【正文】 存在 ) ? : ? 整體優(yōu)化的思想，對所研究的對象采用定性或定量的模型優(yōu)化技術(shù)，使系統(tǒng)整體目標(biāo)最優(yōu) 5. 生物反應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)化方法的原則主要有以下幾個(gè)方面： (一 )系統(tǒng)整體性原則 :不能從系統(tǒng)的局部得出有關(guān)系統(tǒng)整體的結(jié)論；分系統(tǒng)的目標(biāo)必須服從于系統(tǒng)整體的目標(biāo) (二 )系統(tǒng)有序相關(guān)原則 :系統(tǒng)的有序性 ， 是系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)系的反映 ， 系統(tǒng)的任何聯(lián)系都是按一定等級和層次進(jìn)行的 ， 都是秩序井然 、 有條不紊的 (三 )系統(tǒng)目標(biāo)優(yōu)化原則 :優(yōu)化問題是在不可控參數(shù)發(fā)生變化的情況下 ，根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo) ， 經(jīng)常 、 有效地確定可控參數(shù)的數(shù)值 ， 使系統(tǒng)經(jīng)常處于最優(yōu)狀態(tài) (四 )系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性原則 :系統(tǒng)優(yōu)化是一個(gè)比較復(fù)雜的過程 ， 研究對象內(nèi)部復(fù)雜的相互作用和外部環(huán)境的多變性 ， 使系統(tǒng)本身呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)特性 (五 )系統(tǒng)分解綜合原則：分解是將系統(tǒng)中具有密切相關(guān)關(guān)系的要素進(jìn)行分組；綜合則是完成新系統(tǒng)的籌建過程 ， 即選擇具有性能好 、 適用性強(qiáng)的分系統(tǒng) (六 )系統(tǒng)創(chuàng)造思維原則：其一是把陌生的事物看作熟悉的東西 ， 用已有的知識加以辯識和解決；其二是把熟悉的對象看作陌生的東西 ，用新的方法 、 新的原則加以研究 ， 從而創(chuàng)造出新的理論 ， 新的技術(shù) 。 可根據(jù)這些物質(zhì)在菌體內(nèi)的實(shí)際含量 ， 用類似于上式的方法確定其需要量 ? 當(dāng)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量與培養(yǎng)基組成之間的關(guān)系很復(fù)雜 ， 不能用解析函數(shù)的方式表示時(shí) ， 可采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法確定最優(yōu)初始濃度 ? 利用最優(yōu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 ， 即使不能提高產(chǎn)量 ， 也可探索培養(yǎng)基組分的最小需用量 ， 從而避免不必要的浪費(fèi) 第三部分 生物反應(yīng)過程的系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù) 一 .系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)概述 二 .ATP再生系統(tǒng)及其在谷胱甘肽生物合成中的應(yīng)用 三 .有機(jī)廢水處理和聚羥基烷酸生產(chǎn)的耦合系統(tǒng) 四 .生物反應(yīng)與產(chǎn)物分離的組合系統(tǒng) 一 .系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)概述 ? 奧地利理論生物學(xué)家貝塔朗菲于 1937年第一次提出 ,系統(tǒng)是 “ 一個(gè)相互作用的諸要素的綜合體 ” 。 （一）細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)模型 1. 無抑制作用的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué) ? 溫度和 pH恒定時(shí) ， 對于某一特定培養(yǎng)基組分的濃度 s， Monod方程為 ∶ ? 式中 : ?max稱為最大比生長速率 (h1)， Ks稱為半飽和 常數(shù) (g/L) ? 底物消耗速率方程對應(yīng)為 ∶ SKSs ?? m a x??SKSqqsss ?? m a x, ? Monod方程應(yīng)滿足 ∶ ? (1)菌體生長為均衡型非結(jié)構(gòu)生長；(2)培養(yǎng)基中只有一種底物是生長限制性底物； ? (3)菌體產(chǎn)率系數(shù)恒定 2. 細(xì)胞生長穩(wěn)定期和延遲期的 Monod型動(dòng)力學(xué) ? (1) 延遲期動(dòng)力學(xué)模型的建立 ? (2) 生長穩(wěn)定期動(dòng)力學(xué)模型的建立 ? 式中 ?和 ?是經(jīng)驗(yàn)常數(shù) ， 取 ?=?max和 ?=xmax， )1(),( /m a x LttsesKsts ???? ??)1(?? xxr x ??? 3. 微生物死亡期和內(nèi)源代謝 ? (1) 微生物死亡期的動(dòng)力學(xué)模型 ? Kd為 比死亡速率 (h1) ? ? 對應(yīng)于由底物生成菌體的一級反應(yīng)速率為 ∶ ? (2) 內(nèi)源代謝的動(dòng)力學(xué)模型 ? 或： ? ms為細(xì)胞的維持系數(shù) (s1)， Y*X/S為最大細(xì)胞產(chǎn)率 dtdxxkd ???1xkr dx )( ?? ?XmXYr sSXs ?????? ?*/1 sSXs mYq ??? ?*/1 4. 底物和產(chǎn)物抑制的動(dòng)力學(xué)模型 ? (1) 底物抑制動(dòng)力學(xué) (Andrew底物抑制 模型 ) ? 式中 KIS是底物抑制常數(shù) ? ( 2) 產(chǎn)物抑制動(dòng)力學(xué) （ Hinshelwood模型 ） ? 式中 ， P為產(chǎn)物濃度 ， k為動(dòng)力學(xué)常數(shù) ? 或： ? 式中 KIP為產(chǎn)物抑制常數(shù) ISS KSSK //11m a x ??? ??)1(m a x PkSK SS???? ??PKKSKSIPIPS ???? m a x?? （二）微生物產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)模型 ? Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率和細(xì)胞生長速率之間的關(guān)系，將產(chǎn)物形成區(qū)分為三種類型 ? 類型 Ⅰ∶ 也稱為偶聯(lián)模型（醇類、葡萄糖酸、乳酸） ? 類型 Ⅱ∶ 也稱部分偶聯(lián)模型（檸檬酸、氨基酸） ? 類型 Ⅲ∶ 也稱為非偶聯(lián)模型（抗生素、酶、維生素、多糖） XYrYr XPXXPP ?// ?? ?XPP Yq /?Xrr XP ???? ?? ??? ???PqXr P ?? ? ??Pq ? 上述三種類型外還有一種模型是 qP與 ?負(fù)偶聯(lián)的模型，例如黑曲霉生產(chǎn)黑色素，其 qP與 ?的關(guān)系可表示為： ? 當(dāng)考慮到產(chǎn)物可能存在分解時(shí)： ? 式中， k’d為產(chǎn)物分解常數(shù) ?XPPP Yqq /m a x, ??PkXrr dXP ?????? ?? 四 . 微生物反應(yīng)優(yōu)化的一般原理 ? 1. 發(fā)酵過程優(yōu)化的一般步驟 ? (1) 反應(yīng)過程的簡化 ? 是指把工藝過程的復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓縮為少數(shù)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以用關(guān)鍵變量來表示 ? (2) 定量化 ? 系統(tǒng)、準(zhǔn)確地檢測發(fā)酵過程的各種參數(shù) ? (3) 分離 ? 是指在生物過程和物理過程的各種速度相互不影響的情況下，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以獲得關(guān)于生物和物理現(xiàn)象的數(shù)據(jù) ? (4) 數(shù)學(xué)建模 ? 數(shù)學(xué)模型是能以簡化的形式表征過程行為 ， 并實(shí)現(xiàn)特定目的的數(shù)學(xué)公式 ? 數(shù)學(xué)模型可將特定結(jié)果通用化 ， 并為推論系統(tǒng)的其它性質(zhì)提供基礎(chǔ) ? 建立數(shù)學(xué)模型的主要目標(biāo)是： (a)為了預(yù)見任何系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率或生產(chǎn)率； (b)用以檢查在各種操作條件下工廠操作的性質(zhì)和行為 ， 檢查模型適用的范圍 (包括外推性 )； (c)用于進(jìn)行工藝優(yōu)化和計(jì)算機(jī)模擬； (d)用于檢測出可能重要但被忽視了的參數(shù)； (e)檢查是否已有效地區(qū)分生物現(xiàn)象和物理現(xiàn)象； (f)有助于闡明反應(yīng)機(jī)理 2. 分批微生物反應(yīng)過程的優(yōu)化 ? 最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：產(chǎn)量 、 生產(chǎn)率 、 純利潤等 ，有時(shí)也對這些指標(biāo)的其中二個(gè)以上進(jìn)行多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化 ? 最優(yōu)化的操作變量：反應(yīng)時(shí)間 、 培養(yǎng)基組成 、 溫度 、 pH、 溶氧等 ? * 培養(yǎng)基組成的優(yōu)化 ? 預(yù)先設(shè)定 XT為最大菌體濃度 ， 則由可得到底物 Si的初始濃度為 ∶ )(1 0/0, XXYS TSXii?? ? 無機(jī)離子或生長因子等一旦被細(xì)胞吸收 ， 在細(xì)胞內(nèi)保持元化學(xué)狀態(tài) ， 且含量恒定不變 。在單一菌體的結(jié)構(gòu)模型中，將整個(gè)菌體分為兩種或兩種以上成分，并認(rèn)為代謝過程是各種成分共同作用的結(jié)果。在高菌體濃度時(shí)，考慮微生物所占的體積分率，以及解析廢水生物處理過程中灑水濾床和旋轉(zhuǎn)圓盤的微生物膜，都是利用生物相分離模型。生物相分離模型 微生物群體 是將菌體作為與培養(yǎng)液 ( 連續(xù)相 ) 分離的生物相處理所建立的決定論模型。因此，微生物反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程只能通過數(shù)學(xué)模擬得到 ? 3. 進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬的難點(diǎn)在于細(xì)胞的生長、繁殖代謝是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過程，該過程既包括細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)，也包括胞內(nèi)與胞外的物質(zhì)交換，還包括胞外的物質(zhì)傳遞及反應(yīng) ? 4. 為了優(yōu)化反應(yīng)過程 ， 首先要進(jìn)行合理的簡化 ， 在簡化的基礎(chǔ)上建立過程的物理模型 ，再據(jù)此推導(dǎo)得出數(shù)學(xué)模型 。 ???? NOHC 3. 產(chǎn)率系數(shù) ? (1)宏觀產(chǎn)率系數(shù) ? 宏觀產(chǎn)率系數(shù) (或稱得率系數(shù) )Yi/j是化學(xué)計(jì)量學(xué)中一種非常重要的參數(shù)，常用于對碳源等底物形成菌體或產(chǎn)物的潛力進(jìn)行評價(jià)，其中 i表示菌體或產(chǎn)物， j表示底物 ? 例如，菌體對底物的產(chǎn)率系數(shù)可表示為： dsdxrrdtdsdtdxSSXXSXYsxttsx ???????????//00/ 生物反應(yīng)過程中宏觀產(chǎn)率系數(shù)的定義總覽 產(chǎn)率系數(shù) 組分間的反應(yīng)或關(guān)系 定義YX/S S → XYX/S= rX/rSYX/ O O 2 → XYX/O= rX/rOYP /S S → PYP /S= rP/rSYC/S S → CO2YC/S= rC/rSYP /O O2→ P Y P /O = r P /r OYHv / S S → HvYHv / S= rHv/rsYC/O O 2 → CO 2YC/O= rC/rOYHv /O O 2 → HvYHv /O= rHv/rO 有時(shí)，以摩爾為單位表示產(chǎn)率系數(shù)更有利： ? 相似的概念可用于表達(dá)重要的常數(shù)： ? 值在實(shí)踐中對推導(dǎo)元素平衡方程很重要 ， 對與氧化磷酸化有關(guān)的理論問題也有重要意義 形成的摩爾數(shù)細(xì)胞形成的碳摩爾數(shù)A T PYCA TP ?氧消耗的摩爾數(shù)細(xì)胞形成的碳摩爾數(shù)?COYCOY底物消耗的摩爾數(shù)細(xì)胞形成的碳摩爾數(shù)?CSY ? 假設(shè)發(fā)酵過程中完全沒有菌體生成，則 YP/S可達(dá)理論最高值，稱為理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率 ? （ a） 根據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算 ? 例如 ， 由葡萄糖 、 氨和氧生成谷氨酸的化學(xué)計(jì)量方程為 ∶ ? 依此計(jì)算 ， =147/180= ? 此處沒有考慮反應(yīng)過程中 NADH及 ATP等輔助底物的生成和消耗 (2)理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率 theorSPY /OHCONOHCONHOHC 22495236126 ????? （ b）由生物化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算 ? 根據(jù)由底物生成目標(biāo)代謝產(chǎn)物的代謝途徑，進(jìn)行代謝過程中有關(guān) NAD(P)+和 ATP等輔底物的物料衡算，結(jié)合化學(xué)計(jì)量關(guān)系可求出 ? 上式： ? 由該反應(yīng)式得 ∶ =(147 13)/(12 180)= ? 此處 ?酮戊二酸的氨基化還原反應(yīng)中所需要的NADPH由異檸檬酸脫氫反應(yīng)供給 ? !！用生化計(jì)量式時(shí) , 必須清楚有關(guān)的代謝途徑 OHCONOHCONHOHC 22495236126 272321213 ????? (c) 實(shí)際發(fā)酵過程中的產(chǎn)率系數(shù) ? 在實(shí)際發(fā)酵中 ， 產(chǎn)率是變化的 ， 產(chǎn)率取決于下列因素： ? Y= f (菌株、底物、 ?、 m、Ｓ；、 tm、OTR、 C/N， P/O) ? 式中 m為混合度 ， S為底物濃度 ， 為平均滯留時(shí)間 ， tm為混合時(shí)間 ， OTR為氧傳遞速度 ， C/N為碳氮比 ， P/O為磷氧比 t 另外， Papoutsakis和 Lim(1981)用碳流分支的概念來解釋菌體產(chǎn)率變化的原因： ? 其中 r1和 r２ 分別為碳源分支代謝途徑 1和途徑 2的反應(yīng)速度， MX和 MS為菌體和底物的分子量， ?x是 S→X 反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，可見產(chǎn)率只隨 r２ 或 r１ 變化 ? 在甲基營養(yǎng)菌中存在兩種不同的碳代謝流：同化 (r2)和氧化 (r1) ? 碳源和其它營養(yǎng)物的濃度或溫度 、 pH等培養(yǎng)條件的任何變化都可能引起 r２ 或 r１ 變化 ? 這一概念表明 ， 甲基營養(yǎng)菌菌體產(chǎn)率的變化是一個(gè)動(dòng)力學(xué)問題 ， 而不是生物合成問題 21/ /11)(rrMMYSXXSX ??? ? 三 . 微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué) ? 1. 被攝入到微生物細(xì)胞內(nèi)的底物中，一部分轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物，還有一部分則轉(zhuǎn)化為新生細(xì)胞的組成物質(zhì)。39。32dcba NOHC???? NOHC39。39。合成蛋白質(zhì)需消耗大量的自由能 ， 細(xì)胞一般根據(jù)其自身需求來調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成 ,其合成由蛋白質(zhì)合成系統(tǒng) (PSS)負(fù)責(zé) ， 該系統(tǒng)中核糖體是主要部分 E. coli中大約 70%的能量和還原力用于合成蛋白質(zhì) 合成 E. coli細(xì)胞對前體代謝物的需求 ? 細(xì)胞合成所需要的結(jié)構(gòu)單元數(shù)在 75～ 100之間，這些物質(zhì)都是從 12種前體代謝物合成得到的，這些前體代謝物就是分解代謝反應(yīng)的中間產(chǎn)物，因此分解代謝在細(xì)胞生長過程中起著雙重的作用 (為生物合成提供能量和前體代謝物 ) 前體代謝物 分子式 摩爾質(zhì)量 ( g / m o l ) 需要量 ( ? m o l / g 細(xì)胞 )6 磷酸 葡萄糖 C 6 H 13 O 9 P 260