生物反應器操作的優(yōu)化

生物反應器操作的優(yōu)化第一頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)間歇反應過程操作條件的優(yōu)化由于間隙微生物反應器設計上的困難，因而絕大多數生物反應器的設計仍憑經驗。這樣設計出來的微生物反應器的操作未必能在優(yōu)化條件下進行，這就存在間隙微生物反應器的操作優(yōu)化問題，只有這樣，才能使得間隙微生物反應器的操作達到最優(yōu)。從工程的角度看，所謂的優(yōu)化，就是如何使得操作條件，操作方式和反應器的形式等的選擇達到目的反應的最優(yōu)值。具體到間隙微生物反應器，就是希望使用最少的費用，獲得最大的效益。對于反應器，有兩種情況：已使用過的反應器，設計新的反應器。這兩種情況，都涉及優(yōu)化目標函數和變量的確定。作為最優(yōu)化的目標函數，可以為：純利潤，成本，產量或產率等；作為最優(yōu)化的變量，可以為：反應時間，培養(yǎng)基組成，溫度，pH或DO等。獲得最佳工藝條件的方法有兩種：

第二頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三1試驗法采用通過規(guī)劃的有限次試驗，摸索出最佳的工藝條件。常用的實驗設計方法有：正交設計法和均勻設計法。這兩種方法各有優(yōu)缺點。正交設計法能分析因素對結果的影響，但是實驗次數較多；均勻設計法實驗次數最少，但須事先明確實驗范圍。2模擬計算法第三頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三例一、培養(yǎng)基組成的優(yōu)化在間隙培養(yǎng)中，各種營養(yǎng)成分是一次性加入到反應器中的，因此，我們可以僅從計量關系上決定裝入的營養(yǎng)成分的量或濃度。假定預先指定最大的菌體濃度為xst，根據菌體的得率系數Yx/s，我們可以確定某營養(yǎng)成分i的初始濃度為：

反應結束收獲時，產物的收獲量和營養(yǎng)成分的裝入量之間的關系十分復雜。對此，我們可以采用統(tǒng)計調優(yōu)法[1]。假定產物的收獲量Pt為營養(yǎng)底物成分初始濃度的函數，即可以表示為：

n為營養(yǎng)成分的個數和表示第n個營養(yǎng)成分。若可以假定收獲量與各成分的初始濃度之間的函數關系為一次式，即有：

其中：為未知系數，Pt,Pc分別為收獲量的實際值和計算值。設計m次實驗。我們可以得到：

根據上式計算得到的收獲量計算值與實驗值之間存在差別。根據統(tǒng)計回歸，尋找合適的回歸系數集，使得計算值同實驗值之間的差最小。據此，我們可以確定未知系數。有了這些系數，我們可以確定最佳的培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的初始加入量。

[1]、統(tǒng)計調優(yōu)法是將實驗數據關聯(lián)成一定的統(tǒng)計模型，并從關于目標函數的統(tǒng)計模型出發(fā)，利用一定的計算機程序進行最優(yōu)化搜索，由此獲得最優(yōu)工藝條件。第四頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三例二、溫度的最優(yōu)控制

在間隙微生物發(fā)酵過程中，溫度的控制是十分重要的。實驗表明，溫度控制在定值并不是最優(yōu)，應根據微生物生長的不同時期，確定不同的優(yōu)化溫度，即最優(yōu)溫度是時間的函數。因此，在微生物培養(yǎng)過程中，為了使過程最優(yōu)，應控制一定的溫度程序。

間隙微生物反應中，菌體的最適生長溫度與代謝產物生成的溫度并不一致。假如我們設它們分別為：

菌體最優(yōu)生長溫度

產物生成目標函數

因此，要根據上面兩個函數，利用數值求解，優(yōu)化搜索，來調整微生物反應過程的溫度，使得目的函數的生成量最大。

例：青霉素生產的溫度優(yōu)化控制。

產生青霉素的青霉屬的霉菌，在30℃時菌體生長速率最大，而青霉素的生物合成速率在15～20℃時最快。因此，在生產過程自動化控制條件不具備的情況下，一般取中間溫度25℃，進行定值控制。當然，這樣的控制肯定不是最優(yōu)的。對于這種情況，我們可以采用最優(yōu)化理論來進行溫度的優(yōu)化控制。采用最優(yōu)化理論來進行溫度的優(yōu)化控制，首先要用數學模型來表達考察對象的狀態(tài)。這樣的模型應盡可能正確表達，不然的話，所得到的最優(yōu)解是不可信的。

在生產青霉素的反應中，我們采用了下述模型：

（菌體生成有毒產物，抑制菌體的生長）

（生成的青霉素會發(fā)生自身分解）

式中：

分別表示菌體濃度x，產物濃度p和時間t的無因次量，時間從遲滯期后開始計。

為反應速率常數，它們與時間的關系分別為：

式中：T為絕對溫度。初始條件為：。

通過適當的數學手段，可以解得，為了使青霉素得率最大，最初一段時間里，為了獲得菌體細胞而增高溫度，而后降低溫度，使得青霉素的產量達到最大。

第五頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)生物反應過程操作方式的最優(yōu)化

操作方式的最優(yōu)化主要是針對存在底物或產物抑制的生物反應體系而采取的半間歇操作.這種半間歇操作分為控制底物濃度的半間歇操作和控制產物濃度的生化反應和分離相耦合的半間歇操作.一般的半間歇操作指的就是控制底物濃度的半間歇操作,而控制產物濃度的半間歇操作常稱為反應分離耦合技術.半間歇操作的反應體積隨時間變化,所以需定義新的參數.定義三個參數：式中：V為反應體積，為時間t的函數；fs為加料底物的質量流量，Kg/hr；F為加料的體積流量，l/hr；Sin為加料中底物的濃度，Kg/l。第六頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三半間隙操作，又稱流加操作，是指在反應過程中將某種特定的限制性底物（一種或兩種成分以上均可以）流加到反應器中，而目的生成物（菌體或菌體以外的代謝產物）則要到反應結束收獲時才從反應器中提取出來的操作方式.工業(yè)上為了提高目的產物的產量常采用這種操作方式。半間隙操作的要點是控制好底物的濃度。半間隙操作有兩種控制方式:無反饋控制的和反饋控制的半間隙操作。1生物反應器的補料和流加操作第七頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三無反饋控制的半間隙操作

這種操作方式，底物流量的控制是按預先規(guī)定的方案變化。因此，表示系統(tǒng)的數學模型的正確程度是這種操作成功與否的關鍵。最簡單的數學模型為：微生物增殖：底物增加；培養(yǎng)基體積增加：（kvap表示單位時間內因通氣與廢氣一起排出而損失的水分）代謝產物的增加：將上面四式同聯(lián)系起來，對給定的流加速率和初始條件，可以唯一地確定菌體濃度、底物濃度和產物濃度隨時間的變化關系。幾種常用的流加操作：定流量流加操作（F＝常數，這種操作方式的最大特定是引起微生物的直線增殖。）指數流加操作（F＝指數函數，在理想情況下，微生物的增殖為指數增殖，因此，按指數方式流加底物，只要滿足某些條件，不僅可以達到微生物以指數方式增殖，而且可以保持一定的底物濃度。）優(yōu)化流加操作（以生產代謝產物為目的情況下，流加流體的流量變化可以在實驗數據的基礎上，應用最優(yōu)化方法確定最優(yōu)化的流量變化F（t））。

第八頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三反饋控制的半間隙操作

根據要控制的參數，確定流加流體流量的變化。采用反饋控制，就沒有必要建立系統(tǒng)的數學模型。這種操作方式按控制方法可以分為：間接控制（把與過程密切相關的可測參數作為控制指標，例如pH，QCO2，RQ等。）直接控制（連續(xù)或間隙地測定培養(yǎng)液中流加的底物濃度，以控制其在某一數值作為控制指標。）按控制流加底物濃度的情況，可以分為：定值控制（控制底物的濃度為某一定值。）程序控制（控制底物濃度隨時間按一定的規(guī)律變化。）當反應緩慢時，現場技術人員常常是在檢測底物濃度的同時，采用直接手動控制。當然，一般情況下采用自動控制為佳。常采用的幾種間隙反應優(yōu)化操作：a、補料操作:間隙操作達到最大菌體濃度及限制性底物將耗盡時，開始以恒定的流速補加含有限制性底物的基質，直到培養(yǎng)液體積達到額定值為止。b、重復補料操作:在培養(yǎng)過程中，從某時起每隔一段時間取出一定體積的培養(yǎng)液，同時在同一時間間隔內加入一定體積的培養(yǎng)基。采用這種操作方式，培養(yǎng)液體積，稀釋率以及生長速率等與代謝途徑有關的參數都隨時間發(fā)生周期性變化。第九頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三2生物反應與分離耦合技術

間歇微生物反應中菌體生長轉移到靜止期的一個原因是有毒物質的積累。這種有毒物質往往是代謝產物（目的代謝產物或非目的代謝產物）。因此，為了能保持菌體有較高生長速率和得到較大的菌體或某一產物的產率，有必要在微生物反應的同時，不斷地把這些有毒物質分離出去。這就是同時進行分離和反應的間隙操作，又稱耦合操作。近年來這方面的研究工作十分活躍，出現了許多具有分離功能的新型生物反應器和生物反應操作工藝。第十頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三名稱或過程

特

點

適

用

情

況

備

注

真空發(fā)酵

用抽真空的方法，將發(fā)酵液中有抑制作用的易揮發(fā)組分從反應液中分離出去。

有抑制菌體細胞生長的易揮發(fā)組分（往往是產物）的存在。

氣提發(fā)酵

利用某些惰性氣體（例如：N2，H2，CO2等）將發(fā)酵液有抑制作用的蒸汽壓大于水的揮發(fā)性產物帶出發(fā)酵罐。

有抑制菌體細胞生長的易揮發(fā)組分（往往是產物）的存在。

萃取發(fā)酵包括雙水相萃取和膜萃取

在發(fā)酵的同時，用萃取劑萃取分離發(fā)酵液中的有抑制作用的產物，以降低其在發(fā)酵液中的濃度。

能找到一種對菌體細胞正常發(fā)酵無影響的，產物在其中有較大分配常數的萃取劑。

這種操作可以分為兩種情況：在線操作離線操作

膜分離發(fā)酵超濾－細胞循環(huán)滲透汽化－細胞循環(huán)

在發(fā)酵的同時，發(fā)酵液連續(xù)通過膜分離裝置，使產物及時分離出去，而發(fā)酵殘夜和細胞返回反應器中。

能找到可以有效分離產物的膜。

中空纖維－細胞固定

用中空纖維將