发酵过程参数相关分析基本原理和应用

好氧生物反应器供氧情况变化引起的变化
当降低搅拌转速时，供氧速率（OTR）下降必然引起溶解 氧浓度（DO）的下降，这是一个属于生物反应器系统中的 过程传递和混和问题
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如果DO下降到临界氧浓度以下时，就引起菌体呼吸强 度的减弱，这实质上是氧成为限制性基质时的动力学行为
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直接参数 通过传感器把非电量变化直接转化为电量变化，
实时地送计算机数据采集。物理参数、化学参数、 生物量参数就地测量(in line)、在线测量（on line）
手工参数:取样后实验室手工测量参数，离线输入。
间接参数:由一些直接Hale Waihona Puke Baidu数计算得到的各种反映过程特性的
参数。反映菌体代谢活性、反应器工程特性、反应 器操作特性等。
参数相关耦合的定义
参数耦合相关是指各种直接参数、间接参数 以及实验室手工参数随着发酵过程的进行而 变化，并且参数间发生某种耦合相关。
这种参数相关是生物反应器中物料、能量或 信息传递、转换、以及平衡或不平衡的结果， 其微观因素也许只是发生在基因、细胞或反 应器工程水平的某一个尺度上，但最终会在 宏观过程中有所反映，这就为我们研究生物 反应器中不同尺度的数据关联分析方法提供 了线索。
有必要在计算机辅助下对过程进行时序性综合研 究和分析。
通过这些趋势曲线可以看出检测参数的多样性、 时变性、相关耦合性和不确定性。
代谢曲线对照
常规发酵过程分析的缺陷性
分析发酵数据时，通过产品小试研究形成工厂生产的 工艺控制为目标，把重点放在寻找最佳的操作点或某 参数时序变化规律，在方法上主要依据人工经验的试 差法，由此逐渐形成作为生产工艺管理的工艺规程。
参数曲线相关分析的优势
从发酵过程多尺度系统理论来看，参数趋势曲 线相关有可能是某一尺度的线性或动力学行为， 也可能是多尺度系统的结构性突变，因此用常 规的单一尺度模式有时就无法解释过程中发生 的许多现象。
虽然这些过程检测大多是环境中的状态或操作 量，但可以通过进一步分析，得到反映分子、 细胞和反应器工程水平的不同尺度问题的联系， 从而实现跨尺度观察和跨尺度操作。
物理参数
直接参数
化学参数
温度
积累消耗量
压力
基质
功率输入
酸
通气流量
碱
泡沫水平
消泡剂
加料速率
细胞量
基质
气泡含量
前体
气泡表面积
诱导物
表面张力
培养液重量
培养液体积
生物热
培养液表观
粘度
pH 氧化还原电位 溶解氧浓度 溶解 CO2 浓度 排气 O2 分压 排气 CO2 分压 其他排气成分
成分浓度 糖 氮 前体 诱导物 产物
中间代谢物 金属离子 脱氢酶活力 各种酶活力 细胞内成分 蛋白质 DNA RNA
生化反应过程中参数检测的复杂性
1)反应器上插入的传感器必须能耐热，经受高温灭 菌； 2)菌体以及其他固体物质极易吸附在传感器的表面， 使一些传感器的使用性能受到影响； 3)生物反应过程往往是耗氧的过程，故在反应器内 通气带来的气泡影响，往往对测量过程会造成干扰； 4）使用在反应器上的传感器，其结构必须防止杂 菌进入和避免产生灭菌死角，因而使传感器结构复 杂或使其检测性能产生变化； 5)生化反应过程中化学成分的分析往往是重要的检 测内容，但对其电信号的转换困难。
发酵过程参数检测技术要求越来越高
微生物学 生物化学 分子生物学 发酵工艺学 化学工程 现代控制理论 各种工程开发
参数检测 (自动或手工检测) 综合性研究：
在线计算机
定性和定量的描述
工业生产
——随着生物技术的快速发展，生化工程对传感技术、计 算机数据处理的要求越来越高，有望形成新的技术领域
（一）、 发酵过程的参数分类及检测
发酵过程参数相关分析基本原理和应用
主要内容
发酵过程特性概述 发酵过程的参数分类及检测 理化相关 生物相关 应用举例 下阶段工作展望
发酵过程特性概述
生物反应器中基因、细胞和反应器不同尺度网络之 间存在着以时间为坐标多输入多输出的互动关系。
表现在同一尺度下多过程的耦合，不同尺度下也往 往会有不同过程发生。
当DO继续下降，就可能产生厌氧代谢，代谢途径发生迁 移，甚至发生胞内酶体系的改变 ─── 发生反应体系的结构 性变化。
温度诱导的基因工程菌生长与表达
当用λPL,C启动子构建表达载体时， PL,R启动子受λ噬菌体cI基因的负调 控，cI基因产生的阻遏蛋白结合在 操纵基因上，阻止转录的进行。当 在28～30℃培养时，利用cI的温度 敏感突变基因的突变体可以产生有 活性阻遏蛋白，阻遏PL,R转录，细 菌大量生长。温度上升到42℃，造 成阻遏蛋白失活，PL,R解除阻遏， 启动外源基因的高效转录和表达， 从而合成大量有价值的外源蛋白。
----缺乏机理性认识，有局限性。
发酵过程动力学研究强调了参数趋势曲线的动态性并 采用了过程数学模拟等进行仿真，可进一步总结经验 规律，引入动态优化控制方法，为过程工艺优化研究 提供了内容。
----强调参数各自的时序变化，缺乏数据时序变化 之间的相关分析
发酵过程特性产生的原因
随着菌体生长和基质消耗，过程状态随时间变化的， 因此测量参数的时变性反映了发酵过程的时变系统特 征。
多尺度的研究方法要求从一个尺度观察另一尺度现 象，即所谓跨尺度观察与控制，即可能提供在生物 技术研究中所没有发现的现象。
研究尺度间相互作用和耦合的原则和条件，只有这 样才能进一步分析不同尺度下的各种子过程之间的 相互量化关系，并与已知条件关联，构成描述复杂 系统的综合模型或描述。
发酵过程的特性
发酵过程多以分批操作形式进行，随着细胞生长 和代谢过程的变化，各种测量参数（自动或手工 实验室测定）随时间的变化而变化，通过对这些 变化进行研究，有可能获得对发酵工艺和过程控 制的有关认识，有利于发酵过程优化。
由于发酵过程多容量性和严重非线性特征，表现在过 程测量参数的离散性，主要是细胞代谢对环境因子的 高度敏感性和细胞代谢的不可逆性，有时还表现在基 因水平的启动和表达的影响，输入的初始条件极细微 的差别会产生结果的巨大变化，即发酵过程混沌现象。
由于对上述现象缺乏认识，更无法控制，也就描述为 测量参数的不确定性，应加强有关生物学机理的认识， 才能在产品的工业发酵生产上取得突破性进展。