第十章 生化過程優(yōu)化

生化過程參數(shù)檢測與控制朱志懷第十章

生化過程優(yōu)化1、概述如何才能更好地發(fā)揮現(xiàn)代生物技術的作用？以工業(yè)微生物為例，選育或構建一株優(yōu)良菌株僅僅是一個開始，要使優(yōu)良菌株的潛力充分發(fā)揮出來，還必須優(yōu)化其發(fā)酵過程，以獲得較高的產物濃度(便于下游處理)、較高的底物轉化率(降低原料成本)和較高的生產強度(縮短發(fā)酵周期)1.1生化過程優(yōu)化的主要研究內容第一個方面是細胞生長過程研究第二個方面是微生物反應的化學計量第三個方面是生物反應過程動力學的研究（主要研究生物反應速率及其影響因素）第四個方面的內容是生物反應器工程（包括生物反應器及參數(shù)的檢測與控制）1.2生化過程優(yōu)化的目標使細胞生理調節(jié)、細胞環(huán)境、反應器特性、工藝操作條件與反應器控制之間這種復雜的相互作用盡可能地簡化，并對這些條件和相互關系進行優(yōu)化，使之最適于特定發(fā)酵過程的進行。發(fā)酵過程優(yōu)化的基礎是進行生物反應宏觀動力學和生物反應器的研究。1.3如何實現(xiàn)生化過程的優(yōu)化控制？生物反應過程動力學動力學模型的建立發(fā)酵過程優(yōu)化控制實現(xiàn)生化過程優(yōu)化控制的過程建立動力學模型的目的：是為了模擬實驗過程，對適用性很強的動力學模型，還可以推測待測數(shù)據，進而確定最佳生產條件生化過程優(yōu)化涉及非結構模型和結構模型的建立非結構模型把細胞視為單組分，則環(huán)境的變化對細胞組成的影響可被忽略，即細胞的生長處于所謂的平衡生長狀態(tài)，此基礎上建立的模型稱為非結構模型非結構模型是在實驗研究的基礎上，通過物料衡算建立起的經驗或半經驗關聯(lián)模型由于細胞內各組分的合成速率不同而使各組分增加的比例不同，即細胞生長處于非均衡狀態(tài)時，必須運用從生物反應機理出發(fā)推導得到的結構模型在考慮細胞組成變化的基礎上建立的模型，稱為結構模型結構模型生物反應器的形式、結構、操作方式、物料的流動與混合狀況、傳遞過程特征等是影響微生物反應宏觀動力學的重要因素生物反應器工程的研究內容20世紀40年代初抗生素工業(yè)的興起，標志著發(fā)酵工業(yè)進入了一個新階段40年代末一門反映生物和化工相交叉的學科──生化工程誕生1954年,Hasting指出,生化工程要解決的十大問題是深層培養(yǎng)、通氣、空氣除菌、攪拌、結構材料、容器、冷卻方式、設備及培養(yǎng)基除菌、過濾、公害1964年Aiba等人認為通氣攪拌與放大是生化工程學科的核心，其中放大是生化工程的焦點20世紀60年代中期，建立了無菌操作的一整套技術1.4生化過程優(yōu)化的研究進展1973年Aiba等人進一步指出，在大規(guī)模研究方面，僅僅把重點放在無菌操作、通氣攪拌等過程的物理現(xiàn)象解析和設備的開發(fā)上是不夠的，應當進一步開展對微生物反應本質的研究1979年，日本學者山根恒夫編著了《生物反應工程》一書，認為生物反應工程是一門以速度為基礎，研究酶反應、微生物反應及廢水處理過程的合理設計、操作和控制的工程學1985年，德國學者卡爾許格爾提出生物反應工程的研究應當包括兩個方面的內容∶一是宏觀動力學，它涉及生物、化學、物理之間的相互關系；二是生物反應器工程，它主要涉及反應器本身，特別是不同的反應器對生物化學和物理過程的影響目前一般認為生物反應工程是一門以生物反應動力學為基礎，研究生物反應過程優(yōu)化和控制以及生物反應器的設計、放大與操作的學科生物反應工程的研究主要采用化學動力學、傳遞過程原理、設備工程學、過程動態(tài)學及最優(yōu)化原理等化學工程學原理，也涉及到生物化學、微生物學、微生物生理學和遺傳學等許多學科領域，因此是一門綜合性很強的邊緣學科生化反應工程的核心是生物反應過程的數(shù)量化處理和動力學模型的建立，實現(xiàn)發(fā)酵過程優(yōu)化則是生物反應工程的研究目標(1)生物模型；(2)傳感器技術；(3)適用于生物過程的最優(yōu)化技術；(4)系統(tǒng)動力學；(5)計算機─檢測系統(tǒng)─發(fā)酵罐之間的接口技術

1.5.實現(xiàn)生化過程的優(yōu)化與控制必須解決的問題:1)針對有關發(fā)酵產品的生產過程進行微生物生長和產物形成的動力學研究，提出新的或修正的動力學模型或表達式；2)結合現(xiàn)代生物技術產品的開發(fā)，進行基因工程菌、哺乳動物細胞或植物細胞的生長動力學和產物形成動力學的研究；3)在動力學研究的基礎上進行過程優(yōu)化控制的研究，包括狀態(tài)觀察方程的建立、觀察數(shù)據的噪聲過濾、不可測參數(shù)及狀態(tài)的識別、過程離線或在線的優(yōu)化控制。其中尤以流加發(fā)酵的最優(yōu)化研究報道居多1.6運用生化工程原理進行生化過程優(yōu)化控制的研究生化過程優(yōu)化的微生物反應原理生化過程數(shù)量化方法微生物反應動力學微生物反應優(yōu)化的一般原理2、生化過程優(yōu)化原理（1）大腸桿菌生長過程中觀察到下列現(xiàn)象∶在大腸桿菌快速生長期間，生物合成的中間體很少滲漏到胞外培養(yǎng)基中，結構單元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致大腸桿菌胞內的大分子物質隨比生長速率而變化一旦生長培養(yǎng)基中的結構單元足夠，細胞就不再合成這些物質特定的代謝途徑代謝特定的底物，只有底物存在時，細胞才合成相應的酶若兩個不同的底物同時存在于培養(yǎng)基中，細胞先合成能在一種底物上以較高比生長速率生長的酶系，當這種底物消耗完畢，再合成利用另一底物的酶。2.1、生化過程優(yōu)化的微生物反應原理（2）細胞生長過程可分為三個步驟：底物傳遞進入細胞通過胞內反應，將底物轉變?yōu)榧毎|和代謝產物代謝產物排泄進入非生物相，即胞外培養(yǎng)基（3）底物、代謝產物和細胞質成分的定義為：底物是一種存在于初始非生物相或者攝入物中起作用的可交換的化合物代謝產物是一種作為代謝物產生于某代謝途徑進入非生物相的化合物細胞質成分是一種細胞利用底物產生的不可交換的化合物研究表明在膜上可能存在三種不同的運輸機制：(1)自由擴散(2)協(xié)助擴散(3)主動運輸前兩種機制是沿著濃度梯度進行運輸，是被動的過程，在運輸過程中不需要提供外部能量。而主動過程逆著濃度梯度進行運輸，需要輸入一定的吉布斯自由能。微生物體內不同底物和代謝產物的擴散過程分解代謝反應糖類在轉化為代謝產物(CO2、乳酸、乙酸和乙醇等)的同時，還形成ATP、NADH和NADPH。NADH和NADPH都在分解代謝反應中產生，但NADPH主要消耗于合成代謝中，NADH則主要消耗于分解代謝途徑，如氧化磷酸化生物合成和聚合反應為了合成細胞物質，需要合成結構單元并將其聚合。合成蛋白質需消耗大量的自由能，細胞一般根據其自身需求來調節(jié)蛋白質的合成,其合成由蛋白質合成系統(tǒng)(PSS)負責，該系統(tǒng)中核糖體是主要部分E.coli中大約70%的能量和還原力用于合成蛋白質（4）微生物細胞的胞內反應合成E.coli細胞對前體代謝物的需求次級細胞代謝細胞代謝和生長過程偶聯(lián)在一起的過程，稱之為初級代謝但許多工業(yè)上重要的產品，其合成反應并不與生長過程偶聯(lián)，我們稱之為次級代謝，這些反應合成的產物叫次級代謝產物，就象初級代謝形成的產物叫初級代謝產物一樣乳酸是初級代謝產物，但它是乳酸菌在非生長條件下形成的，許多其它的初級代謝產物也同樣是在非生長條件下產生的生化過程的數(shù)量化處理包括：生化過程的速度化學計量學和熱力學生產率、轉化率和產率只有當變量可測量時，才有可能對生化過程進行數(shù)量化處理2.2生化過程數(shù)量化方法（1）生化過程優(yōu)化的一般步驟反應過程的簡化：是指把工藝過程的復雜結構壓縮為少數(shù)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以用關鍵變量來表示定量化：系統(tǒng)、準確地檢測生化過程的各種參數(shù)分離：是指在生物過程和物理過程的各種速度相互不影響的情況下，精心設計實驗以獲得關于生物和物理現(xiàn)象的數(shù)據2.3、微生物反應優(yōu)化的一般原理數(shù)學建模數(shù)學模型是能以簡化的形式表征過程行為，并實現(xiàn)特定目的的數(shù)學公式數(shù)學模型可將特定結果通用化，并為推論系統(tǒng)的其它性質提供基礎建立數(shù)學模型的主要目標是：(a)為了預見任何系統(tǒng)的轉化率或生產率；(b)用以檢查在各種操作條件下工廠操作的性質和行為，檢查模型適用的范圍(包括外推性)；(c)用于進行工藝優(yōu)化和計算機模擬；(d)用于檢測出可能重要但被忽視了的參數(shù)；(e)檢查是否已有效地區(qū)分生物現(xiàn)象和物理現(xiàn)象；(f)有助于闡明反應機理微生物反應動力學模型的分類從工程角度來看，要建立比較理想的模型應遵循以下原則首先要明確建立模型的目的。除為了深入研究微生物生長這一復雜現(xiàn)象之外，多數(shù)是為了設計微生物反應器、探索最優(yōu)操作條件，或者對反應過程進行最優(yōu)控制要明確建立模型的假設，從而明確模型的適用范圍。模型中所含的參數(shù)，最好能分別通過實驗測定。模型應盡量簡單。建立數(shù)學模型的一般原則

據以上4點，可以說決定論的均相模型最合適，且使用方便。微生物是微生物反應的主角，所以希望由底物得到目的代謝產物的量最大，或者像廢水的生物處理過程那樣希望底物消耗量最大時，根據對微生物生長速率的影響來考慮環(huán)境條件。單一細胞或懸浮絮凝物微生物的反應動力學研究的核心是微生物的生長速率。最優(yōu)化的目標函數(shù)：產量、生產率、純利潤等，有時也對這些指標的其中二個以上進行多目標函數(shù)優(yōu)化最優(yōu)化的操作變量：反應時間、培養(yǎng)基組成、溫度、pH、溶氧等*培養(yǎng)基組成的優(yōu)化預先設定XT為最大菌體濃度，則由可得到底物Si的初始