發(fā)酵過程優(yōu)化與控制技術研究(已修改)
2025-01-17 00:50 本頁面
【正文】 1 發(fā)酵過程優(yōu)化與控制技術研究 堵國成 江南大學 2 生物質原料 化學品 － 精細化學品 －大宗化學品 －食品添加劑 －生物塑料 －溶劑 －酚類 －粘合劑 －脂肪酸 －碳黑、顏料 －燃料、香料、墨水 －洗滌劑 生物能源 － 生物酒精 －生物柴油 －甲醇 －氫氣 －沼氣 工業(yè)生物技術主要部分 發(fā)酵工程 3 獲得應用價值的微生物 反應器及過程放大 發(fā)酵過程優(yōu)化和控制 發(fā)酵工程研究 發(fā)酵產物分離提取 4 發(fā)酵工程的關鍵問題和工程意義 微生物能夠積累最大目的產物 (產量 )的 條件 是什么？ 高產量 ? 便于產品分離提取 關鍵問題 1 工程意義 1 相關研究： 微生物生理、遺傳特性和營養(yǎng)、環(huán)境因素 5 底物最多被微生物轉化為產物 (轉化率 )的 條件 是什么？ 糧食原料為底物 ? 高轉化率 ? 降低原料成本 關鍵問題 2 工程意義 2 相關研究： 微生物代謝途徑和過程條件 發(fā)酵工程的關鍵問題和工程意義 6 微生物最快速度發(fā)酵生產目的產物的 條件 是什么？ 分批操作為主 ? 高生產強度 ? 縮短生產周期 工程意義 3 關鍵問題 3 相關： 微生物反應動力學和系統(tǒng)優(yōu)化 發(fā)酵工程的關鍵問題和工程意義 7 條件確定 過程優(yōu)化 初始條件 過程分析 過程強化 發(fā)酵優(yōu)化的研究思想：發(fā)酵是一個過程 8 基于細胞表觀特性進行優(yōu)化 0 4 8 12 16 t / h d (DCW) / (g/L) A 0 20 40 60 80 100 120 140 t / h r (Glucose) / (g/L) B 0 20 40 60 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t / h r (Pyruvate) / (g/L) C 基于細胞內部分析進行優(yōu)化 高產量 高底物轉化率 高生產強度 優(yōu)化策略 在理論和技術上有突破，在工業(yè)生產中能廣泛應用 顯著提高發(fā)酵過程的經濟性和科學性 研究方法 9 1 基于微生物反應原理的培養(yǎng)環(huán)境優(yōu)化技術 優(yōu)化 微生物生長的物理和化學環(huán)境 保證 微生物生長處于最適條件 基本思想 奠定基礎 基于 底物運輸、生化反應、產物排出 確定 不同環(huán)境條件對微生物生長和代謝產物分布的影響 Prod. Distribution 發(fā)酵優(yōu)化技術 10 ● 培養(yǎng)基組成的優(yōu)化技術 ● 發(fā)酵環(huán)境條件的優(yōu)化技術 ● 確定培養(yǎng)基組分的最小用量，避免底物的過量或不足 ● 減少副產物的形成，使底物轉化率明顯提高 ● 對關鍵物質的濃度及其供給方式進行優(yōu)化，使目標產物產量明顯提高 ● 分析不同環(huán)境條件下微生物的生理學 目的 內容 11 2 基于微生物代謝特性的分階段培養(yǎng)技術 研究思想 控制環(huán)境條件在最適合細胞生長或最適合產物合成的水平 目的 分析 不同 T、 pH、RPM、 DO 發(fā)酵過程的動力學參數(shù) (μ，qp， qs) 流變學參數(shù)的變化特性 分階段控制策略 提出 分階段 T、pH、 RPM、DO 發(fā)酵優(yōu)化技術 12 3 基于反應動力學和人工智能的優(yōu)化和控制技術 研究思想 建立動力學模型，求解參數(shù)并評價其適用性 對發(fā)酵進程和產量指標進行預測 ?Model ?Form ?Monod ?Constant yield ?u = umax s/(K m + s) ?Y x/s = Y0 ?Substrate inhibition ?Constant yield ?u = umax s/(Km + s + s2/Ki) ?Y x/s = Y0 ?Substrate inhibition ?Variable yield ?u = umax s (1 – T. s)/(K m + s + s2/Ki) ?Y x/s = Y0 (1 – T. s)/(1 + R. s + G. s2) ?Substrate and product inhibition ?Inhibitions ?Constants yields ?u = um
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