发酵过程优化与控制原理部分

发酵过程优化与控制汪文俊博士中南民族大学生物科学学院国家民委生物制药工程中心TEL：[e-mail]：4892648381课程内容与参考书内容发酵过程优化与控制(原理部分)发酵过程优化与控制(工艺部分)发酵过程优化与控制(控制部分)发酵过程优化与控制(实践部分)参考书目发酵过程优化原理与实践陈坚江南大学多尺度微生物过程优化张嗣良华东理工大学发酵过程原理叶勤华东理工大学2生物学化学工程工程学化学生物技术生物化学生物工程学科的交叉与渗透新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生3生物技术医药生物技术农业生物技术工业生物技术环境生物技术材料生物技术...用生物或生物分子机器生产产品和解决问题4工业生物技术•含意：在工业规模的生产过程中使用或部分使用生物技术来实现产品的制造，这种技术是应用微生物和生物催化剂来提供产品和服务•核心目标：大规模利用生物体系（如细胞或酶）作为催化剂实现物质转化工业生物技术是生物技术的重要组成部分5底物生物反应器检测控制仪表培养基（灭菌）经加工原料酶细胞生物催化剂（游离或固定化）机械能除菌空气产品提取纯化副产品产品废物热能原材料营养物典型工业生物技术过程6发酵工程──利用微生物进行产品生产抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业基因工程药物、疫苗及抗体产品传统生物技术化学工程生物化工生物加工行业现代生物技术基因工程菌发酵7生物技术产品生产的发展历程发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动植物生物反应器的名称、定义与范畴：植物生物反应器、动物生物反应器、微生物生物反应器、哺乳动物乳腺生物反应器、利用活体家蚕及动物细胞培养生产有用蛋白、微生物细胞加工厂,….8细胞大规模培养技术细胞大规模培养──微生物、动植物细胞、藻类细胞等，传统技术或基因工程改造细胞代谢产物、生物转化、酶、蛋白质表达和基因质粒等占生物技术产品的40%以上，达1OOO亿美元。9发酵工程产业化发展目前，全球发酵产品的年销售额在1000亿美元左右，并以每年约7％～8％的速率增长。我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产值高达1300亿元。发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题10人类社会经济发展的危机随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需，如果没有基于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标。传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，必需走资源节约型、环境友好型的道路11基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济将工业革命世纪转变到生物技术世纪只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。12Idealizedbiorefineryconcept.(ImagecourtesyofOakRidgeNationalLaboratory,OakRidge,TN,USA.)13《细胞大规模培养》在生物技术产业发展中的作用21世纪的生物技术产业究竟是一个什么样的格局？作为生物技术产业的核心，以微生物为代表的过程研究，在已经开始的生物经济时代是处于一种什么状态？能起何种作用？面临怎样的课题?这是人们所关注的问题！14发酵工程的重大转折点二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。1928年由Fleming发现青霉素1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基───40u/ml1943年沉浸培养：5m3───200u/ml当今：100m3─200m3───5-7万u/ml链霉素、金霉素、新霉索、红霉素15主要的技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础16大型发酵罐搅拌装置17现代发酵工程的主要研究内容1.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18第一章绪论一.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19一.发酵过程优化在生化工程中的地位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)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中必将发挥积极的作用20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21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、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22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23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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24发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立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，进而确定最佳生产条件25什么是非结构模型？什么是结构模型呢？26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27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28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物反应宏观动力学的重要因素29细胞调节过程操作细胞环境细胞形态反应器特性生物反应器中复杂的相互关系30三.发酵过程优化的研究进展20世纪60年代中期,建立了无菌操作的一整套技术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31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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32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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33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)34其中尤以流加发酵的最优化研究报道居多发酵过程优化控制的研究针对有关发酵产品的生产过程进行微生物生长和产物形成的动力学研究，提出新的或修正的动力学模型或表达式；结合现代生物技术产品的开发，进行基因工程菌、哺乳动物细胞或植物细胞的生长动力学和产物形成动力学的研究；在动力学研究的基础上进行过程优化控制的研究，包括状态观察方程的建立、观察数据的噪声过滤、不可测参数及状态的识别、过程离线或在线的优化控制。35四.流加发酵所谓流加发酵，即补料分批发酵(Fed-batchfermentation)，有时又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批发酵过程中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方法36流加发酵的研究进展1973年日本学者Yoshida等人首次提出了“Fed-BatchFermentation”这个术语，并从理论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究才开始进入理论研究阶段在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加37流加发酵三个方面的重大进展流加发酵的最优化研究20世纪70年代中后期对流加发酵过程的动力学解析结合发酵过程的可测参数对流加过程进行反馈控制（如DO法、CO2法、RQ(呼吸商)法、pH法、代谢物法等）38流加发酵最优化的研究内容包括：状态方程的建立目标泛函的确定最优化底物流加方式的求解流加发酵最优化研究的核心问题是找出最佳的底物流加方式，以维持发酵过程始终处于最佳状态39流加发酵的物料衡算式可以表达为XVdtXVd)(FSXVdtSVdF)(XVdtPVd)(FdtdV流加发酵的最优化理论有：格林原理、庞特里金最小值(最大值)原理等40一、何时采用流加发酵方式？二、如何进行底物的流加？在采用流加发酵技术之前要考虑的两个问题41所用底物在高浓度时对菌体生长有抑制作用高菌体浓度培养即高密度培养系统非生长耦联性次级代谢产物(如产物的合成需要某些营养物质或前体)利用营养突变体的系统(过量加入营养物只能使菌体迅速生长，而目的代谢产物的产量会减少。而当营养物严重缺乏时，菌体生长受抑制，代谢产物的产量也会减小)营养缺陷型菌株的培养一、何时采用流加发酵方式？42流加发酵类型采用流加发酵应该解决的关键问题？流加发酵过程中某些重要参数的确定合适的流加发酵类型的确定流加方式的应用二、如何进行流加发酵操作？431.流加发酵类型类别流加