发酵过程的优化和控制

发酵过程的优化和控制

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时间:2019-10-29

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1、生化工程进展堵国成江南大学生物工程学院现代生化工程的主要研究内容发酵过程的优化控制技术2.生化过程的模型化3.高密度培养技术4.代谢工程和代谢网络控制5.新型生化反应器的研究和开发6.新型发酵和产品分离技术发酵过程的优化控制第一部分绪论一.发酵过程优化在生化工程中的地位二.发酵过程优化的目标和研究内容三.发酵过程优化的研究进展四.流加发酵过程的优化控制一.发酵过程优化在生化工程中的地位现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、药物的过程中发挥重要的作用,还能经济、清洁地生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊化学品,在解决人类面临的人口、粮食、健康、环境等重大问题的过程

2、中必将发挥积极的作用如何才能更好地发挥现代生物技术的作用?以工业微生物为例,选育或构建一株优良菌株仅仅是一个开始,要使优良菌株的潜力充分发挥出来,还必须优化其发酵过程,以获得较高的产物浓度(便于下游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高的生产强度(缩短发酵周期)发酵过程优化的主要研究内容第一个方面是细胞生长过程研究第二个方面是微生物反应的化学计量第三个方面是生物反应过程动力学的研究(主要研究生物反应速率及其影响因素)第四个方面的内容是生物反应器工程(包括生物反应器及参数的检测与控制)二.发酵过程优化的研究内容和目标发酵过程优化的目标使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、

3、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化,并对这些条件和相互关系进行优化,使之最适于特定发酵过程的进行发酵过程优化的基础是进行生物反应宏观动力学和生物反应器的研究如何实现发酵过程的优化控制?生物反应过程动力学动力学模型的建立发酵过程优化控制实现发酵过程优化控制的过程生物反应动力学的研究内容:是有关生物的、化学的与物理过程之间的相互作用,诸如生物反应器中发生的细胞生长、产物生成、传递过程等生物反应动力学研究的目的:是为描述细胞动态行为提供数学依据,以便进行数量化处理建立动力学模型的目的:是为了模拟实验过程,对适用性很强的动力学模型,还可以推测待测数据,进而确定最

4、佳生产条件发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立什么是非结构模型?什么是结构模型呢?非结构模型把细胞视为单组分,则环境的变化对细胞组成的影响可被忽略,即细胞的生长处于所谓的平衡生长状态,此基础上建立的模型称为非结构模型非结构模型是在实验研究的基础上,通过物料衡算建立起的经验或半经验关联模型结构模型由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同,即细胞生长处于非均衡状态时,必须运用从生物反应机理出发推导得到的结构模型在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型,称为结构模型生物反应器工程的研究内容生物反应器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等是影响微生

5、物反应宏观动力学的重要因素生物反应器中复杂的相互关系三.发酵过程优化的研究进展20世纪40年代初抗生素工业的兴起,标志着发酵工业进入了一个新阶段40年代末一门反映生物和化工相交叉的学科──生化工程诞生1954年,Hasting指出,生化工程要解决的十大问题是深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害1964年Aiba等人认为通气搅拌与放大是生化工程学科的核心,其中放大是生化工程的焦点20世纪60年代中期,建立了无菌操作的一整套技术1973年Aiba等人进一步指出,在大规模研究方面,仅仅把重点放在无菌操作、通气搅拌等过程的物理现象解析和

6、设备的开发上是不够的,应当进一步开展对微生物反应本质的研究1979年,日本学者山根恒夫编著了《生物反应工程》一书,认为生物反应工程是一门以速度为基础,研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学1985年,德国学者卡尔许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面的内容∶一是宏观动力学,它涉及生物、化学、物理之间的相互关系;二是生物反应器工程,它主要涉及反应器本身,特别是不同的反应器对生物化学和物理过程的影响目前一般认为生物反应工程是一门以生物反应动力学为基础,研究生物反应过程优化和控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科生物反应工程的研究主要采用化学动

7、力学、传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学原理,也涉及到生物化学、微生物学、微生物生理学和遗传学等许多学科领域,因此是一门综合性很强的边缘学科生化反应工程的核心是生物反应过程的数量化处理和动力学模型的建立,实现发酵过程优化则是生物反应工程的研究目标实现发酵过程的优化与控制,必须解决的五个问题:(1)系统动力学;(2)生物模型;(3)传感器技术;(4)适用于生物过程的最优化技术;(5)计算机─检测系统─发酵罐之间的接口技术(如神经网络、专家系统)1)针对有关发酵产品的生

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