生物反應(yīng)工程 第八章 生物反應(yīng)工程領(lǐng)域的拓展

第八章生物反響工程領(lǐng)域的拓展主要內(nèi)容1、質(zhì)粒復(fù)制與表達(dá)的動(dòng)力學(xué)2、超臨界相態(tài)下的生物反響3、菌體形態(tài)在發(fā)酵過程中的變化4、界面微生物生長(zhǎng)模型5、雙液相生物生長(zhǎng)進(jìn)展8.1質(zhì)粒復(fù)制與表達(dá)的動(dòng)力學(xué)8.1.1λdv質(zhì)粒的概述8.1.2動(dòng)力學(xué)模型的幾點(diǎn)假設(shè)8.1.3質(zhì)粒復(fù)制動(dòng)力學(xué)8.1.4基因表達(dá)動(dòng)力學(xué)8.2溫和壓力提高生物催化效率一、研究背景二、變壓生物轉(zhuǎn)化三、加壓提高生物應(yīng)激代謝物的合成四、幾點(diǎn)思考一、研究背景生物催化〔biocatalysis〕是指利用酶或有機(jī)體〔細(xì)胞、細(xì)胞器〕作為催化劑對(duì)底物進(jìn)行催化反響，該反響過程又被稱為生物轉(zhuǎn)化。壓力是除溫度、化學(xué)組分外，影響化學(xué)反響的重要熱力學(xué)參量。研究背景〔1〕研究背景〔2〕壓力影響生物反響的幾個(gè)方面反響速率和平衡常數(shù)酶的蛋白結(jié)構(gòu)，影響其底物專一性和催化活性影響微生物的細(xì)胞形態(tài)、生理乃至遺傳特性的產(chǎn)生壓力對(duì)化學(xué)反響的影響遵循LeChatelie法那么如果一個(gè)反響的活化體積為——300ml/mol，100Mpa壓力下反響速率提高了約200,000倍。α胰凝乳蛋白酶研究背景〔3〕研究背景〔4〕反響的活化體積一些生物化學(xué)AbeF.etal.(1999)利用壓力提高生物催化效率的局部實(shí)例研究背景〔5〕超臨界流體反應(yīng)底物酶CO2菜籽油＋水脂肪酶CO2油酸＋乙醇鱈，魚肝油＋乙醇，1-壬醇＋乙酸乙酯，菜籽油＋奶酯，月桂酸甘油酯＋肉豆蔻酸棕櫚酸，酯＋油酸甲酯甘油，甘油三酸酯＋硬脂酸辛酸甘油，三酸酯＋乙酸甘油酯辣椒辣素＋十四酸甲酯脂肪酶CO2對(duì)硝基苯酚，對(duì)氯苯酚，對(duì)甲酚多酚氧化酶CO2對(duì)硝基苯磷酸酯血清堿性磷酸酶CO2膽固醇膽固醇氧化酶CO2己醇＋己酸角質(zhì)酶CO2，氟仿木聚糖＋n-辛醇木聚糖酶乙烯，CO21-苯乙醇角質(zhì)酶氟仿甲基丙烯酸甲酯+3.2-乙基已醇脂肪酶氟仿N-乙酰-L-苯丙氨酸甲酯+甲醇枯草桿菌蛋白酶SF6,乙烷，乙烯，CO2甲基丙烯酸甲酯+二乙基己基醇脂肪酶局部壓力下的生物催化反響MiyawakiOsoto(2005)二、變壓生物轉(zhuǎn)化“變壓生物轉(zhuǎn)化〞是根據(jù)微生物本身特性，在生物反響的一定階段施加溫和壓力,使細(xì)胞代謝通量沿著目的產(chǎn)物方向加強(qiáng)，或酶活力提高的一種生物催化方法變壓生物轉(zhuǎn)化〔1〕

圖1高壓試驗(yàn)裝置流程圖〔1〕變壓生物轉(zhuǎn)化〔2〕

圖1高壓試驗(yàn)裝置流程圖〔2〕變壓生物轉(zhuǎn)化〔3〕

圖2微生物β-11位羥基化轉(zhuǎn)化反響O2常壓0.5MPa加壓常壓0對(duì)照4800166362246183306124366654260表1試驗(yàn)設(shè)計(jì)〔小時(shí)〕變壓生物轉(zhuǎn)化〔4〕圖3N2為加壓介質(zhì)對(duì)生物轉(zhuǎn)化的影響■,0;▲,1;●,2;□,3;△,4;○,5變壓生物轉(zhuǎn)化〔5〕圖4高純空氣為加壓介質(zhì)對(duì)生物轉(zhuǎn)化的影響■,0;▲,1;●,2;□,3;△,4;○,5

變壓生物轉(zhuǎn)化〔6〕圖5高純空氣為加壓介質(zhì)，同時(shí)添加氧載體對(duì)生物轉(zhuǎn)化的影響■,0;▲,1;●,2;□,3;△,4○,5變壓生物轉(zhuǎn)化〔7〕變壓生物轉(zhuǎn)化〔8〕圖6壓力對(duì)藍(lán)色梨頭霉菌絲球形態(tài)變化的影響A:常壓下的菌絲球形體B:加壓后菌絲球形體AB圖7電鏡照片A氮?dú)?.5MPa；B常壓變壓生物轉(zhuǎn)化〔9〕變壓生物轉(zhuǎn)化〔10〕BA圖8電鏡照片A

高純空氣0.5MPa；B常壓圖9加壓對(duì)藍(lán)色梨頭霉脫氫酶活力的影響■:脫氫酶活力□：氫可轉(zhuǎn)化率

變壓生物轉(zhuǎn)化〔11〕變壓生物轉(zhuǎn)化〔12〕圖10壓力對(duì)犁頭霉菌絲球通透性的影響■▲◆分別為0.1MPa下電導(dǎo)率，A280和A260;□△

分別為空氣0.5MPa下電導(dǎo)率，A280和A260A260A280變壓生物轉(zhuǎn)化〔14〕加壓提高甾體藥物〔氫化可的松〕的生物轉(zhuǎn)化〔10～15%〕的原因提高底物的溶解速率改善了菌絲團(tuán)結(jié)構(gòu)增加生產(chǎn)菌株的細(xì)胞膜通透性提高了脫氫酶活力和強(qiáng)化了相關(guān)途徑三、加壓提高生物應(yīng)激代謝物質(zhì)的合成加壓提高生物應(yīng)激代謝物質(zhì)的合成〔1〕壓力作為脅迫因子，可以改變細(xì)胞正常生理狀態(tài)下的代謝通量，刺激細(xì)胞發(fā)生應(yīng)激反響，促進(jìn)應(yīng)激產(chǎn)物的生成。海藻糖〔1.0MPa處理3h提高27%〕谷胱甘肽(0.5MPa處理3h提高42.6%)麥角固醇(0.5MPa處理3h提高20.1%)圖11保壓時(shí)間對(duì)面包酵母胞內(nèi)海藻糖和存活率的影響左圖:CICC1339;右圖:CICC1447;□,

,○,為0.1MPa,1MPaCO2和1MPaN2的細(xì)胞存活率■,▲,●,為0.1MPa,1MPaCO2和1MPaN2的胞內(nèi)海藻糖含量AB加壓提高生物應(yīng)激代謝物質(zhì)的合成〔2〕圖12保壓時(shí)間對(duì)面包酵母胞內(nèi)海藻糖合成酶活力的影響左圖:CICC1339;右圖:CICC1447■,0.1MPa；▲,1MPaCO2；●,1MPaN2

加壓提高生物應(yīng)激代謝物質(zhì)的合成〔3〕加壓提高生物應(yīng)激代謝物質(zhì)的合成〔4〕圖13壓力對(duì)面包酵母細(xì)胞膜通透性的影響左圖:CICC1339;右圖:CICC1447■：電導(dǎo)率；▲：A280；◆：A260加壓提高生物應(yīng)激代謝物質(zhì)的合成〔5〕圖14面包酵母CICC1339〔左〕和CICC1447〔右〕環(huán)境掃描電鏡照片〔1.0Mpa〕四、幾點(diǎn)體會(huì)1、應(yīng)用領(lǐng)域可以有效提高兩相生物催化反響效率；提高微生物應(yīng)激產(chǎn)物的發(fā)酵得率2、根底理論研究溫和壓力對(duì)酶活力影響的根底數(shù)據(jù)；溫和壓力對(duì)特定微生物細(xì)胞形態(tài)、代謝途徑與通量的變化、基因表達(dá)以及活力變化的影響8.3發(fā)狀念珠藻單體細(xì)胞培養(yǎng)--與其在治理荒漠化中的作用?一、發(fā)狀念珠藻概述二、懸浮培養(yǎng)條件下發(fā)狀念珠藻形態(tài)及生長(zhǎng)過程三、開放式懸浮培養(yǎng)四、發(fā)狀念珠藻培養(yǎng)物成分分析及功能試驗(yàn)五、發(fā)狀念珠藻細(xì)胞固態(tài)培養(yǎng)的初步研究六、發(fā)狀念珠藻細(xì)胞野外放大試驗(yàn)七、不同營(yíng)養(yǎng)模式下發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)的比較八、小結(jié)一、發(fā)狀念珠藻概述荒漠-半荒漠地區(qū)陸生藍(lán)細(xì)菌荒漠草原唯一優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)的固氮生物生長(zhǎng)于極端環(huán)境中的特種生物資源發(fā)狀念珠藻資源現(xiàn)狀分布具有很強(qiáng)的地域局限性生長(zhǎng)極為緩慢，生物量加倍時(shí)間需10多年我國(guó)發(fā)菜主產(chǎn)地之一寧夏回族自治區(qū)60年代發(fā)菜生長(zhǎng)地面積約萬公頃，至80年代中期減少到萬公頃，到90年代未已減至缺乏萬公頃，與此同時(shí)，商品發(fā)菜的價(jià)格從70年代的每公斤元上漲到90年代的每公斤元，至2000年時(shí)更高達(dá)上千元一公斤。我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)因采收發(fā)菜而遭破壞的草場(chǎng)面積萬公頃，其中萬公頃完全退化為荒漠。360.7173.3100105001266.67400

原材料：

念珠藻〔マイクロアルジェ〕／ヒメマツタケ〔巖出101株〕／イチョウ葉エキス／クコの実末／エシャロット末／サイクロデキストリン／セルロース特許番號(hào)2989533

90包入￥54,000〔稅別〕抗疲勞抗病毒抗腫瘤圖片資料來源于日本MAC網(wǎng)站

發(fā)狀念珠藻藥用價(jià)值生態(tài)學(xué)特征耐旱性耐溫差嗜陽(yáng)性耐貧瘠性耐鹽性單體細(xì)胞細(xì)胞開放式培養(yǎng)多糖廢液細(xì)胞培養(yǎng)封閉式培養(yǎng)成分分析功能實(shí)驗(yàn)藻體重建生態(tài)修復(fù)回流到培養(yǎng)裝置保健藥品食品開發(fā)發(fā)狀念珠藻解決方案二、懸浮培養(yǎng)條件下發(fā)狀念珠藻形態(tài)及生長(zhǎng)過程ABCEFGDA:藻殖段B:營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞〔橫分裂〕C:營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞〔縱分裂〕D:異形胞E:細(xì)胞團(tuán)F:厚壁孢子G:繁殖體液體培養(yǎng)條件下單體發(fā)狀念珠藻細(xì)胞類型及形態(tài)〔標(biāo)尺=10μm〕發(fā)狀念珠藻細(xì)胞聚合體的形成

液體培養(yǎng)發(fā)狀念珠藻細(xì)胞聚合體

光照對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和多糖積累的影響

不同光照強(qiáng)度(μmol·m-2s-1)下發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)曲線

不同光照強(qiáng)度下發(fā)狀念珠藻細(xì)胞胞外多糖產(chǎn)量

光照強(qiáng)度/μmol·m-2s-1204060多糖產(chǎn)量/mg·L-150.263.873.7細(xì)胞多糖產(chǎn)量/mg·g-1·DW83.979.280.6溫度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和多糖積累的影響不同溫度下發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)曲線

不同溫度培養(yǎng)20d發(fā)狀念珠藻細(xì)胞胞外多糖產(chǎn)量

培養(yǎng)溫度（℃）202530多糖產(chǎn)量/mg·L-143.173.767.2細(xì)胞多糖產(chǎn)量/mg·g-1·DW58.680.676.1初始pH值對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和多糖積累的影響不同初始pH值下發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)曲線初始pH值對(duì)發(fā)狀念珠藻細(xì)胞胞外多糖產(chǎn)量的影響初始pH值6.07.08.0多糖產(chǎn)量/mg·L-137.076.288.4細(xì)胞多糖產(chǎn)量/mg·g·DW54.287.5106.9氮源對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和胞外多糖產(chǎn)量的影響不同氮源下發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)曲線

不同初始硝酸鈉濃度下發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)曲線

不同初始硝酸鈉濃度下培養(yǎng)20d發(fā)狀念珠藻細(xì)胞胞外多糖產(chǎn)量

硝酸鈉濃度/g·L-101.53.04.5多糖產(chǎn)量/mg·L-135.673.862.444.5細(xì)胞多糖產(chǎn)量/mg·g-1·DW47.985.062.855.6磷酸鹽對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和多糖積累的影響不同初始磷酸鹽濃度下發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)曲線初始磷酸鹽濃度對(duì)發(fā)狀念珠藻細(xì)胞胞外多糖產(chǎn)量的影響

磷酸鹽濃度/mmol·L-100.1751.758.7517.5多糖產(chǎn)量/mg·L-122.871.176.397.693.7多糖產(chǎn)量/mg·g-1·DW71.881.483.381.182.3光反響器中發(fā)狀念珠藻細(xì)胞培養(yǎng)過程特性發(fā)狀念珠藻細(xì)胞20L光反響器中培養(yǎng)過程曲線通氣量對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)和多糖積累的影響不同通氣量下發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)曲線

通氣量對(duì)發(fā)狀念珠藻細(xì)胞胞外多糖生成的影響通氣量/vvm0.40.60.81.1多糖產(chǎn)量/mg·L-128.237.762.663.4細(xì)胞多糖產(chǎn)量/mg·g-1DW38.246.261.163.3攪拌槳葉尖速率對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和多糖積累的影響不同葉尖速率下發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)曲線

不同葉尖速率下發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)速率及培養(yǎng)16d細(xì)胞干重葉尖速率/m·s-10.30.50.81.01.5細(xì)胞生長(zhǎng)速率/OD750·d-10.0270.0350.0430.0400.039細(xì)胞干重/g·L-10.9061.0241.1331.0620.61220μmABCDEA:0.3m·s-1B,C:0.5m·s-1D:0.8m·s-1,1.0m·s-1

E:1.5m·s-1

不同攪拌槳葉尖速率下培養(yǎng)16d發(fā)狀念珠藻細(xì)胞形態(tài)

不同葉尖速率下培養(yǎng)16d發(fā)狀念珠藻細(xì)胞多糖產(chǎn)量葉尖速率/m·s-10.30.50.81.01.5EPS產(chǎn)量/mg·L-138.762.6205.1203.8121.4CPS產(chǎn)量/mg·g-1147.2136.449.643.218.7TPS產(chǎn)量/mg·L-1172.6201.7261.1249.6132.8細(xì)胞TPS產(chǎn)量/mg·g-1189.7197.7231.1235.5217.7光照周期對(duì)于發(fā)菜細(xì)胞開放式懸浮培養(yǎng)的影響光照周期周期光照（12:12）全光照細(xì)胞產(chǎn)量（g/L）0.3970.455平均生長(zhǎng)速率（μgchla/L/d）0.1460.201三、開放式懸浮培養(yǎng)通氣量對(duì)于發(fā)菜細(xì)胞開放式懸浮培養(yǎng)的影響

初始液位對(duì)于發(fā)菜細(xì)胞開放式懸浮培養(yǎng)的影響

四、發(fā)狀念珠藻培養(yǎng)物成分分析及功能試驗(yàn)

發(fā)狀念珠藻多糖離子交換層析洗脫曲線

發(fā)狀念珠藻多糖凝膠層析洗脫曲線

發(fā)狀念珠藻細(xì)胞培養(yǎng)物和天然發(fā)狀念珠藻HPLC圖發(fā)狀念珠藻細(xì)胞與天然發(fā)狀念珠藻氨基酸含量/mg·g-1氨基酸種類發(fā)狀念珠藻細(xì)胞野生發(fā)狀念珠藻天門冬氨酸51.037.4蘇氨酸23.7—絲氨酸26.314.0甘氨酸14.99.8丙氨酸32.016.3纈氨酸22.014.8蛋氨酸3.915.6異亮氨酸29.314.7酪氨酸17.89.3賴氨酸18.712.3組氨酸11.811.2精氨酸15.09.2總量266.4164.6發(fā)狀念珠藻細(xì)胞培養(yǎng)物抗HSV-I試驗(yàn)樣品細(xì)胞毒性(CC50,μg·mL-1)抗HSV-I活性(IC50,μg·mL-1)選擇指數(shù)（CC50/IC50）ABAB培養(yǎng)液上清液31002.98.01100390細(xì)胞13000.9771130018A：樣品在病毒侵染1h后參加；B：樣品在病毒侵染同時(shí)參加發(fā)狀念珠藻細(xì)胞培養(yǎng)以游離的藻絲或細(xì)胞群體的狀態(tài)存在，不形成具有完整結(jié)構(gòu)的發(fā)狀念珠藻體，其如果能在接近自然生長(zhǎng)的固態(tài)培養(yǎng)條件下進(jìn)行生長(zhǎng)，將對(duì)于了解細(xì)胞生長(zhǎng)過程中的形態(tài)變化以及與液體培養(yǎng)的差異，實(shí)現(xiàn)從發(fā)狀念珠藻細(xì)胞到發(fā)狀念珠藻體的生長(zhǎng)過程，有重要意義。在荒漠化地區(qū)進(jìn)行發(fā)狀念珠藻細(xì)胞培養(yǎng)，不僅是低本錢獲取發(fā)狀念珠藻生物量的一種手段，也將對(duì)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有一定的改善作用。培養(yǎng)過程中一些人工管理手段的實(shí)施及發(fā)狀念珠藻細(xì)胞的生長(zhǎng)活動(dòng)，都將促使其生長(zhǎng)地的生態(tài)環(huán)境向良性化方向演替。五、發(fā)狀念珠藻細(xì)胞固態(tài)培養(yǎng)的初步研究枯燥發(fā)狀念珠藻細(xì)胞復(fù)水不同時(shí)間后光合和呼吸作用發(fā)狀念珠藻細(xì)胞耐熱性A,B:對(duì)照;C,D:50℃處理ABCD枯燥發(fā)狀念珠藻細(xì)胞不同溫度處理2h復(fù)水后熒光染色結(jié)果HGEF枯燥發(fā)狀念珠藻細(xì)胞不同溫度處理2h復(fù)水后熒光染色結(jié)果E,F:60℃處理;G,H:70℃處理枯燥發(fā)狀念珠藻細(xì)胞不同溫度處理2h復(fù)水后光合和呼吸速率沙粒上發(fā)狀念珠藻細(xì)胞的生長(zhǎng)曲線沙粒顆粒大小對(duì)發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)的影響

圖a、b、c中的培養(yǎng)皿上的沙粒大小分別為<0.44mm,0.44-0.95mm,>0.95mm

固態(tài)與液態(tài)培養(yǎng)發(fā)狀念珠藻細(xì)胞枯燥后復(fù)水呼吸作用與光合作用恢復(fù)比較

固態(tài)與液態(tài)培養(yǎng)發(fā)狀念珠藻細(xì)胞的耐熱性比較

發(fā)狀念珠藻細(xì)胞及培養(yǎng)液對(duì)于沙粒滲水性及持水性的影響

滲水性持水性五、發(fā)狀念珠藻細(xì)胞野外擴(kuò)大培養(yǎng)

時(shí)間：2005年6月20日至2005年11月30日

地點(diǎn)：寧夏銀川市賀蘭山東麓七、不同營(yíng)養(yǎng)模式對(duì)發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)的影響發(fā)狀念珠藻細(xì)胞的光合自養(yǎng)、混合營(yíng)養(yǎng)的生長(zhǎng)曲線細(xì)胞的形態(tài)和大小

A光合自養(yǎng)培養(yǎng)48h的發(fā)菜細(xì)胞B混養(yǎng)培養(yǎng)48h的發(fā)菜細(xì)胞C光合自養(yǎng)培養(yǎng)120h的發(fā)菜細(xì)胞D混養(yǎng)培養(yǎng)120h的發(fā)菜細(xì)胞ABCD室溫吸收光譜營(yíng)養(yǎng)模式對(duì)發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生長(zhǎng)與累積多糖的影響25℃45μmol·m-2·s-1培養(yǎng)7d□多糖■細(xì)胞培養(yǎng)基對(duì)發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生成胞外多糖的影響5d10d15d20d基礎(chǔ)培養(yǎng)基11.0240.3164.7768.47無氮基礎(chǔ)培養(yǎng)基68.3159.5481.10161.2含糖無氮基礎(chǔ)培養(yǎng)基182.6276.5879.62447〔mg/L〕八、小結(jié)1、可以進(jìn)行單體發(fā)狀念珠藻細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)，懸浮培養(yǎng)獲得的發(fā)狀念珠藻胞外多糖與天然發(fā)狀念珠藻水提多糖具有相似生理活性；并與野生發(fā)狀念珠藻和多糖具有相同的抗病毒活性。2、發(fā)狀念珠藻細(xì)胞可以在開放式〔深層或固態(tài)〕環(huán)境下單種培養(yǎng)。3、發(fā)狀念珠藻細(xì)胞可以在沙粒基質(zhì)上生長(zhǎng)形成細(xì)胞肉眼可見的細(xì)胞群落，并在沙?；|(zhì)上形成厚度約1mm的結(jié)皮。在半荒漠草原生態(tài)條件下，單體發(fā)狀念珠藻細(xì)胞可以存活并生長(zhǎng)，在5個(gè)月的培養(yǎng)周期中，發(fā)狀念珠藻細(xì)胞生物量增加約3～4倍。4、比較了不同生長(zhǎng)模式，混養(yǎng)培養(yǎng)可有效提高發(fā)狀念珠藻細(xì)胞及其多糖產(chǎn)量。8.4界面微生物生長(zhǎng)模型8.4.1界面的概念8.4.2界面與微生物8.4.3界面上絲狀真菌的生長(zhǎng)8.4.4界面微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型細(xì)菌纖維素的生物合成及其應(yīng)用網(wǎng)址://://一、根本概念

二、細(xì)菌纖維素的性質(zhì)

三、細(xì)菌纖維素的生物合成機(jī)制

四、細(xì)菌纖維素發(fā)酵

五、細(xì)菌纖維素的應(yīng)用

六、有待研究的問題

細(xì)菌合成纖維素是在1886年由Brown首次報(bào)道。他發(fā)現(xiàn)木醋桿菌〔Acetobacterxylinum〕在靜止培養(yǎng)時(shí)于培養(yǎng)基外表形成一層白色纖維狀物質(zhì)，經(jīng)化學(xué)與物理方法分析確定此類物質(zhì)具有纖維素的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)，因其屬細(xì)菌合成而命名為細(xì)菌纖維素。一、根本概念細(xì)菌纖維素與東方傳統(tǒng)發(fā)酵食品Bacterialcellulose在不同條件下，常見以下九個(gè)屬中的某些種的微生物合成纖維素，統(tǒng)稱為細(xì)菌纖維素。醋酸菌屬〔Acetobacter〕，典型的種有：Acetobacterxylinum木醋桿菌，Gluconobacteroxydans氧化葡糖桿菌土壤桿菌屬〔Agrobacterium〕假單胞桿菌屬〔Pseudomonas〕無色桿菌屬〔Achrombacter〕產(chǎn)堿桿菌屬〔Alcaligcncs〕氣桿菌屬〔Aerobacter〕固氮菌屬〔Azotobacter〕根瘤菌屬〔Rhizobium〕八疊球菌屬〔Sarcina〕細(xì)菌纖維素生產(chǎn)菌的特點(diǎn)菌種名稱產(chǎn)生纖維特點(diǎn)纖維素分析作用Acetobacter胞外膜，纖維束X-射線衍射；堿不溶；熒光分析；可被纖維素酶降解保持有氧環(huán)境，可利用天然底物Agrobacterium胞外微纖維X-射線衍射；堿不溶；熒光分析；可被纖維素酶降解吸附于植物組織Rhizobium胞外微纖維X-射線衍射；堿不溶；熒光分析；可被纖維素酶降解吸附于寄主植物Pseudomonas無明顯微纖維堿不溶；可被纖維素酶降解廢水中絮凝物Sarcina無定形纖維素堿不溶不明確二、細(xì)菌纖維素的性質(zhì)

細(xì)菌纖維素和植物或海藻產(chǎn)生的纖維素在化學(xué)性質(zhì)上是相同的。但細(xì)菌纖維素有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如：1、高結(jié)晶度、高化學(xué)純度；2、高抗張強(qiáng)度和彈性模量；3、很強(qiáng)的水結(jié)合性；4、極佳的形狀維持能力；5、較高的生物適應(yīng)性。細(xì)菌纖維素膜的形態(tài)細(xì)菌纖維素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)纖維素分子鏈間通過氫鍵交聯(lián)形成的網(wǎng)狀細(xì)菌纖維素微纖維或細(xì)纖維交織成特殊的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

細(xì)菌纖維素與其他纖維素的紅外光譜1、細(xì)菌纖維素；2、棉纖維；3、桑皮纖維；4、羧基纖維素X-射線衍射結(jié)果PeakNOOurexperimentsFontana2Thetad-valueIntensityI/I02Thetad-value114.566.08580810014.506.09216.605.3413582316.80-322.643.9257609922.763.90BCPre-treamentWashedwithdistilledwater,thenin0.1NNaOHat80℃for1hourOnlywashedwithdistilledwater細(xì)菌纖維素的固體CP/MAS13CNMR譜

X-射線衍射和CP/MAS13CNMR互補(bǔ)研究大分子聚合物的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)菌纖維素干膜的滲透性能

滲透性細(xì)菌纖維素干膜PVC膜PE膜GTR(O2),ml/(atm.day.m2)49918202900VTR(H2O),g/(m2.24h)180159.447.6

非極性氣體O2難于透過干膜，而極性的水蒸氣易于透過干膜。細(xì)菌纖維素干膜結(jié)構(gòu)致密，有大量的極性基團(tuán)。細(xì)菌纖維素膜的持水性三、細(xì)菌纖維素的生物合成機(jī)制

〔A.Xylinum細(xì)菌纖維素的生物合成〕葡萄糖的胞內(nèi)聚合分泌組裝結(jié)晶化這四個(gè)過程高度耦合，并和細(xì)胞膜上的特定位點(diǎn)密切相關(guān)木醋桿菌的糖類代謝途徑細(xì)菌纖維素合成的關(guān)鍵調(diào)控因子C-Di-GMP〔cyclicdi-GMP，環(huán)狀二鳥苷酸〕纖維素合成酶的變構(gòu)效應(yīng)物細(xì)菌纖維素合成的代謝調(diào)控細(xì)菌纖維素合成酶細(xì)菌纖維素合成酶細(xì)菌纖維素合成酶細(xì)菌纖維素的分泌、組裝和結(jié)晶化纖維素分子鏈

原細(xì)纖維

微纖維

細(xì)纖維微纖維分叉形成的可能機(jī)制四、細(xì)菌纖維素發(fā)酵

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的纖維素絲束和菌體菌體外表特征性皺紋沿菌體縱軸多股微纖絲聚集成一根纖維素絲束細(xì)菌纖維素流加發(fā)酵培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)裝置細(xì)菌纖維素的靜態(tài)發(fā)酵分批補(bǔ)料發(fā)酵與分批發(fā)酵的比較

分批發(fā)酵分批補(bǔ)料發(fā)酵細(xì)菌纖維素產(chǎn)量（g/L）3.4011.7糖轉(zhuǎn)化率（gg-1）0.1240.138發(fā)酵時(shí)間（d）820發(fā)酵液殘?zhí)牵╣/L）3.703.81反應(yīng)器效率(g/L·d)0.4250.585轉(zhuǎn)子流量計(jì)2.空氣過濾器3.膜過濾器4.支架5.恒溫水浴6.空氣分布器7.水夾套8.升氣筒III

不同形式發(fā)酵的結(jié)果細(xì)菌纖維素生物合成的代謝流分析代謝工程力圖從細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)系統(tǒng)著手來研究代謝狀況。其要解決的主要問題是改變某些途徑中的碳架物質(zhì)流量或者改變碳架物質(zhì)流在不同途徑中的流量分布。其目標(biāo)是修飾初級(jí)代謝，將碳架物質(zhì)流導(dǎo)入目的產(chǎn)物的載流途徑以獲得產(chǎn)物的最大轉(zhuǎn)化率。因此建立完整的細(xì)胞代謝“球形〞網(wǎng)絡(luò)，有助于從整體上研究菌體的發(fā)酵過程?；谖锪髌胶獾腗FA及其理論根底基于物流平衡的MFA，不需要復(fù)雜的設(shè)備，相比照較簡(jiǎn)單，根據(jù)代謝路徑中各生化反響的計(jì)量關(guān)系，通過測(cè)定細(xì)胞外代謝物及菌體組成來計(jì)算整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)的代謝流分布。該方法的根底是擬穩(wěn)態(tài)假設(shè)：假設(shè)細(xì)胞內(nèi)的中間代謝物均處于擬穩(wěn)態(tài)，即其濃度變化速率為0。本文采用JosephJ.Vallino的方法[5]，根據(jù)物流平衡計(jì)算代謝物的積累速率，有：AcetobacterxylinumM12合成細(xì)菌纖維素的代謝網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

為了降低代謝網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和減少代謝流量平衡方程，構(gòu)建Acetabacterxylinum代謝網(wǎng)絡(luò)時(shí)作了以下假設(shè)和簡(jiǎn)化：〔1〕

HMP途徑和TCA循環(huán)中的異檸檬酸脫氫酶反響是產(chǎn)生NADPH的主要途徑。產(chǎn)生的NADPH主要用于生物合成，而沒有進(jìn)入線粒體氧化；〔2〕

為減少代謝網(wǎng)絡(luò)中的反響數(shù)目，將直線性反響〔無代謝分支的反響〕歸為一個(gè)代謝庫(kù)〔Metabolicpool〕，例如：反響T3PPGP3PGPEP，可簡(jiǎn)化為T3PPEP，這樣幾個(gè)反響就簡(jiǎn)化為一個(gè)反響，從而減少了模型的復(fù)雜程度；〔3〕

對(duì)于相互轉(zhuǎn)化的兩種物質(zhì)A和B〔沒有第三種物質(zhì)參與〕模型中用一種物質(zhì)C表示，例如DHAP和G3P用T3P表示。由于6－磷酸果糖激酶〔PFK〕缺乏或PFK的活性很低，在構(gòu)建代謝網(wǎng)絡(luò)時(shí)忽略了F6PT3P的反響。

確定計(jì)量系數(shù)時(shí)遵循以下原那么：〔1〕“反響為負(fù)，生成為正〞的原那么。以5-磷酸核糖為例〔見圖5－1〕，反響方程中5-磷酸核糖假設(shè)作為反響物，那么其系數(shù)為負(fù)；假設(shè)5-磷酸核糖作為生成物，那么其系數(shù)為正；假設(shè)無5-磷酸核糖那么其系數(shù)為零?！?〕“1C-mol為基準(zhǔn)〞的原那么。含碳化合物計(jì)量系數(shù)的代數(shù)值是以1C-mol通量為基準(zhǔn)確定的。例如在r8中，雖然1molF6P生成2molT3P，但碳通量未變，因此在該反響中F6P的系數(shù)為－1，T3P的系數(shù)那么為＋1。采用MFA計(jì)算代謝通量，必須對(duì)系統(tǒng)作擬穩(wěn)態(tài)假設(shè)，即假設(shè)胞內(nèi)中間代謝產(chǎn)物均處于擬穩(wěn)態(tài)，考慮到中間代謝物的過渡態(tài)相對(duì)于菌體生長(zhǎng)速率和宏觀操作條件的變化更為迅速，相對(duì)于菌體生長(zhǎng)和發(fā)酵過程的過渡態(tài)而言，胞內(nèi)中間物質(zhì)的量相對(duì)不變，其累積速率為零。即Ar=05-5可以看出，矩陣中未知數(shù)為28，方程數(shù)為24，方程自由度為4，即需測(cè)定4個(gè)速率方程可確定代謝網(wǎng)絡(luò)中的流量分布。在發(fā)酵過程中，底物和產(chǎn)物這些與環(huán)境有交換的物質(zhì)，它們的消耗或積累速率可以通過胞外在線或離線方法測(cè)量得到，將其對(duì)時(shí)間微分即可求得各物質(zhì)的代謝速率。將該速率作為參量，代入上述代謝流平衡模型即可求得代謝流分布。細(xì)菌纖維素生物合成的代謝流分布代謝流分析第一階段，發(fā)酵前期〔0－4天〕菌體和細(xì)菌纖維素的大量合成時(shí)期，菌體的代謝流r28為15.60，生成細(xì)菌纖維素的代謝流r20為18.30，菌體生長(zhǎng)需要大量核酸、蛋白質(zhì)、脂肪、一些小分子中間代謝物、復(fù)原力NADPH和主要由TCA循環(huán)提供的NADH及FADH2，此時(shí)的細(xì)菌纖維素的生物合成的速度也較快。說明細(xì)菌纖維素的生物合成與菌體的生長(zhǎng)密切相關(guān)，但菌體的生長(zhǎng)也是以消耗葡萄糖為前提的。因此，提高細(xì)菌纖維素產(chǎn)率的同時(shí)必須考慮菌株的生長(zhǎng)。此結(jié)論與AtsushiIshikawa［6］的研究報(bào)道相同。如何控制r2和r20的比值，即既能滿足菌體大量生長(zhǎng)所需要的能量、復(fù)原力、核酸、蛋白質(zhì)、脂肪和一些小分子中間代謝物，又能有較多的G6P流向細(xì)菌纖維素的合成是今后要探討的重要問題。第二階段，發(fā)酵后期〔4－8天〕菌體生長(zhǎng)減慢，同時(shí)細(xì)菌纖維素的合成速度也減慢。菌體的代謝流r28為1.90，生成細(xì)菌纖維素的代謝流r20為7.50。此時(shí)已發(fā)生代謝流遷移現(xiàn)象即代謝流重新分配，碳架被逐漸導(dǎo)向一些副產(chǎn)物的合成，例如AC的代謝流r11前期是0.73，后期是7.50。因此如能從遺傳角度和發(fā)酵控制方面使副產(chǎn)物的生成減少，就能到達(dá)代謝流遷移的目的，從而增大合成細(xì)菌纖維素的代謝流。HMP循環(huán)r2(208.09)也大于發(fā)酵前期代謝流分配〔183.55〕，有關(guān)TCA循環(huán)的代謝流r13～r18都大于發(fā)酵前期的代謝流，這樣通過HMP循環(huán)和TCA循環(huán)產(chǎn)生的能量可能有大量的無效循環(huán)，具體的能量產(chǎn)生途徑通量分布有待進(jìn)一步研究和探討。BC發(fā)酵前期G6P節(jié)點(diǎn)流量分析誘人的商業(yè)潛力細(xì)菌纖維素已商品化，或已獲取利，或始廣泛使用的領(lǐng)域，包括：

音響振動(dòng)材料，SONY(JAN),AJINOMOTO(JAN),US5274199…

生物腸衣和臨時(shí)皮膚替代物，Weyerhaeuser(US),CetusCorp(US),商品名Cellulon

紡織品的強(qiáng)化纖維Dupont

高級(jí)功能紙張的添加劑JP8049188A2…

食品工業(yè)，如：低卡路里的膨脹劑和穩(wěn)定劑，新型發(fā)酵飲料專利申請(qǐng)?zhí)?9109800.5五、細(xì)菌纖維素的應(yīng)用在造紙工業(yè)中的應(yīng)用

隨著對(duì)細(xì)菌纖維素的深入研究，細(xì)菌纖維素在特種紙或功能紙中應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。從已開展的應(yīng)用工作來看，不必采用特殊的添加方法，就可開發(fā)出簡(jiǎn)單的細(xì)菌纖維素添料紙。造紙實(shí)驗(yàn)紙張強(qiáng)度性能測(cè)定定量抗張強(qiáng)度，裂斷長(zhǎng)撕裂度耐破度透氣度葦漿配加細(xì)菌纖維素，抄紙葦漿配加細(xì)菌纖維素，抄紙葦漿配加細(xì)菌纖維素對(duì)紙張強(qiáng)度的影響

紙樣BC添加比例（%）定量g/m2裂斷長(zhǎng)m耐破指數(shù)kPa.m2/g撕裂指數(shù)mN.m2/g透氣度ml/minA0036.643701.23.8-A2237.951001.33.9177A101038.548501.34.0111A404042.656301.94.265葦木混合漿(9:1)配加細(xì)菌纖維素，抄紙

葦木混合漿(9:1)配加細(xì)菌纖維素對(duì)強(qiáng)度的影響

紙樣BC添加比例（%）定量g/m2裂斷長(zhǎng)m耐破指數(shù)kPa.m2/g撕裂指數(shù)mN.m2/g透氣度ml/minB0043.545401.44.7-B5544.643901.35.2-B101043.948901.44.7364B151543.642001.44.6273B202045.148801.64.9240葦漿中分別配加(10%)木漿和細(xì)菌纖維對(duì)紙張強(qiáng)度的影響細(xì)菌纖維對(duì)葦漿紙張強(qiáng)度的影響葦漿紙張強(qiáng)度隨著細(xì)菌纖維配加量的增加而顯著增大，透氣度明顯下降。這可能是因?yàn)椋?)細(xì)菌纖維素的微纖維交織成特殊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有較大外表積，增加氫鍵作用位點(diǎn)，增大纖維間的結(jié)合力；2)細(xì)菌纖維本身有較大的強(qiáng)度。纖維內(nèi)與纖維間的氫鍵紙張強(qiáng)度首先取決于纖維相互間的結(jié)合力和纖維本身的強(qiáng)度。細(xì)菌纖維素的微纖維交織成特殊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有較大外表積，增加氫鍵作用位點(diǎn)，增大纖維間的結(jié)合力，提高紙張的抗張強(qiáng)度。在醫(yī)學(xué)材料中的應(yīng)用改進(jìn)細(xì)菌纖維素物理化學(xué)性質(zhì)、機(jī)械性能和生物醫(yī)學(xué)的測(cè)試結(jié)果說明它具有一些良好的獨(dú)特性質(zhì)，如生物活性〔bioactivity〕、生物可降解性、生物適應(yīng)性和無過敏反響，尤其是良好的機(jī)械韌性，有可能作為新型的生物醫(yī)學(xué)材料。大鼠傷后不同時(shí)間傷口愈合率組別術(shù)后時(shí)間（天）4（n=30）7（n=24）14（n=18）21（n=12）28（n=6）對(duì)照組2.63

1.823.83

1.8415.28

6.3340.96

5.4294.67

2.02治療組2.32.

1.734.17

2.2114.54

5.8550.60

4.38#96.35

1.89細(xì)菌纖維素對(duì)大鼠皮膚創(chuàng)傷促愈作用的實(shí)驗(yàn)研究細(xì)菌纖維素膜對(duì)深Ⅱ度燒傷大鼠皮膚治療作用的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)深Ⅱ度燒傷促進(jìn)愈合作用不顯著，與文獻(xiàn)報(bào)道不符，分析其原因，可能是所用燒傷動(dòng)物模型更適于暴露療法，創(chuàng)面局部有焦痂組織阻礙細(xì)菌纖維素與創(chuàng)面直接接觸，影響發(fā)揮作用有關(guān)。為此，本實(shí)驗(yàn)擬采用缺損性皮膚創(chuàng)傷的動(dòng)物模型做進(jìn)一步的探討。大鼠傷后不同時(shí)間傷口愈合率組別術(shù)后時(shí)間（d）47142128對(duì)照組5.63

1.6411.83

1.9455.28

6.6378.73

6.2493.67

6.33治療組5.32.

1.8216.17

2.14*70.54

6.35#92.60

5.62#100.00

0.00#皮下埋植細(xì)菌纖維素膜的實(shí)驗(yàn)研究

以上實(shí)驗(yàn)說明細(xì)菌纖維素膜能促進(jìn)皮膚損傷的愈合，具有一定的治療作用，有可能成為一種臨時(shí)皮膚代用品和有應(yīng)用潛力的生物敷料。隨著組織工程學(xué)的逐漸興起，有必要探討細(xì)菌纖維素膜作為皮膚組織工程材料——人工真皮的可能性。小結(jié)細(xì)菌纖維素膜在一定程度上具有促進(jìn)燒傷傷口愈合的作用，組織學(xué)觀察治療組與對(duì)照組病理?yè)p害和愈合程度，在各觀察時(shí)點(diǎn)均無明顯差異，炎癥反響與創(chuàng)面感染情況也沒有差異。組織學(xué)切片顯示，細(xì)菌纖維素膜可允許成纖維細(xì)胞和毛細(xì)血管逐漸長(zhǎng)入。說明細(xì)菌纖維素膜對(duì)皮膚創(chuàng)傷性損傷具有一定的治療作用。細(xì)菌纖維素膜異物反響差，有利于血管和細(xì)胞的長(zhǎng)入，有可能成為皮膚組織工程的材料在食品工業(yè)中的應(yīng)用細(xì)菌纖維素具有很強(qiáng)的親水性、持水性、凝膠特性、穩(wěn)定性及完全不被人體消化的特點(diǎn)，使之成為一種很具吸引力的食品基料，可作為增稠劑應(yīng)用于食品工業(yè)中，也可作為固體食品的成型劑、分散劑和結(jié)合劑等。紅茶菌是以茶葉浸出液通過發(fā)酵制成的一種保健飲料。在培養(yǎng)紅茶菌的過程中，在汁液的外表形成一層膠狀液膜，其主要成分是細(xì)菌纖維素。納塔是一種由微生物經(jīng)液態(tài)發(fā)酵形成于液體外表的凝膠膜狀物，主要成分是纖維素。

在高級(jí)音響設(shè)備振動(dòng)膜上的應(yīng)用細(xì)菌纖維素高純度〔100%〕、高結(jié)晶度、高聚合度和優(yōu)良的分子取向，高機(jī)械強(qiáng)度、經(jīng)熱壓處理后，楊氏模數(shù)可達(dá)30Gpa，比有機(jī)合成纖維的強(qiáng)度高4倍，可滿足當(dāng)今頂級(jí)音響設(shè)備聲音振動(dòng)膜材料所需的對(duì)聲音振動(dòng)傳遞快和內(nèi)耗高的特性要求。細(xì)菌纖維素振動(dòng)膜的優(yōu)異特性主要是其極細(xì)的高純度纖維素組成的超密結(jié)構(gòu)，經(jīng)熱壓處理制成了具有層狀結(jié)構(gòu)的膜，使其楊氏模量和機(jī)械強(qiáng)度大幅度提高。六、有待研究的問題1、基因改造與表型或產(chǎn)物分泌狀態(tài)的研究以及基因水平分子動(dòng)力學(xué)研究：〔1〕通過基因改造，分析基因與表型或產(chǎn)物分泌狀態(tài)之關(guān)系，〔2〕通過基因與代謝調(diào)控研究，建立細(xì)菌纖維素生物合成模型。8.5雙液相生物反響進(jìn)展8.5.1雙液相酶促反響的進(jìn)展8.5.2雙液相發(fā)酵的進(jìn)展一

實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?shí)驗(yàn)原理三

實(shí)驗(yàn)裝置與流程四實(shí)驗(yàn)步驟及方法一實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?shí)驗(yàn)原理與經(jīng)典的非結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型相比〔1〕神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的根本原理〔2〕MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)〔3〕建模過程中的幾個(gè)關(guān)鍵問題圖3.1-5主監(jiān)控界面研究?jī)?nèi)容之三3．3聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化3.3.1聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模方法3.3.2基于三底物限制的聚賴氨酸發(fā)酵過程解析式軟測(cè)量模型3.3.3聚賴氨酸發(fā)酵過程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型3.3.4聚賴氨酸發(fā)酵過程操作變量的優(yōu)化控制3.3.5小結(jié)引論聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化3.3.1聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模方法①建模的目的②解析式軟測(cè)量模型建模方法③BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模方法聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化建模的目的聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化解析式軟測(cè)量模型建模方法解析式軟測(cè)量模型通過多元非線性回歸分析方法，以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、發(fā)酵機(jī)理為根底，采用了三底物限制的Monod方程結(jié)構(gòu)，建立了由在線可測(cè)參數(shù)DO、pH、攪拌速率以及初始糖濃度對(duì)殘?zhí)恰⒕w和產(chǎn)物濃度進(jìn)行估計(jì)并受基質(zhì)糖濃度DO、pH三底物限制的解析式方程。聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))模型是通過一組網(wǎng)絡(luò)權(quán)值w和閥值b矩陣來描述輸入與輸出的關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算輸出為殘?zhí)恰⒕w和產(chǎn)物濃度K時(shí)刻的估計(jì)值，網(wǎng)絡(luò)的輸入是在線可測(cè)參數(shù)或K-1時(shí)刻的化驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)輸入是否包含化驗(yàn)參數(shù)分為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測(cè)量模型和預(yù)估模型。聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化圖3．3-1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模優(yōu)點(diǎn)一是模型容量大，在合理的選擇隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)前提下，參與訓(xùn)練的樣本數(shù)可以到幾十個(gè)批次甚至幾百個(gè)批次的發(fā)酵數(shù)據(jù)；二是無需發(fā)酵機(jī)理知識(shí)，只要模型所含各種發(fā)酵條件下的樣本數(shù)足夠多，就能夠到達(dá)較滿意的驗(yàn)證效果。聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模缺點(diǎn)發(fā)酵過程是一個(gè)時(shí)序過程有很強(qiáng)的滯后，K時(shí)刻的發(fā)酵狀態(tài)不僅取決于K時(shí)刻的發(fā)酵條件，而且與K時(shí)刻之前的發(fā)酵條件有關(guān)，相比之下解析式模型較容易描述一個(gè)時(shí)序過程，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型卻難以描述。聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合預(yù)估模型的輸入不僅含有在線可測(cè)參數(shù)和K-1時(shí)刻的離線化驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且運(yùn)用了被解析式模型驗(yàn)證了的簡(jiǎn)單的且具有一般性的機(jī)理知識(shí)。比方DO的消耗量〔100-DO〕對(duì)時(shí)間的積分值是解析式軟測(cè)量模型估計(jì)殘?zhí)菨舛鹊闹匾囗?xiàng)式，可以把它作為一個(gè)輸入數(shù)據(jù)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合預(yù)估模型。當(dāng)訓(xùn)練樣本數(shù)較少時(shí)可采用混合預(yù)估模型。聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化3.3.2基于三底物限制的聚賴氨酸

發(fā)酵過程解析式軟測(cè)量模型①發(fā)酵條件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)②基于基質(zhì)糖濃度DO、pH三底物限制的聚賴氨酸分批發(fā)酵解析式軟測(cè)量模型③結(jié)果討論聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化發(fā)酵條件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化基于基質(zhì)糖濃度DO、pH三底物限制的

聚賴氨酸分批發(fā)酵解析式軟測(cè)量模型殘?zhí)菨舛裙烙?jì)軟測(cè)量模型：基于基質(zhì)糖濃度DO、pH三底物限制的

聚賴氨酸分批發(fā)酵解析式軟測(cè)量模型菌體濃度估計(jì)軟測(cè)量模型：基于基質(zhì)糖濃度DO、pH三底物限制的

聚賴氨酸分批發(fā)酵解析式軟測(cè)量模型產(chǎn)物濃度估計(jì)軟測(cè)量模型：3.3.3聚賴氨酸發(fā)酵過程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型①發(fā)酵條件和樣本數(shù)據(jù)②聚賴氨酸發(fā)酵過程的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測(cè)量模型③聚賴氨酸發(fā)酵過程的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)估模型④聚賴氨酸發(fā)酵過程的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合預(yù)估模型聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化發(fā)酵條件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化聚賴氨酸發(fā)酵過程的

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測(cè)量模型輸入層、隱層、輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)：[7，12，1]；學(xué)習(xí)次數(shù)：120萬次；學(xué)習(xí)速率=0.1。模型輸入：u=[t；pH；DO；pH_1；DO_1；DO_2；VV]T模型輸出：殘?zhí)悄Ｐ洼敵鰹镵時(shí)刻的殘?zhí)枪烙?jì)值，菌體模型輸出為K時(shí)刻的菌體估計(jì)值，產(chǎn)物模型輸出為K時(shí)刻的產(chǎn)物估計(jì)值。聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化軟測(cè)量模型訓(xùn)練結(jié)果圖3．3-6聚發(fā)酵〔1〕200rpm、pH不控制，S、X估計(jì)值與化驗(yàn)值的比較圖3．3-7聚發(fā)酵〔5〕350rpm、pH=3.0，S、P估計(jì)值與化驗(yàn)值的比較圖3．3-8聚發(fā)酵〔7〕350rpm、pH=5.0，S、P估計(jì)值與化驗(yàn)值的比較訓(xùn)練誤差以平均絕對(duì)誤差表示，殘?zhí)悄Ｐ陀?xùn)練誤差：0.0894；菌體模型訓(xùn)練誤差：0.1308；產(chǎn)物模型訓(xùn)練誤差：0.0292。軟測(cè)量模型驗(yàn)證結(jié)果圖3．3-10驗(yàn)證樣本聚發(fā)酵〔9〕350rpm、pH=4.3，S、X估計(jì)與化驗(yàn)值的比較圖3．3-9驗(yàn)證樣本聚發(fā)酵〔3〕400rpm、pH不控制，S、P估計(jì)與化驗(yàn)值的比較聚賴氨酸發(fā)酵過程的建模與優(yōu)化聚賴氨酸發(fā)酵過程的

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)估模型輸入層、隱層、輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)：[7，9，1]；學(xué)習(xí)次數(shù)：40萬次；學(xué)習(xí)速率=0.1。模型輸入：u=[t；X；S；P]T，分別為K時(shí)刻的發(fā)酵時(shí)間/h、菌體/g/L、殘?zhí)?%、產(chǎn)物濃度/g/L的離線化驗(yàn)值。模型輸出：殘?zhí)悄Ｐ洼敵鰹镵+1時(shí)刻的殘?zhí)穷A(yù)估值，菌體模型輸出為K+1時(shí)刻