響應面優(yōu)化實驗

1、 實 驗 報 告 課程名稱：發(fā)酵工藝及其優(yōu)化 實驗名稱： 響應面優(yōu)化實驗 專 業(yè)： 生物工程 學 號： 060512212 姓 名： 韋達理 實驗地點： 篤行樓303 實驗日期：2015年5月16日 常 熟 理 工 學 院實驗目的和要求1. 了解響應面優(yōu)化實驗的原理。2. 熟悉design expert軟件的基本操作。3. 熟悉響應面優(yōu)化實驗的具體流程。4. 優(yōu)化香菇多糖發(fā)酵培養(yǎng)基實驗器材 Design expert軟件實驗原理和方法 香菇多糖：是一種生理活性物質。它具有抗病毒、抗腫瘤、調節(jié)免疫功能和刺激干擾素形成等功能。 提取方法：從香菇子實體或經深層發(fā)酵后的發(fā)酵液中提取。香菇子實體生長周期

2、長，產量和多糖得率均較低。而深層發(fā)酵培養(yǎng)香菇菌絲體不僅發(fā)酵液中含有與子實體相當或更高的營養(yǎng)物質，同時還可利用農副產品作原料，成本低，周期短，易于大規(guī)模生產，因此已得到廣泛應用于重視。 響應曲面設計方法(Response SufaceMethodology，RSM)是利用合理的試驗設計方法并通過實驗得到一定數據，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數關系，通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數，解決多變量問題的一種統(tǒng)計方法（又稱回歸設計）。響應面曲線法的使用條件有：確信或懷疑因素對指標存在非線性影響；因素個數2-7個，一般不超過4個；所有因素均為計量值數據；試驗區(qū)域已接近最優(yōu)區(qū)域；基于

3、2水平的全因子正交試驗。 進行響應面分析的步驟為：確定因素及水平，注意水平數為2，因素數一般不超過4個，因素均為計量值數據；創(chuàng)建“中心復合”或“Box-Behnken”設計；確定試驗運行順序(Display Design)；進行試驗并收集數據；分析試驗數據；優(yōu)化因素的設置水平。響應面優(yōu)化法的優(yōu)點：考慮了試驗隨機誤差響應面法將復雜的未知的函數關系在小區(qū)域內用簡單的一次或二次多項式模型來擬合，計算比較簡便，是降低開發(fā)成本、優(yōu)化加工條件、提高產品質量，解決生產過程中的實際問題的一種有效方法與正交試驗相比，其優(yōu)勢是在試驗條件尋優(yōu)過程中，可以連續(xù)的對試驗的各個水平進行分析，而正交試驗只能對一個個孤立的試

4、驗點進行分析。 實驗數據和結果 實驗步驟1. 輸入三因素及其水平，設計響應面實驗。2. 應變量3. 輸入實驗數據4. 試驗方案形成5. 實驗數據分析 利用系統(tǒng)軟件SAS8.0對表5實驗數據進行二次多項回歸擬合，通過RESEG（響應面回歸）過程進行數據分析，建立二次響應面回歸模型，并尋求最優(yōu)相應因子水平，得到回歸方程：Y=2.136667+0.44625X1+0.045X2-0.01375X3-0.44583X12-0.13833X22-0.09083X32-0.1175X1X2+0.015X1X3-0.0725X2X3 模型的F檢驗值在=0.05時遠大于F（9,5）=4.77，說明方程有很高的

5、顯著性。 R2=0.9973，表明方程模型與實驗數據有99.73%的符合度，調整后的R2adj=0.9925，表明方程模型有很高的可信度。6. 正態(tài)分布圖7. Residuals vs Predicted 圖8. Predicted vs Actual 圖9. 實驗實際值和方程預測值10. 等高線圖11. 三維相應曲面圖 AB AC BC 在獲得非線性回歸模型和響應面之后，為了求得培養(yǎng)基最佳濃度，對所得的回歸擬和方程分別對各自的變量求一階偏導數，并令其為得到三元一次方程組，求解此方程組可以得到最大多糖量時的最佳條件： X1=0.5066(2.2533%) ，X2=-0.0488(0.9756%

6、) ， X3=0.0144(0.0993%) ，Y=2.2487g/L。所以產多糖最高時的培養(yǎng)基組成為：葡萄糖2.2533%，魚粉0.9756%，VB1 0.003%，NaCl0.8%，MgSO4·7H2O 0.1%，FeSO4·7H2O 0.04%，KH2PO4 0.0993%，初始pH值5.5。 12.用RSM預測最優(yōu)值 根據最優(yōu)培養(yǎng)基配方對模型進行驗證，香菇菌絲體產粗多糖為2.33g/L，實際值與預測值的誤差為+3.61%。初始培養(yǎng)基條件下總多糖產量為0.80g/L，優(yōu)化后提高了1.91倍。該結果表明，響應面法優(yōu)化產香菇粗多糖最佳培養(yǎng)基是可行有效的。 該研究經響應面方法優(yōu)化，在優(yōu)化條件下經3批搖瓶培養(yǎng)實驗驗證，粗多糖產量均值為2.33g/L與預測值2.2487g/L誤差為+3.61%，與原始培養(yǎng)條件相比，多糖產量提高了1.91倍。 實驗證明響應面方法對培養(yǎng)基優(yōu)化是非常有效的工具，Plackett-Burman實驗設計能對影響多糖產量的各因素效應進行評價并能有效地找出主要因素，最陡爬坡法能