響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn).doc

實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 課程名稱：發(fā)酵工藝及其優(yōu)化 實(shí)驗(yàn)名稱： 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 專 業(yè)： 生物工程 學(xué) 號： 060512212 姓 名： 韋達(dá)理 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 篤行樓303 實(shí)驗(yàn)日期：2015年5月16日 常 熟 理 工 學(xué) 院實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?. 了解響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的原理。2. 熟悉design expert軟件的基本操作。3. 熟悉響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的具體流程。4. 優(yōu)化香菇多糖發(fā)酵培養(yǎng)基實(shí)驗(yàn)器材 Design expert軟件實(shí)驗(yàn)原理和方法 香菇多糖：是一種生理活性物質(zhì)。它具有抗病毒、抗腫瘤、調(diào)節(jié)免疫功能和刺激干擾素形成等功能。 提取方法：從香菇子實(shí)體或經(jīng)深層發(fā)酵后的發(fā)酵液中提取。香菇子實(shí)體生長周期長，產(chǎn)量和多糖得率均較低。而深層發(fā)酵培養(yǎng)香菇菌絲體不僅發(fā)酵液中含有與子實(shí)體相當(dāng)或更高的營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)還可利用農(nóng)副產(chǎn)品作原料，成本低，周期短，易于大規(guī)模生產(chǎn)，因此已得到廣泛應(yīng)用于重視。 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)方法(Response SufaceMethodology，RSM)是利用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并通過實(shí)驗(yàn)得到一定數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，解決多變量問題的一種統(tǒng)計(jì)方法（又稱回歸設(shè)計(jì)）。響應(yīng)面曲線法的使用條件有：確信或懷疑因素對指標(biāo)存在非線性影響；因素個(gè)數(shù)2-7個(gè)，一般不超過4個(gè)；所有因素均為計(jì)量值數(shù)據(jù)；試驗(yàn)區(qū)域已接近最優(yōu)區(qū)域；基于2水平的全因子正交試驗(yàn)。 進(jìn)行響應(yīng)面分析的步驟為：確定因素及水平，注意水平數(shù)為2，因素?cái)?shù)一般不超過4個(gè)，因素均為計(jì)量值數(shù)據(jù)；創(chuàng)建“中心復(fù)合”或“Box-Behnken”設(shè)計(jì)；確定試驗(yàn)運(yùn)行順序(Display Design)；進(jìn)行試驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)；分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)；優(yōu)化因素的設(shè)置水平。響應(yīng)面優(yōu)化法的優(yōu)點(diǎn)：考慮了試驗(yàn)隨機(jī)誤差響應(yīng)面法將復(fù)雜的未知的函數(shù)關(guān)系在小區(qū)域內(nèi)用簡單的一次或二次多項(xiàng)式模型來擬合，計(jì)算比較簡便，是降低開發(fā)成本、優(yōu)化加工條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量，解決生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題的一種有效方法與正交試驗(yàn)相比，其優(yōu)勢是在試驗(yàn)條件尋優(yōu)過程中，可以連續(xù)的對試驗(yàn)的各個(gè)水平進(jìn)行分析，而正交試驗(yàn)只能對一個(gè)個(gè)孤立的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果 實(shí)驗(yàn)步驟1. 輸入三因素及其水平，設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。2. 應(yīng)變量3. 輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4. 試驗(yàn)方案形成5. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 利用系統(tǒng)軟件SAS8.0對表5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)回歸擬合，通過RESEG（響應(yīng)面回歸）過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立二次響應(yīng)面回歸模型，并尋求最優(yōu)相應(yīng)因子水平，得到回歸方程：Y=2.136667+0.44625X1+0.045X2-0.01375X3-0.44583X12-0.13833X22-0.09083X32-0.1175X1X2+0.015X1X3-0.0725X2X3 模型的F檢驗(yàn)值在=0.05時(shí)遠(yuǎn)大于F（9,5）=4.77，說明方程有很高的顯著性。 R2=0.9973，表明方程模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有99.73%的符合度，調(diào)整后的R2adj=0.9925，表明方程模型有很高的可信度。6. 正態(tài)分布圖7. Residuals vs Predicted 圖8. Predicted vs Actual 圖9. 實(shí)驗(yàn)實(shí)際值和方程預(yù)測值10. 等高線圖11. 三維相應(yīng)曲面圖 AB AC BC 在獲得非線性回歸模型和響應(yīng)面之后，為了求得培養(yǎng)基最佳濃度，對所得的回歸擬和方程分別對各自的變量求一階偏導(dǎo)數(shù)，并令其為得到三元一次方程組，求解此方程組可以得到最大多糖量時(shí)的最佳條件： X1=0.5066(2.2533%) ，X2=-0.0488(0.9756%) ， X3=0.0144(0.0993%) ，Y=2.2487g/L。所以產(chǎn)多糖最高時(shí)的培養(yǎng)基組成為：葡萄糖2.2533%，魚粉0.9756%，VB1 0.003%，NaCl0.8%，MgSO47H2O 0.1%，F(xiàn)eSO47H2O 0.04%，KH2PO4 0.0993%，初始pH值5.5。 12.用RSM預(yù)測最優(yōu)值 根據(jù)最優(yōu)培養(yǎng)基配方對模型進(jìn)行驗(yàn)證，香菇菌絲體產(chǎn)粗多糖為2.33g/L，實(shí)際值與預(yù)測值的誤差為+3.61%。初始培養(yǎng)基條件下總多糖產(chǎn)量為0.80g/L，優(yōu)化后提高了1.91倍。該結(jié)果表明，響應(yīng)面法優(yōu)化產(chǎn)香菇粗多糖最佳培養(yǎng)基是可行有效的。 該研究經(jīng)響應(yīng)面方法優(yōu)化，在優(yōu)化條件下經(jīng)3批搖瓶培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，粗多糖產(chǎn)量均值為2.33g/L與預(yù)測值2.2487g/L誤差為+3.61%，與原始培養(yǎng)條件相比，多糖產(chǎn)量提高了1.91倍。 實(shí)驗(yàn)證明響應(yīng)面方法對培養(yǎng)基優(yōu)化是非常有效的工具，Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能對影響多糖產(chǎn)量的各因素效應(yīng)進(jìn)行評價(jià)并能有效地找出主要因素，最陡爬坡法能