发酵过程优化与控制技术研究

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1、发酵过程优化与控制技术研究堵国成江南大学gcdu@jiangnan.edu.cn1生物质原料化学品－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、颜料－燃料、香料、墨水－洗涤剂生物能源－生物酒精－生物柴油－甲醇－氢气－沼气工业生物技术主要部分--发酵工程2获得应用价值的微生物反应器及过程放大发酵过程优化和控制发酵工程研究发酵产物分离提取3发酵工程的关键问题和工程意义微生物能够积累最大目的产物(产量)的条件是什么？高产量便于产品分离提取关键问题1工程意义1相关研究：微生物生理、遗传特性和营养、环境因素4底物最多被微生物转化为产物(转化率)的条件

2、是什么？粮食原料为底物高转化率降低原料成本关键问题2工程意义2相关研究：微生物代谢途径和过程条件发酵工程的关键问题和工程意义5微生物最快速度发酵生产目的产物的条件是什么？分批操作为主高生产强度缩短生产周期工程意义3关键问题3相关：微生物反应动力学和系统优化发酵工程的关键问题和工程意义6条件确定过程优化初始条件过程分析过程强化发酵优化的研究思想：发酵是一个过程7基于细胞表观特性进行优化0481216t/hd(DCW)/(g/L)A020406080100120140t/hr(Glucose)/(g/L)B02040608001020304050607080t/hr(Pyru

3、vate)/(g/L)C基于细胞内部分析进行优化高产量高底物转化率高生产强度优化策略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研究方法81基于微生物反应原理的培养环境优化技术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基本思想奠定基础基于底物运输、生化反应、产物排出确定不同环境条件对微生物生长和代谢产物分布的影响Prod.Distribution发酵优化技术9●培养基组成的优化技术●发酵环境条件的优化技术●确定培养基组分的最小用量，避免底物的过量或不足●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，使目

4、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目的内容102基于微生物代谢特性的分阶段培养技术研究思想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目的分析不同T、pH、RPM、DO发酵过程的动力学参数(μ，qp，qs)流变学参数的变化特性分阶段控制策略提出分阶段T、pH、RPM、DO发酵优化技术113基于反应动力学和人工智能的优化和控制技术研究思想建立动力学模型，求解参数并评价其适用性对发酵进程和产量指标进行预测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以数学模型为基础的优化优化发酵过程发酵优化技术12以生理模型为基础的优化采用人工神经网络、专家系统、模糊逻辑

6、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、计算机模拟和实际应用134基于代谢通量分析的过程优化技术研究思想参考已知的生化反应计量关系、代谢途径、生理、特征，构建、合成不同产物的代谢网络。利用代谢通量分析方法，计算得出胞内各条代谢途径的通量变化。发酵优化技术14分析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，提出一系列发酵优化策略。目的15长期胁迫－可遗传性的应答（遗传变异）短期胁迫－不可遗传性的应答（生理性的)PyruvateNAD+NADHADPATPethanolAnaerobicAerobicMitochondri

7、onATP环境压力或胁迫饥饿、高温、高压、机械剪切、冷冻、强酸、强碱、高渗透压（高盐）、活性氧、有毒化学物质等细胞结构、基因转录和蛋白表达的临时改变，酶原的激活以及代谢途径的临时调整等5基于环境胁迫条件下微生物生理应答的过程优化技术发酵优化技术16研究一些重要的工业微生物的抗胁迫因子及其抗胁迫机制，考察环境胁迫条件下特定微生物蛋白转录和代谢途径变化，采用不同环境胁迫手段或措施对微生物的生长或代谢进行调控，促进微生物生长或大量合成目的产物。学术思想17学术思想6基于微生物代谢的辅因