发酵过程优化与控制技术研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
发酵过程优化和控制
Printer
Work station Personal computer
3
发酵工程的关键问题和工程意义
关键问题1
微生物能够积累最大目的产物
(产量)的条件是什么？
工程意义1
高产量 便于产品分离 提取
相关研究：微生物生理、遗传特性和营养、环境因素
4
发酵工程的关键问题和工程意义
关键问题2
工程意义2
底物最多被微生物转化为产物 粮食原料为底物 高转化率 (转化率)的条件是什么？ 降低原料成本
相关研究：微生物代谢途径和过程条件 5
发酵工程的关键问题和工程意义
关键问题3
工程意义3
微生物最快速度发酵生产目的 分批操作为主 高生产强度
产物的条件是什么？
缩短生产周期
Feed vessel
产量明显提高
●分析不同环境条件下微生物的生理学
10
发酵优 化技术
2 基于微生物代谢特性的分阶段培养技术
研究思想
分 析
发酵过程的动力学参数(μ， qp，qs) 流变学参数的变化特性
不同T、pH、 RPM、DO
提 出
分阶段控制策略
分阶段T、 pH、RPM、
DO
目 控制环境条件在最适合细胞生长或最适
的 合产物合成的水平
•Substrate inhibition •Constant yield
•Substrate inhibition •Variable yield
•u = umax s/(Km + s + s2/Ki) •Y x/s = Y0
•u = umax s (1 -– T. s)/(K m + s + s2/Ki) •Y x/s = Y0 (1 -– T. s)/(1 + R. s + G. s2)
11
发酵优 化技术
3 基于反应动力学和人工智能的优化和控制技术
研究思想
以数学模型为基础的优化
建立动力学模型，求解参 数并评价其适用性
优化发酵过程
对发酵进程和产量 指标进行预测
•Model
•Monod •Constant yield
•Form
•u = umax s/(K m + s) •Y x/s = Y0
6
发酵优化的研究思想：发酵是一个过程
条件 确定
初始 条件
过程 分析
过程 强化
过程 优化
7
研究方法
基于细胞表观特性进行优化
基于细胞内部分析进行优化
d (DCW) / (g/L)
r (Glucose) / (g/L)
16
12
8
A
4
0
140
120
t /h
100
80
60
B
40
20
0
80 t /h
60
40
P
A cid /b ase
vo lu m e
O2 analyzer
C ell conc.
CO2 analyzer
CO2 pressure
pH
pH
m eter
Thermom eter
Te m p .
DO sensor
C ell sensor
DO conc.
C ell conc.
Interface
Control signal
发酵过程优化与控制技术研究
堵国成
江南大学
gcdu@jiangnan.edu.cn
1
工业生物技术主要部分--发酵工程
生物能源 －生物酒精 －生物柴油 －甲醇 －氢气 －沼气
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
CO2 analyzer
CO2 pressure
pH
pH
m eter
Thermom eter
Te m p .
DO sensor
C ell sensor
DO conc.
C ell conc.
Control signal
Interface
相关：微生物反应动力学和系统优化
P rin ter
Work station Personal computer
确定不同环境条件对微生物生长 和代谢产物分布的影响
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
奠定基础
Prod. Distribution
9
内容 ●培养基组成的优化技术 ●发酵环境条件的优化技术
目的
●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，使目标产物
Feed volume
AD converter
Agitation speed
B alan ce P
C o n tro ller
Te m p . control system
Pump
Gas flow controller
conc.
P
A cid /b ase
vo lu m e
O2 analyzer
C ell conc.
2
发酵工程研究
获得应用价值的微生物
反应器及过程放大
发酵产物分离提取
Feed vessel
B alan ce P
C o n tro ller
Te m p . control system
Pump
Gas flow controller
conc.
Feed volume
AD converter
Agitation speed
C
20
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t /h
优化策略
高产量
高底 物转 化率
高生 产强
度
r (Pyruvate) / (g/L)
在理论和技术上有突破，在工业生产中能广泛应用 显著ห้องสมุดไป่ตู้高发酵过程的经济性和科学性
8
发酵优 化技术
1
基于微生物反应原理的培养环境优化技术
基本思想
基于底物运输、生化反应、产物排出
•Substrate and product inhibition
•Inhibitions •Constants yields
•u = umax s/(Km + s + s2/Ki) •u = umax o (1 -– P/P m )
•q p = alpha. u+ beta
•alpha, beta and Y p/s
12
以生理模型为基础的优化
采用人工神经网络、专家系 统、模糊逻辑控制技术
对发酵过程 自适应最优
进行在线状 化控制系统
态预测和模 的开发、计
式识别
算机模拟和
实际应用
13
发酵优 4 基于代谢通量分析的过程优化技术
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。
14
目的
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。
Printer
Work station Personal computer
3
发酵工程的关键问题和工程意义
关键问题1
微生物能够积累最大目的产物
(产量)的条件是什么？
工程意义1
高产量 便于产品分离 提取
相关研究：微生物生理、遗传特性和营养、环境因素
4
发酵工程的关键问题和工程意义
关键问题2
工程意义2
底物最多被微生物转化为产物 粮食原料为底物 高转化率 (转化率)的条件是什么？ 降低原料成本
相关研究：微生物代谢途径和过程条件 5
发酵工程的关键问题和工程意义
关键问题3
工程意义3
微生物最快速度发酵生产目的 分批操作为主 高生产强度
产物的条件是什么？
缩短生产周期
Feed vessel
产量明显提高
●分析不同环境条件下微生物的生理学
10
发酵优 化技术
2 基于微生物代谢特性的分阶段培养技术
研究思想
分 析
发酵过程的动力学参数(μ， qp，qs) 流变学参数的变化特性
不同T、pH、 RPM、DO
提 出
分阶段控制策略
分阶段T、 pH、RPM、
DO
目 控制环境条件在最适合细胞生长或最适
的 合产物合成的水平
•Substrate inhibition •Constant yield
•Substrate inhibition •Variable yield
•u = umax s/(Km + s + s2/Ki) •Y x/s = Y0
•u = umax s (1 -– T. s)/(K m + s + s2/Ki) •Y x/s = Y0 (1 -– T. s)/(1 + R. s + G. s2)
11
发酵优 化技术
3 基于反应动力学和人工智能的优化和控制技术
研究思想
以数学模型为基础的优化
建立动力学模型，求解参 数并评价其适用性
优化发酵过程
对发酵进程和产量 指标进行预测
•Model
•Monod •Constant yield
•Form
•u = umax s/(K m + s) •Y x/s = Y0
6
发酵优化的研究思想：发酵是一个过程
条件 确定
初始 条件
过程 分析
过程 强化
过程 优化
7
研究方法
基于细胞表观特性进行优化
基于细胞内部分析进行优化
d (DCW) / (g/L)
r (Glucose) / (g/L)
16
12
8
A
4
0
140
120
t /h
100
80
60
B
40
20
0
80 t /h
60
40
P
A cid /b ase
vo lu m e
O2 analyzer
C ell conc.
CO2 analyzer
CO2 pressure
pH
pH
m eter
Thermom eter
Te m p .
DO sensor
C ell sensor
DO conc.
C ell conc.
Interface
Control signal
发酵过程优化与控制技术研究
堵国成
江南大学
gcdu@jiangnan.edu.cn
1
工业生物技术主要部分--发酵工程
生物能源 －生物酒精 －生物柴油 －甲醇 －氢气 －沼气
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
CO2 analyzer
CO2 pressure
pH
pH
m eter
Thermom eter
Te m p .
DO sensor
C ell sensor
DO conc.
C ell conc.
Control signal
Interface
相关：微生物反应动力学和系统优化
P rin ter
Work station Personal computer
确定不同环境条件对微生物生长 和代谢产物分布的影响
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
奠定基础
Prod. Distribution
9
内容 ●培养基组成的优化技术 ●发酵环境条件的优化技术
目的
●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，使目标产物
Feed volume
AD converter
Agitation speed
B alan ce P
C o n tro ller
Te m p . control system
Pump
Gas flow controller
conc.
P
A cid /b ase
vo lu m e
O2 analyzer
C ell conc.
2
发酵工程研究
获得应用价值的微生物
反应器及过程放大
发酵产物分离提取
Feed vessel
B alan ce P
C o n tro ller
Te m p . control system
Pump
Gas flow controller
conc.
Feed volume
AD converter
Agitation speed
C
20
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t /h
优化策略
高产量
高底 物转 化率
高生 产强
度
r (Pyruvate) / (g/L)
在理论和技术上有突破，在工业生产中能广泛应用 显著ห้องสมุดไป่ตู้高发酵过程的经济性和科学性
8
发酵优 化技术
1
基于微生物反应原理的培养环境优化技术
基本思想
基于底物运输、生化反应、产物排出
•Substrate and product inhibition
•Inhibitions •Constants yields
•u = umax s/(Km + s + s2/Ki) •u = umax o (1 -– P/P m )
•q p = alpha. u+ beta
•alpha, beta and Y p/s
12
以生理模型为基础的优化
采用人工神经网络、专家系 统、模糊逻辑控制技术
对发酵过程 自适应最优
进行在线状 化控制系统
态预测和模 的开发、计
式识别
算机模拟和
实际应用
13
发酵优 4 基于代谢通量分析的过程优化技术
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。
14
目的
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。