發(fā)酵過程優(yōu)化與控制技術(shù)研究

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1、發(fā)酵過程優(yōu)化與控制技術(shù)研究堵國成江南大學(xué)gcdu@jiangnan.edu.cn1生物質(zhì)原料化學(xué)品－精細(xì)化學(xué)品－大宗化學(xué)品－食品添加劑－生物塑料－溶劑－酚類－粘合劑－脂肪酸－碳黑、顏料－燃料、香料、墨水－洗滌劑生物能源－生物酒精－生物柴油－甲醇－氫氣－沼氣工業(yè)生物技術(shù)主要部分--發(fā)酵工程2獲得應(yīng)用價值的微生物反應(yīng)器及過程放大發(fā)酵過程優(yōu)化和控制發(fā)酵工程研究發(fā)酵產(chǎn)物分離提取3發(fā)酵工程的關(guān)鍵問題和工程意義微生物能夠積累最大目的產(chǎn)物(產(chǎn)量)的條件是什么？高產(chǎn)量?便于產(chǎn)品分離提取關(guān)鍵問題1工程意義1相關(guān)研究：微生物生理、遺傳特性和營養(yǎng)、環(huán)境因素4底物最多被微生物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物(轉(zhuǎn)化率)的條件

2、是什么？糧食原料為底物?高轉(zhuǎn)化率?降低原料成本關(guān)鍵問題2工程意義2相關(guān)研究：微生物代謝途徑和過程條件發(fā)酵工程的關(guān)鍵問題和工程意義5微生物最快速度發(fā)酵生產(chǎn)目的產(chǎn)物的條件是什么？分批操作為主?高生產(chǎn)強度?縮短生產(chǎn)周期工程意義3關(guān)鍵問題3相關(guān)：微生物反應(yīng)動力學(xué)和系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)酵工程的關(guān)鍵問題和工程意義6條件確定過程優(yōu)化初始條件過程分析過程強化發(fā)酵優(yōu)化的研究思想：發(fā)酵是一個過程7基于細(xì)胞表觀特性進(jìn)行優(yōu)化0481216t/hd(DCW)/(g/L)A020406080100120140t/hr(Glucose)/(g/L)B02040608001020304050607080t/hr(Pyru

3、vate)/(g/L)C基于細(xì)胞內(nèi)部分析進(jìn)行優(yōu)化高產(chǎn)量高底物轉(zhuǎn)化率高生產(chǎn)強度優(yōu)化策略在理論和技術(shù)上有突破，在工業(yè)生產(chǎn)中能廣泛應(yīng)用顯著提高發(fā)酵過程的經(jīng)濟性和科學(xué)性研究方法81基于微生物反應(yīng)原理的培養(yǎng)環(huán)境優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化微生物生長的物理和化學(xué)環(huán)境保證微生物生長處于最適條件基本思想奠定基礎(chǔ)基于底物運輸、生化反應(yīng)、產(chǎn)物排出確定不同環(huán)境條件對微生物生長和代謝產(chǎn)物分布的影響Prod.Distribution發(fā)酵優(yōu)化技術(shù)9●培養(yǎng)基組成的優(yōu)化技術(shù)●發(fā)酵環(huán)境條件的優(yōu)化技術(shù)●確定培養(yǎng)基組分的最小用量，避免底物的過量或不足●減少副產(chǎn)物的形成，使底物轉(zhuǎn)化率明顯提高●對關(guān)鍵物質(zhì)的濃度及其供給方式進(jìn)行優(yōu)化，使目

4、標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量明顯提高●分析不同環(huán)境條件下微生物的生理學(xué)目的內(nèi)容102基于微生物代謝特性的分階段培養(yǎng)技術(shù)研究思想控制環(huán)境條件在最適合細(xì)胞生長或最適合產(chǎn)物合成的水平目的分析不同T、pH、RPM、DO發(fā)酵過程的動力學(xué)參數(shù)(μ，qp，qs)流變學(xué)參數(shù)的變化特性分階段控制策略提出分階段T、pH、RPM、DO發(fā)酵優(yōu)化技術(shù)113基于反應(yīng)動力學(xué)和人工智能的優(yōu)化和控制技術(shù)研究思想建立動力學(xué)模型，求解參數(shù)并評價其適用性對發(fā)酵進(jìn)程和產(chǎn)量指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測ModelFormMonodConstantyieldu=umaxs/(Km+s)Yx/s=Y0SubstrateinhibitionConstantyiel

5、du=umaxs/(Km+s+s2/Ki)Yx/s=Y0SubstrateinhibitionVariableyieldu=umaxs(1-–T.s)/(Km+s+s2/Ki)Yx/s=Y0(1-–T.s)/(1+R.s+G.s2)SubstrateandproductinhibitionInhibitionsConstantsyieldsu=umaxs/(Km+s+s2/Ki)u=umaxo(1-–P/Pm)qp=alpha.u+betaalpha,betaandYp/s以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的優(yōu)化優(yōu)化發(fā)酵過程發(fā)酵優(yōu)化技術(shù)12以生理模型為基礎(chǔ)的優(yōu)化采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊邏輯

6、控制技術(shù)對發(fā)酵過程進(jìn)行在線狀態(tài)預(yù)測和模式識別自適應(yīng)最優(yōu)化控制系統(tǒng)的開發(fā)、計算機模擬和實際應(yīng)用134基于代謝通量分析的過程優(yōu)化技術(shù)研究思想?yún)⒖家阎纳磻?yīng)計量關(guān)系、代謝途徑、生理、特征，構(gòu)建、合成不同產(chǎn)物的代謝網(wǎng)絡(luò)。利用代謝通量分析方法，計算得出胞內(nèi)各條代謝途徑的通量變化。發(fā)酵優(yōu)化技術(shù)14分析不同發(fā)酵產(chǎn)品合成途徑中主要代謝節(jié)點的性質(zhì)，結(jié)合發(fā)酵過程中胞內(nèi)能量代謝情況，提出一系列發(fā)酵優(yōu)化策略。目的15長期脅迫－可遺傳性的應(yīng)答（遺傳變異）短期脅迫－不可遺傳性的應(yīng)答（生理性的)PyruvateNAD+NADHADPATPethanolAnaerobicAerobicMitochondri

7、onATP環(huán)境壓力或脅迫饑餓、高溫、高壓、機械剪切、冷凍、強酸、強堿、高滲透壓（高鹽）、活性氧、有毒化學(xué)物質(zhì)等細(xì)胞結(jié)構(gòu)、基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)的臨時改變，酶原的激活以及代謝途徑的臨時調(diào)整等5基于環(huán)境脅迫條件下微生物生理應(yīng)答的過程優(yōu)化技術(shù)發(fā)酵優(yōu)化技術(shù)16研究一些重要的工業(yè)微生物的抗脅迫因子及其抗脅迫機制，考察環(huán)境脅迫條件下特定微生物蛋白轉(zhuǎn)錄和代謝途徑變化，采用不同環(huán)境脅迫手段或措施對微生物的生長或代謝進(jìn)行調(diào)控，促進(jìn)微生物生長或大量合成目的產(chǎn)物。學(xué)術(shù)思想17學(xué)術(shù)思想6基于微生物代謝的輔因