【正文】 ax s/(Km + s + s2/Ki) ?u = umax o (1 – P/P m ) ?q p = alpha. u+ beta ?alpha, beta and Y p/s 以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的優(yōu)化 優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程 發(fā)酵優(yōu)化技術(shù) 13 以生理模型為基礎(chǔ)的優(yōu)化 采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制技術(shù) 對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行在線狀態(tài)預(yù)測(cè)和模式識(shí)別 自適應(yīng)最優(yōu)化控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)際應(yīng)用 14 4 基于代謝通量分析的過(guò)程優(yōu)化技術(shù) 研究思想 參 考 已知的生化反應(yīng)計(jì)量關(guān)系、代謝途徑、生理、特征， 構(gòu)建 、合成不同產(chǎn)物的 代謝網(wǎng)絡(luò) 。 利用 代謝通量分析方法， 計(jì)算 得出胞內(nèi) 各條代謝途徑的通量變化 。 發(fā)酵優(yōu)化技術(shù) 15 分析 不同發(fā)酵產(chǎn)品合成途徑中 主要代謝節(jié)點(diǎn)的性質(zhì) ，結(jié)合發(fā)酵過(guò)程中胞內(nèi)能量代謝情況， 提出 一系列發(fā)酵優(yōu)化策略 。 目的 16 長(zhǎng)期脅迫－可遺傳性的應(yīng)答（遺傳變異） 短期脅迫－不可遺傳性的應(yīng)答（生理性的 ) Pyruvate NAD+ NADH ADP ATP ethanol Anaerobic Aerobic Mitochondrion ATP 環(huán)境壓力或脅迫 饑餓、高溫、高壓、機(jī)械剪切、冷凍、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高滲透壓（高鹽）、活性氧、有毒化學(xué)物質(zhì)等 細(xì)胞結(jié)構(gòu)、基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)的臨時(shí)改變，酶原的激活以及代謝途徑的臨時(shí)調(diào)整等 5 基于 環(huán)境脅迫條件下微生物生理應(yīng)答的過(guò)程優(yōu)化技術(shù) 發(fā)酵優(yōu)化技術(shù) 17 研究一些重要的工業(yè)微生物的抗脅迫因子及其抗脅迫機(jī)制，考察環(huán)境脅迫條件下特定微生物蛋白轉(zhuǎn)錄和代謝途徑變化， 采用不同環(huán)境脅迫手段或措施對(duì)微生物的生長(zhǎng)或代謝進(jìn)行調(diào)控，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)或大量合成目的產(chǎn)物。 學(xué)術(shù)思想 18 學(xué)術(shù)思想 6 基于微生物代謝的輔因子調(diào)控的過(guò)程優(yōu)化技術(shù) Cofactors Metal ions NADH/NAD+ NADPH/NADP+ ATP/ADP/AMP CoA/AcetylCoA Vitamins 研究輔因子形式及其濃度在物質(zhì)代謝和信號(hào)傳遞途徑中控制代謝流方向和流量分配的作用機(jī)制、物質(zhì)流和輔因子流的變化規(guī)律，對(duì)微生物的生長(zhǎng)或代謝進(jìn)行調(diào)控， 促進(jìn)微生物合成目的產(chǎn)物的代謝流的最大化和快速化。 發(fā)酵優(yōu)化技術(shù) 19 發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化與控制技術(shù)研究舉例 20 舉例 1：丙酮酸發(fā)酵 Glucose Pyruvate Alanine Acetaldehyde Ethanol Citrate OAA ?KG AcCoA Pyruvate OAA PDH (B1, NA) PDC (B1) PT (B6) PC (Bio) B1： 硫胺素 NA： 煙酸 Bio：生物素 B6： 吡哆醛 Glucose Pyruvate 光滑球擬酵母中丙酮酸代謝途徑 如何得到丙酮酸高產(chǎn)量發(fā)酵？ 菌株選育和培養(yǎng)條件優(yōu)化 X X X X 選育自身不能合成維生素的酵母 (維生素缺陷型 ) 控制培養(yǎng)基中維生素濃度 21 t 1 2 3 E q s / h 1 t / h 0 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 F q p / h 0 m / h 1 1 2 3 1 D 動(dòng)力學(xué)分析 高 溶氧 下，丙酮酸轉(zhuǎn)化率較高，但生產(chǎn)強(qiáng)度 (葡萄糖消耗速度 )較低 低溶氧下，葡萄糖消耗速度加快，然而丙酮酸產(chǎn)率卻明顯下降 代謝網(wǎng)絡(luò)分析 Pyr Et1 4 . 7PEP7 4 . 65 .5OA AA cC o A7 .9DO=10% PyrEt2 .4PEP9 4 . 66 .1OA AA cC o A8 .7DO=85% PEP到 Pyr的通量增加了 20%，丙酮酸進(jìn)一步代謝的通量下降了% 高溶氧下轉(zhuǎn)化率高的原因 如何提高丙酮酸發(fā)酵的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度？ 分階段溶氧控制 輔因子分析 NADH AT P3 9 . 0 NADH ATP2 0 .7總 ATP下降 %, NADH下降 % 生產(chǎn)強(qiáng)度 (葡萄糖消耗速度 ) 59％ 低溶氧生產(chǎn)強(qiáng)度高的原因 DO=10% DO=85% 22 高產(chǎn)量 ( g/L) 高產(chǎn)率 ( g/g) 高生產(chǎn)強(qiáng)度 ( g/(L?h)) 確定分階段供氧模式 :發(fā)酵016 h控制