发酵过程优化与控制技术研究

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发酵过程优化与控制技术研究

堵国成 江南大学 gcdu@

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工业生物技术主要部分--发酵工程 工业生物技术主要部分 发酵工程

生物能源 -生物酒精 生物酒精 -生物柴油 -甲醇 -氢气 -沼气 化学品 -精细化学品 精细化学品 -大宗化学品 -食品添加剂 -生物塑料 -溶剂 -酚类 -粘合剂 -脂肪酸 碳黑、 -碳黑、颜料 燃料、香料、 -燃料、香料、墨水 -洗涤剂

生物质原料

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发酵工程研究获得应用价值的微生物

反应器及过程放大

Feed ve ssel A D co n verter F eed vo lu m e A g itatio n sp eed B a lan ce P C o n tro ller O2 an alyz er CO2 an alyze r pH m eter Tem p . co n tro l system T h erm o m eter DO sen so r C ell sen so r G as flo w co n tro ller co n c. C o n tro l sig n al P A cid /b ase vo lu m e C ell co n c. CO2 p ressu re pH Tem p . DO co n c. C ell co n c. In terface W o rk statio n P rin ter

Pum p

P erso n al co m p u ter

发酵产物分离提取

发酵过程优化和控制

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发酵工程的关键问题和工程意义关键问题1 关键问题微生物能够积累最大目的产物 是什么？ (产量 的条件是什么？ 产量)的 产量 条件是什么

工程意义1 工程意义高产量 便于产品分离 提取

相关研究：微生物生理、遗传特性和营养、环境因素4

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发酵工程的关键问题和工程意义关键问题2 关键问题 工程意义2 工程意义底物最多被微生物转化为产物 粮食原料为底物 高转化率 (转化率 的条件是什么？ 转化率)的 是什么？ 转化率 条件是什么 降低原料成本

相关研究：微生物代谢途径和过程条件

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发酵工程的关键问题和工程意义关键问题3 关键问题 工程意义3 工程意义微生物最快速度发酵生产目的 分批操作为主 高生产强度 产物的条件是什么？ 条件是什么 产物的条件是什么？ 缩短生产周期Fe e d ve sse l A D c o n v e rte r F e e d v o lu m e A g ita tio n s p e e d B a la n c e P C o n tro lle r O2 a n a ly z e r CO2 a n a ly z e r pH m e te r Te m p . c o n tro l s y s te m T h e rm o m e te r DO sensor C e ll sensor G a s f lo w c o n tro lle r conc. C o n tro l s ig n a l P A c id /b a s e v o lu m e C e ll conc. CO2 p r e s s u re pH Tem p . DO conc. C e ll conc. In te rf a c e W o r k s ta tio n P r in te r

Pum p

P e rs o n a l c o m p u te r

相关：微生物反应动力学和系统优化

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发酵优化的研究思想： 发酵优化的研究思想：发酵是一个过程条件 确定 初始 条件 过程 分析 过程 强化 过程 优化

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研究方法基于细胞表观特性进行优化16

基于细胞内部分析进行优化优化策略

δ (DCW) / (g/L)

12 8 4 0 140

A

高产量t /h

ρ (Glucose) / (g/L)

120 100 80 60 40 20 0 80

B

ρ (Pyruvate) / (g/L)

t /h 60 40 20 0 0 10 20 30 40 t/h 50 60 70 80

高底 物转 化

率C

高生 产强 度

在理论和技术上有突破， 在理论和技术上有突破，在工业生产中能广泛应用 显著提高发酵过程的经济性和科学性

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发酵优 化技术 1 基于微生物反应原理的培养环境优化技术

基本思想基于底物运输、生化反应、 基于底物运输、生化反应、产物排出 底物运输 确定不同环境条件对微生物生长 确定不同环境条件对微生物生长 和代谢产物分布的影响 优化微生物生长的物理和化学环境 优化微生物生长的物理和化学环境 保证微生物生长处于最适条件 保证微生物生长处于最适条件 奠定基础

Prod. Distribution

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内容 ●培养基组成的优化技术 ●发酵环境条件的优化技术 目的 ●确定培养基组分的最小用量，避免底物的过量或不足 确定培养基组分的最小用量， 减少副产物的形成， ●减少副产物的形成，使底物转化率明显提高对关键物质的浓度及其供给方式进行优化， ●对关键物质的浓度及其供给方式进行优化，使目标产 物产量明显提高

●分析不同环境条件下微生物的生理学10

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发酵优 2 基于微生物代谢特性的分阶段培养技术 化技术 研究思想 发酵过程的动力学参数(µ, 发酵过程的动力学参数 ， 不同T、 、 不同 、pH、 分 qp,qs) , RPM、DO 、 析 流变学参数的变化特性 提 出 分阶段T、 分阶段 、 pH、RPM、 、 、 DO

分阶段控制策略

目 的

控制环境条件在最适合细胞生长或最适 合产物合成的水平11

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发酵优 化技术 3 基于反应动力学和人工智能的优化和控制技术 研究思想 以数学模型为基础的优化 建立动力学模型，求解参 建立动力学模型， 数并评价其适用性 优化发酵过程 对发酵进程和产量 指标进行预测 Model Monod Constant yield Substrate inhibition Constant yield Substrate inhibition Variable yield Substrate and product inhibition Inhibitions Constants yields Form u = umax s/(K m + s) Y x/s = Y0 u = umax s/(Km + s + s2/Ki) Y x/s = Y0 u = umax s (1 -– T. s)/(K m + s + s2/Ki) Y x/s = Y0 (1 -– T. s)/(1 + R. s + G. s2) u = umax s/(Km + s + s2/Ki) u = umax o (1 -– P/P m ) q p = alpha. u+ beta alpha, beta and Y p/s12

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以生理模型为基础的优化

采用人工神经网络、 采用人工神经网络、专家系 统、模糊逻辑控制技术

对发酵过程 进行在线状 态预测和模 式识别

自适应最优 化控制系统 的开发、 的开发、计 算机模拟和 实际应用13

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发酵优 4 基于代谢通量分析的过程优化技术 化技术 研究思想参考已知的生化反应计量关系、 已知的生化反应计量关系、 代谢途径、生理、特征，构建、 代谢途径、生理、特征，构建、 合成不同产物的代谢网络 合成不同产物的代谢网络。

利

用代谢通量分析方法，计算得 利用代谢通量分析方法，计算得 代谢通量分析方法 出胞内各条代谢途径的通量变化 出胞内各条代谢途径的通量变化。

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目的分析不同发酵产品合成途径中主要代谢节点的性质， 分析不同发酵产品合成途径中主要代谢节点的性质， 不同发酵产品合成途径中主要代谢节点的性质 结合发酵过程中胞内能量代谢情况，提出一系列发酵 结合发酵过程中胞内能量代谢情况，提出一系列发酵 优化策略。 优化策略。

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发酵优 5 基于环境胁迫条件下微生物生理应答的过程 基于环境胁迫条件下微生物生理应答的过程 化技术 优化技术 环境压力或胁迫 饥饿、高温、高压、机械剪切、冷冻、强酸、强碱、 饥饿、高温、高压、机械剪切、冷冻、强酸、强碱、 高渗透压(高盐)、活性氧、 )、活性氧 高渗透压(高盐)、活性氧、有毒化学物质等ADP NAD+ ATP NADH Aerobic Anaerobic Pyruvate Mitochondrion

ethanol ATP

长期胁迫- 长期胁迫-可遗传性的应 …… 此处隐藏：2598字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……