)料分批發(fā)酵已被廣泛采用，因?yàn)樗募夹g(shù)介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間、兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們的缺點(diǎn)。(見(jiàn)p130)各種不同發(fā)酵方式菌體代謝變化也不相同，但為了了解其基本變化，仍以分批發(fā)酵為基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)明其代謝規(guī)律。第九頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日9發(fā)酵中的菌體、基質(zhì)和產(chǎn)物三者變化的基本過(guò)程是：菌體進(jìn)入發(fā)酵罐后就開(kāi)始生長(zhǎng)、繁殖，直達(dá)一定的菌體濃度。其生長(zhǎng)過(guò)程仍顯示適應(yīng)(停滯)期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、靜止(穩(wěn)定)期和衰亡期等生長(zhǎng)史的特征。第十頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日10但在發(fā)酵過(guò)程中、即使同一菌種、由于菌體的生理狀態(tài)與培養(yǎng)條件的不同，各個(gè)別期時(shí)間長(zhǎng)短也不盡相同：如適應(yīng)期的長(zhǎng)短就隨培養(yǎng)條件而有所不同，并與接種菌的生理狀態(tài)有關(guān)。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的菌種移植到與原培養(yǎng)基組成完全相同的新培養(yǎng)基中，就不會(huì)出現(xiàn)適應(yīng)期，仍以對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的方式繼續(xù)繁殖下去。另外，用靜止期以后的菌體接種，即使接種的菌體全部能夠生長(zhǎng)，也要出現(xiàn)適應(yīng)期，因此，工業(yè)發(fā)酵中往往要接入處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期(特別是中期)的菌體，以盡量縮短適應(yīng)期。第十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日11為了獲得代謝產(chǎn)物，菌體尚未達(dá)到衰退期即行放罐處理；由于菌體生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物的形成，基質(zhì)(如葡萄糖)濃度的變化一般是隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷下降，溶解氧濃度也隨發(fā)酵過(guò)程變化而發(fā)生變化。初級(jí)代謝產(chǎn)物由于沒(méi)有明顯的產(chǎn)物形成期．所以它是隨菌體生長(zhǎng)在不斷地進(jìn)行的，有的與菌體生長(zhǎng)成平行關(guān)系，如乳酸、醋酸、氨基酸和核酸等。第十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日12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(zhǎng)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。第十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日13連續(xù)發(fā)酵中，微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)保持旺盛的穩(wěn)定狀態(tài)，而pH、營(yíng)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)。第十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日14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。?①在連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)和生產(chǎn)中，遇到了在長(zhǎng)期連續(xù)發(fā)酵過(guò)程中，微生物的突變和雜菌污染的問(wèn)題，欲保持長(zhǎng)期的無(wú)菌狀態(tài)，在技術(shù)上尚有一定的困難；②發(fā)酵液在連續(xù)流動(dòng)過(guò)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(lái)控制和指導(dǎo)生產(chǎn)。第十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日15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(zhǎng)和代謝之間某些數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)采用它作為過(guò)程運(yùn)轉(zhuǎn)和控制的基礎(chǔ)，從而來(lái)選定過(guò)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(lái)控制微生物的定向培養(yǎng)，進(jìn)而來(lái)研究微生物的生理及代謝作用。這些均是控制發(fā)酵過(guò)程中極為重要的問(wèn)題。第十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日16微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程包括：細(xì)胞的生長(zhǎng)、基質(zhì)的消耗和代謝產(chǎn)物的生成。細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖過(guò)程既包括細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)，也包括胞內(nèi)和胞外的物質(zhì)交換，具有多相、多組分、非線性的特點(diǎn)。細(xì)胞的培養(yǎng)和代謝是一個(gè)復(fù)雜的群體生命活動(dòng)，伴隨著每個(gè)細(xì)胞的生長(zhǎng)、成熟、衰老，以及退化、變異等等。因此，合理簡(jiǎn)化，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型方能進(jìn)行工程應(yīng)用。第十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日17(一)、對(duì)微生物生長(zhǎng)過(guò)程描述見(jiàn)p107

對(duì)細(xì)胞群體進(jìn)行描述，而不是對(duì)單一細(xì)胞；不考慮細(xì)胞間的差別；將細(xì)胞視為單一組成，不考慮環(huán)境對(duì)細(xì)胞組成的影響（非結(jié)構(gòu)模型）或考慮環(huán)境對(duì)細(xì)胞組成的影響（結(jié)構(gòu)模型）認(rèn)為細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中，各組分以相同比例增加，即細(xì)胞均衡生長(zhǎng)；將細(xì)胞視為單獨(dú)的生物相（分離化模型）或?qū)⒓?xì)胞與培養(yǎng)視為同一相（均一化模型）；第十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日18幾個(gè)基本概念次級(jí)代謝產(chǎn)物：還有一類(lèi)產(chǎn)物，對(duì)細(xì)胞的代謝功能沒(méi)有明顯的影響，一般是在穩(wěn)定期形成，如抗生素等，這一類(lèi)化合物稱(chēng)為次級(jí)代謝產(chǎn)物。初級(jí)代謝產(chǎn)物：微生物合成的主要供給細(xì)胞生長(zhǎng)的一類(lèi)物質(zhì)。如氨基酸、核苷酸等等，這些物質(zhì)稱(chēng)為初級(jí)代謝產(chǎn)物。第十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日19幾個(gè)基本概念得率系數(shù)：可用于對(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)。對(duì)底物的細(xì)胞得率——YX/S（g/g）生成細(xì)胞的質(zhì)量與消耗底物的質(zhì)量之比對(duì)氧的細(xì)胞得率——YX/O（g/g）生成細(xì)胞的質(zhì)量與消耗氧的質(zhì)量之比對(duì)碳的細(xì)胞得率——YC一定小于1，一般在之間，僅考慮基質(zhì)與細(xì)胞的共同項(xiàng)碳，比YX/S更為合理第二十頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日20呼吸商（RespiratoryQuotient簡(jiǎn)稱(chēng)RQ）又稱(chēng)氣體交換率，指生物體在同一時(shí)間內(nèi)，釋放二氧化碳與吸收氧氣的體積之比或摩爾數(shù)之比，即指呼吸作用所釋放的CO2和吸收的O2的分子比。第二十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日21（二）、分批培養(yǎng)微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)時(shí)間菌體濃度延遲期指數(shù)生長(zhǎng)期減速期靜止期衰亡期延遲期：指數(shù)生長(zhǎng)期:減速期:靜止期：;衰亡期:倍增時(shí)間：第二十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日22指數(shù)期：減速期：靜止期：Kd：細(xì)胞死亡速率常數(shù)衰亡期：第二十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日23(三)、無(wú)抑制、單一限制性基質(zhì)下的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)(Monod方程)細(xì)胞生長(zhǎng)速率是底物濃度的函數(shù)細(xì)胞生長(zhǎng)速率與單一限制性底物濃度的關(guān)系Ks：微生物對(duì)底物的半飽和常數(shù)，與親和力成反比，g/LMonod方程第二十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日24Monod研究了基質(zhì)濃度與生長(zhǎng)速度的關(guān)系———Monod方程(1949)μ米氏方程:微生物生長(zhǎng)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,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié)酶反應(yīng)機(jī)制推導(dǎo)第二十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日

μ：菌體的生長(zhǎng)比速

S：限制性基質(zhì)濃度

Ks：半飽和常數(shù)μmax:最大比生長(zhǎng)速度μ單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)物中，對(duì)微生物的生長(zhǎng)起到限制作用的營(yíng)養(yǎng)物。第二十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日上式中μmax稱(chēng)為最大比生長(zhǎng)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。當(dāng)μ＝1/2μmax時(shí)，有KS=S，所以，莫諾常數(shù)（或稱(chēng)半飽和常數(shù)）KS代表當(dāng)微生物的生長(zhǎng)速率等于最大比生長(zhǎng)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。當(dāng)S→∞時(shí)，μ→μm，說(shuō)明μm只是理論上的最大生長(zhǎng)潛力，實(shí)際上是不可能達(dá)到的。第二十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)際上，Monod方程是在如下假設(shè)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的：1）菌體生長(zhǎng)為均衡型非結(jié)構(gòu)式生長(zhǎng)，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(zhǎng)限制性底物，其他營(yíng)養(yǎng)成分不影響微生物生長(zhǎng)。3）將微生物生長(zhǎng)視為簡(jiǎn)單反應(yīng)，并假設(shè)菌體得率為常數(shù)，沒(méi)有動(dòng)態(tài)滯后。第二十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日28(1)當(dāng)了限制性基質(zhì)的濃度很低時(shí)，即ρs<<

Ks，提高基質(zhì)濃度可明顯提高細(xì)胞的生長(zhǎng)速率(2)當(dāng)ρs>>Ks，細(xì)胞的生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度無(wú)關(guān)(3)當(dāng)處于以上兩種情況時(shí)第二十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日29μρs濃度低時(shí)ρsρs

濃度增加到對(duì)生長(zhǎng)無(wú)限制時(shí)細(xì)胞生長(zhǎng)速率與限制性底物濃度的關(guān)系ρxρx,Optrxrmaxrx—ρx關(guān)系曲線Monod方程僅適用于生長(zhǎng)較慢的細(xì)胞，此時(shí)細(xì)胞的生長(zhǎng)才與基質(zhì)濃度呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。第三十頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日30Monod方程求解方法斜率=1/μmax截距=Ks/μmax第三十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日31在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的μmax，Ks和td?將數(shù)據(jù)整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221第三十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日32μmax，＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/ltd＝ln2/μmax＝0.64h第三十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日33例題1.一發(fā)酵罐基質(zhì)濃度為225g/L，細(xì)胞濃度0.15g/L，dX/dt=1.5g/h,當(dāng)基質(zhì)濃度為175g/L，細(xì)胞濃度為0.1g/L，此時(shí)，dX/dt=0.875g/h,若細(xì)胞生長(zhǎng)可用Monod方程描述，求動(dòng)力學(xué)參數(shù)μmax、Ks？第三十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日34解：已知

S1=225g/L

X1=0.15g/L

dX/dt=1.5g/h,S2=175g/LX2=0.1g/LdX/dt=0.875g/h,由Monod方程：第三十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日35得：μmax=20h-1Ks=225g/L第三十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日362.已知發(fā)酵罐內(nèi)細(xì)胞總濃度為400g/m3

，此時(shí)細(xì)胞濃度隨時(shí)間變化率為0.02g/Lh，則求（1）細(xì)胞比生長(zhǎng)速率μ;（2）若此時(shí)細(xì)胞處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，細(xì)胞數(shù)量倍增時(shí)間td

。第三十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日37解：已知：X=400g/m3，dX/dt=0.02g/Lh(1)由h-1(2)td=ln2/μ＝0.693/0.05=13.86h第三十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日38代謝產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)1、Gaden對(duì)發(fā)酵的三分類(lèi)與Pirt方程(a)相關(guān)模型（一類(lèi)發(fā)酵）

產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)相關(guān)的過(guò)程。產(chǎn)物的生成是細(xì)胞能量代謝的結(jié)果。xpxptP120圖6-9第三十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日39(b)部分相關(guān)模型（二類(lèi)發(fā)酵）

產(chǎn)物的生成與基質(zhì)的消耗僅有間接的關(guān)系。產(chǎn)物的生成是細(xì)胞能量代謝的間接結(jié)果。xpxptLuedeking-Piret方程第四十頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日40(b)非相關(guān)模型（三類(lèi)發(fā)酵）

產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)無(wú)直接的關(guān)系。此模型中的產(chǎn)生多是次生代謝產(chǎn)物，在細(xì)胞的生長(zhǎng)階段沒(méi)有產(chǎn)生累積。xpt第四十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日41Pirt方程

π＝a+bμ

a=0、b≠0：可表示一類(lèi)發(fā)酵

a≠0、b=0：可表示二類(lèi)發(fā)酵

a≠0、b≠0：可表示三類(lèi)發(fā)酵第四十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日42基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)SS1

菌體S2

產(chǎn)物S3

維持

XS（底物）─→

X（菌體）＋P（產(chǎn)物）+維持維持消耗(m)：指維持細(xì)胞最低活性所需消耗的能量，一般來(lái)講，單位重量的細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)用于維持消耗所需的基質(zhì)的量是一個(gè)常數(shù)。第四十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日431、基質(zhì)的消耗速率與比消耗速率見(jiàn)p118如果基質(zhì)僅用于細(xì)胞的生長(zhǎng)：

如果以氧的消耗來(lái)計(jì)算：第四十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日442、包括維持代謝的基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)要消耗額外的基質(zhì)產(chǎn)生能量供維持代謝待續(xù)進(jìn)行。m：維持系數(shù)g/g·gY*X/S：生成細(xì)胞的干重與完全消耗于細(xì)胞生長(zhǎng)的基質(zhì)的質(zhì)量之比，表示在無(wú)維持細(xì)胞代謝時(shí)的細(xì)胞得率，可稱(chēng)為最大細(xì)胞得率第四十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日453、包括產(chǎn)物生成的基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)見(jiàn)p119(1)產(chǎn)物的生成以產(chǎn)能途徑進(jìn)行；如生產(chǎn)ATP、酒精、乳酸等(2)產(chǎn)物的生成不與或僅部分與能量代謝相關(guān)聯(lián)?；|(zhì)消耗速度取決于:(1)細(xì)胞生長(zhǎng)速率；(2)產(chǎn)物生物速率；(3)基質(zhì)消耗用于維持能速率。第四十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日46細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的建立細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程數(shù)學(xué)模型是一組可以近似描述或表示細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程的數(shù)學(xué)方程式，可以在一定程度上精煉出原過(guò)程的特征。①預(yù)測(cè)微生物反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)程，成為預(yù)測(cè)模型。②數(shù)學(xué)模擬放大。可以省去中試階段，降低費(fèi)用?？s短開(kāi)發(fā)期。③過(guò)程優(yōu)化策略。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，求出各種條件下生成裝置的各種行為，尋找最優(yōu)生成條件，實(shí)現(xiàn)生成的最佳操作。④過(guò)程優(yōu)化控制。按照數(shù)學(xué)模型，求解控制變量的最優(yōu)值，保證反應(yīng)某個(gè)指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量或能量消耗處于最佳值。第四十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日47生化工程中，大致有三種模型：

數(shù)字?jǐn)M合型：完全依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析建立一個(gè)能夠描述變量外部聯(lián)系的數(shù)學(xué)模型

機(jī)制模型：建立在反應(yīng)機(jī)制基礎(chǔ)之上。

常規(guī)模型：以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，在模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式上對(duì)有近似特性的機(jī)制模型加以模擬，形式雖然與被模擬的機(jī)制模型相似，但模型參數(shù)的本質(zhì)不完全相同。第四十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日48一、數(shù)學(xué)擬合型模型黑箱系統(tǒng)+經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀２恍枰私鈨?nèi)部機(jī)制，模型值直接應(yīng)用于生成過(guò)程，可靠性較高，但不能找到反應(yīng)過(guò)程的本質(zhì)。

獲取數(shù)據(jù)的途徑：

(a)在正常生產(chǎn)操作中獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；

(b)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。例子：(1)紫外線照射菌體懸浮液與細(xì)胞存活率關(guān)系P123(2)超聲波降解透明質(zhì)酸的時(shí)間與透明質(zhì)酸相對(duì)分子時(shí)的關(guān)系P124第四十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日49二、機(jī)制模型“白箱”系統(tǒng)要求：(1)對(duì)內(nèi)在機(jī)制有深刻的認(rèn)識(shí)；(2)精確、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。無(wú)條件限制下的微生物種群生長(zhǎng)P125第五十頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日50三、常規(guī)細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型機(jī)制分析Y=f(x1,x2,…,xn)

獲取數(shù)據(jù)

模型參數(shù)估計(jì)獸疫鏈球菌分批發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)P126龍格庫(kù)塔法：“灰箱”系統(tǒng)第五十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日51補(bǔ)料分批發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)補(bǔ)料分批發(fā)酵介于分批培養(yǎng)與連續(xù)培養(yǎng)之間，在發(fā)酵的過(guò)程中連續(xù)或間歇的補(bǔ)加一種或一種以上特定限制性底物，直到反應(yīng)結(jié)束后才排出培養(yǎng)液的操作方式。第五十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日52

補(bǔ)料分批培養(yǎng)主要適用于代謝產(chǎn)物得率或生成速率受底物影響、細(xì)胞的生長(zhǎng)狀況和培養(yǎng)環(huán)境需要調(diào)節(jié)的過(guò)程：P130細(xì)胞的高密度培養(yǎng)過(guò)程所用底物在高濃度時(shí)對(duì)菌體生長(zhǎng)有抑制作用存在Crabtree效應(yīng)營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的培養(yǎng)受異化代謝阻遏的系統(tǒng)高粘度的培養(yǎng)系統(tǒng)第五十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日53Crabtree效應(yīng)Crabtree效應(yīng)：在酵母培養(yǎng)中，當(dāng)糖濃度過(guò)高，即使溶解氧很充足，酵母菌也會(huì)將糖分解成乙醇，從而使菌體得率下降的現(xiàn)象。Crabtree(1929)發(fā)現(xiàn)，面包酵母的呼吸活力對(duì)游離的葡萄糖十分敏感，當(dāng)其濃度在5μg/L時(shí)即出現(xiàn)阻遏作用。為獲得最大酵母得率，不能用恒速流加的方法，而保持最大生長(zhǎng)速率的變速流加法只是理想狀態(tài)。第五十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日54補(bǔ)料分批發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型狀態(tài)變量：表示在任何反應(yīng)時(shí)間上反應(yīng)情況的一組相互依賴(lài)的變量及其數(shù)值。

pH、溫度、細(xì)胞濃度、底物及產(chǎn)物濃度過(guò)程參數(shù)：包括細(xì)胞的生長(zhǎng)速率、得率系數(shù)、氧及二氧化碳的傳遞系數(shù)。操作變量：包括加料速率、加料中的底物濃度、攪拌速度及通氣速率等。第五十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日55補(bǔ)料分批發(fā)酵的狀態(tài)方程狀態(tài)方程與質(zhì)量平衡與能量平衡有關(guān)，因此推導(dǎo)狀態(tài)方程時(shí)要采用平衡關(guān)系。推導(dǎo)過(guò)程P132恒速流加操作模型P133恒定生長(zhǎng)參數(shù)的流加模型P134定值控制的流加模型P136第五十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日56連續(xù)發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)1870年克赫創(chuàng)建的純種培養(yǎng)技術(shù)與1933年克雷文創(chuàng)建的三角瓶震蕩液體培養(yǎng)方法為工業(yè)化利用微生物技術(shù)開(kāi)辟了新的途徑?，F(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中，絕大多數(shù)培養(yǎng)均采用純種液體培養(yǎng)，操作方法主要是間歇培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)和流加培養(yǎng)。特別是1949年創(chuàng)建的連續(xù)培養(yǎng)，保持培養(yǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)，并能維持較長(zhǎng)時(shí)間，為研究微生物對(duì)環(huán)境的響應(yīng)，尋找培養(yǎng)的最佳條件提供了獨(dú)特的研究方法，也成為連續(xù)生產(chǎn)細(xì)胞和其他產(chǎn)物一種極好的培養(yǎng)方法。第五十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日57連續(xù)發(fā)酵過(guò)程指以一定的速度向反應(yīng)器中流加新鮮培養(yǎng)基，同時(shí)以相同的速度排出培養(yǎng)液，因而反應(yīng)器內(nèi)的液量維持恒定。純培養(yǎng)的連續(xù)操作主要采用CSTR，根據(jù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的方式不同，CSTR有兩種類(lèi)型：恒化器和恒濁器恒化器無(wú)反饋控制機(jī)構(gòu)，以恒定不變的流量供給培養(yǎng)基，通過(guò)細(xì)胞自身的催化性質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定的操作狀態(tài)恒濁器有反饋控制機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制培養(yǎng)基的流加速率，使反應(yīng)器內(nèi)的細(xì)胞濃度保持恒定。恒濁器較難控制，多采用恒化器進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)。第五十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日58優(yōu)點(diǎn)：細(xì)胞生長(zhǎng)速度、代謝活動(dòng)處于恒定狀態(tài)，能夠高速穩(wěn)定的大量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)成本低，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定;缺點(diǎn):(1)開(kāi)放式操作導(dǎo)致容易染菌；(2)有些細(xì)胞得不到更新，容易退化變異。連續(xù)反應(yīng)器的特點(diǎn)第五十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日59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。第六十頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日60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,即各點(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。第六十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日61對(duì)于菌體：積累的細(xì)胞＝（進(jìn)入-流出）的細(xì)胞+（生長(zhǎng)-死亡）的細(xì)胞從物料衡算關(guān)系可以作出菌體的平衡關(guān)系：比死亡速率比生長(zhǎng)速率第六十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日若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；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(lái)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。第六十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日開(kāi)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(guò)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)：第六十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日對(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(zhǎng)速率來(lái)生長(zhǎng)。第六十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)于限制性底物：積累底物＝（流進(jìn)-流出）-（生長(zhǎng)+產(chǎn)物+維持）所消耗的底物第六十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日產(chǎn)物形成量很小，可以忽略，這樣，在恒定狀態(tài)下第六十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)于產(chǎn)物形成過(guò)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：第六十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，2022年，8月28日連續(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(guò)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