生物反應(yīng)器操作的優(yōu)化

生物反應(yīng)器操作的優(yōu)化第一頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)間歇反應(yīng)過程操作條件的優(yōu)化由于間隙微生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)上的困難，因而絕大多數(shù)生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)仍憑經(jīng)驗(yàn)。這樣設(shè)計(jì)出來的微生物反應(yīng)器的操作未必能在優(yōu)化條件下進(jìn)行，這就存在間隙微生物反應(yīng)器的操作優(yōu)化問題，只有這樣，才能使得間隙微生物反應(yīng)器的操作達(dá)到最優(yōu)。從工程的角度看，所謂的優(yōu)化，就是如何使得操作條件，操作方式和反應(yīng)器的形式等的選擇達(dá)到目的反應(yīng)的最優(yōu)值。具體到間隙微生物反應(yīng)器，就是希望使用最少的費(fèi)用，獲得最大的效益。對(duì)于反應(yīng)器，有兩種情況：已使用過的反應(yīng)器，設(shè)計(jì)新的反應(yīng)器。這兩種情況，都涉及優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和變量的確定。作為最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，可以為：純利潤(rùn)，成本，產(chǎn)量或產(chǎn)率等；作為最優(yōu)化的變量，可以為：反應(yīng)時(shí)間，培養(yǎng)基組成，溫度，pH或DO等。獲得最佳工藝條件的方法有兩種：

第二頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三1試驗(yàn)法采用通過規(guī)劃的有限次試驗(yàn)，摸索出最佳的工藝條件。常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有：正交設(shè)計(jì)法和均勻設(shè)計(jì)法。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。正交設(shè)計(jì)法能分析因素對(duì)結(jié)果的影響，但是實(shí)驗(yàn)次數(shù)較多；均勻設(shè)計(jì)法實(shí)驗(yàn)次數(shù)最少，但須事先明確實(shí)驗(yàn)范圍。2模擬計(jì)算法第三頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三例一、培養(yǎng)基組成的優(yōu)化在間隙培養(yǎng)中，各種營(yíng)養(yǎng)成分是一次性加入到反應(yīng)器中的，因此，我們可以僅從計(jì)量關(guān)系上決定裝入的營(yíng)養(yǎng)成分的量或濃度。假定預(yù)先指定最大的菌體濃度為xst，根據(jù)菌體的得率系數(shù)Yx/s，我們可以確定某營(yíng)養(yǎng)成分i的初始濃度為：

反應(yīng)結(jié)束收獲時(shí)，產(chǎn)物的收獲量和營(yíng)養(yǎng)成分的裝入量之間的關(guān)系十分復(fù)雜。對(duì)此，我們可以采用統(tǒng)計(jì)調(diào)優(yōu)法[1]。假定產(chǎn)物的收獲量Pt為營(yíng)養(yǎng)底物成分初始濃度的函數(shù)，即可以表示為：

n為營(yíng)養(yǎng)成分的個(gè)數(shù)和表示第n個(gè)營(yíng)養(yǎng)成分。若可以假定收獲量與各成分的初始濃度之間的函數(shù)關(guān)系為一次式，即有：

其中：為未知系數(shù)，Pt,Pc分別為收獲量的實(shí)際值和計(jì)算值。設(shè)計(jì)m次實(shí)驗(yàn)。我們可以得到：

根據(jù)上式計(jì)算得到的收獲量計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間存在差別。根據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸，尋找合適的回歸系數(shù)集，使得計(jì)算值同實(shí)驗(yàn)值之間的差最小。據(jù)此，我們可以確定未知系數(shù)。有了這些系數(shù)，我們可以確定最佳的培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分的初始加入量。

[1]、統(tǒng)計(jì)調(diào)優(yōu)法是將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)成一定的統(tǒng)計(jì)模型，并從關(guān)于目標(biāo)函數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型出發(fā)，利用一定的計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行最優(yōu)化搜索，由此獲得最優(yōu)工藝條件。第四頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三例二、溫度的最優(yōu)控制

在間隙微生物發(fā)酵過程中，溫度的控制是十分重要的。實(shí)驗(yàn)表明，溫度控制在定值并不是最優(yōu)，應(yīng)根據(jù)微生物生長(zhǎng)的不同時(shí)期，確定不同的優(yōu)化溫度，即最優(yōu)溫度是時(shí)間的函數(shù)。因此，在微生物培養(yǎng)過程中，為了使過程最優(yōu)，應(yīng)控制一定的溫度程序。

間隙微生物反應(yīng)中，菌體的最適生長(zhǎng)溫度與代謝產(chǎn)物生成的溫度并不一致。假如我們?cè)O(shè)它們分別為：

菌體最優(yōu)生長(zhǎng)溫度

產(chǎn)物生成目標(biāo)函數(shù)

因此，要根據(jù)上面兩個(gè)函數(shù)，利用數(shù)值求解，優(yōu)化搜索，來調(diào)整微生物反應(yīng)過程的溫度，使得目的函數(shù)的生成量最大。

例：青霉素生產(chǎn)的溫度優(yōu)化控制。

產(chǎn)生青霉素的青霉屬的霉菌，在30℃時(shí)菌體生長(zhǎng)速率最大，而青霉素的生物合成速率在15～20℃時(shí)最快。因此，在生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制條件不具備的情況下，一般取中間溫度25℃，進(jìn)行定值控制。當(dāng)然，這樣的控制肯定不是最優(yōu)的。對(duì)于這種情況，我們可以采用最優(yōu)化理論來進(jìn)行溫度的優(yōu)化控制。采用最優(yōu)化理論來進(jìn)行溫度的優(yōu)化控制，首先要用數(shù)學(xué)模型來表達(dá)考察對(duì)象的狀態(tài)。這樣的模型應(yīng)盡可能正確表達(dá)，不然的話，所得到的最優(yōu)解是不可信的。

在生產(chǎn)青霉素的反應(yīng)中，我們采用了下述模型：

（菌體生成有毒產(chǎn)物，抑制菌體的生長(zhǎng)）

（生成的青霉素會(huì)發(fā)生自身分解）

式中：

分別表示菌體濃度x，產(chǎn)物濃度p和時(shí)間t的無因次量，時(shí)間從遲滯期后開始計(jì)。

為反應(yīng)速率常數(shù)，它們與時(shí)間的關(guān)系分別為：

式中：T為絕對(duì)溫度。初始條件為：。

通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)手段，可以解得，為了使青霉素得率最大，最初一段時(shí)間里，為了獲得菌體細(xì)胞而增高溫度，而后降低溫度，使得青霉素的產(chǎn)量達(dá)到最大。

第五頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)生物反應(yīng)過程操作方式的最優(yōu)化

操作方式的最優(yōu)化主要是針對(duì)存在底物或產(chǎn)物抑制的生物反應(yīng)體系而采取的半間歇操作.這種半間歇操作分為控制底物濃度的半間歇操作和控制產(chǎn)物濃度的生化反應(yīng)和分離相耦合的半間歇操作.一般的半間歇操作指的就是控制底物濃度的半間歇操作,而控制產(chǎn)物濃度的半間歇操作常稱為反應(yīng)分離耦合技術(shù).半間歇操作的反應(yīng)體積隨時(shí)間變化,所以需定義新的參數(shù).定義三個(gè)參數(shù)：式中：V為反應(yīng)體積，為時(shí)間t的函數(shù)；fs為加料底物的質(zhì)量流量，Kg/hr；F為加料的體積流量，l/hr；Sin為加料中底物的濃度，Kg/l。第六頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三半間隙操作，又稱流加操作，是指在反應(yīng)過程中將某種特定的限制性底物（一種或兩種成分以上均可以）流加到反應(yīng)器中，而目的生成物（菌體或菌體以外的代謝產(chǎn)物）則要到反應(yīng)結(jié)束收獲時(shí)才從反應(yīng)器中提取出來的操作方式.工業(yè)上為了提高目的產(chǎn)物的產(chǎn)量常采用這種操作方式。半間隙操作的要點(diǎn)是控制好底物的濃度。半間隙操作有兩種控制方式:無反饋控制的和反饋控制的半間隙操作。1生物反應(yīng)器的補(bǔ)料和流加操作第七頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三無反饋控制的半間隙操作

這種操作方式，底物流量的控制是按預(yù)先規(guī)定的方案變化。因此，表示系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的正確程度是這種操作成功與否的關(guān)鍵。最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型為：微生物增殖：底物增加；培養(yǎng)基體積增加：（kvap表示單位時(shí)間內(nèi)因通氣與廢氣一起排出而損失的水分）代謝產(chǎn)物的增加：將上面四式同聯(lián)系起來，對(duì)給定的流加速率和初始條件，可以唯一地確定菌體濃度、底物濃度和產(chǎn)物濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系。幾種常用的流加操作：定流量流加操作（F＝常數(shù)，這種操作方式的最大特定是引起微生物的直線增殖。）指數(shù)流加操作（F＝指數(shù)函數(shù)，在理想情況下，微生物的增殖為指數(shù)增殖，因此，按指數(shù)方式流加底物，只要滿足某些條件，不僅可以達(dá)到微生物以指數(shù)方式增殖，而且可以保持一定的底物濃度。）優(yōu)化流加操作（以生產(chǎn)代謝產(chǎn)物為目的情況下，流加流體的流量變化可以在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用最優(yōu)化方法確定最優(yōu)化的流量變化F（t））。

第八頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三反饋控制的半間隙操作

根據(jù)要控制的參數(shù)，確定流加流體流量的變化。采用反饋控制，就沒有必要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。這種操作方式按控制方法可以分為：間接控制（把與過程密切相關(guān)的可測(cè)參數(shù)作為控制指標(biāo)，例如pH，QCO2，RQ等。）直接控制（連續(xù)或間隙地測(cè)定培養(yǎng)液中流加的底物濃度，以控制其在某一數(shù)值作為控制指標(biāo)。）按控制流加底物濃度的情況，可以分為：定值控制（控制底物的濃度為某一定值。）程序控制（控制底物濃度隨時(shí)間按一定的規(guī)律變化。）當(dāng)反應(yīng)緩慢時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員常常是在檢測(cè)底物濃度的同時(shí)，采用直接手動(dòng)控制。當(dāng)然，一般情況下采用自動(dòng)控制為佳。常采用的幾種間隙反應(yīng)優(yōu)化操作：a、補(bǔ)料操作:間隙操作達(dá)到最大菌體濃度及限制性底物將耗盡時(shí)，開始以恒定的流速補(bǔ)加含有限制性底物的基質(zhì)，直到培養(yǎng)液體積達(dá)到額定值為止。b、重復(fù)補(bǔ)料操作:在培養(yǎng)過程中，從某時(shí)起每隔一段時(shí)間取出一定體積的培養(yǎng)液，同時(shí)在同一時(shí)間間隔內(nèi)加入一定體積的培養(yǎng)基。采用這種操作方式，培養(yǎng)液體積，稀釋率以及生長(zhǎng)速率等與代謝途徑有關(guān)的參數(shù)都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化。第九頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三2生物反應(yīng)與分離耦合技術(shù)

間歇微生物反應(yīng)中菌體生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到靜止期的一個(gè)原因是有毒物質(zhì)的積累。這種有毒物質(zhì)往往是代謝產(chǎn)物（目的代謝產(chǎn)物或非目的代謝產(chǎn)物）。因此，為了能保持菌體有較高生長(zhǎng)速率和得到較大的菌體或某一產(chǎn)物的產(chǎn)率，有必要在微生物反應(yīng)的同時(shí)，不斷地把這些有毒物質(zhì)分離出去。這就是同時(shí)進(jìn)行分離和反應(yīng)的間隙操作，又稱耦合操作。近年來這方面的研究工作十分活躍，出現(xiàn)了許多具有分離功能的新型生物反應(yīng)器和生物反應(yīng)操作工藝。第十頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三名稱或過程

特

點(diǎn)

適

用

情

況

備

注

真空發(fā)酵

用抽真空的方法，將發(fā)酵液中有抑制作用的易揮發(fā)組分從反應(yīng)液中分離出去。

有抑制菌體細(xì)胞生長(zhǎng)的易揮發(fā)組分（往往是產(chǎn)物）的存在。

氣提發(fā)酵

利用某些惰性氣體（例如：N2，H2，CO2等）將發(fā)酵液有抑制作用的蒸汽壓大于水的揮發(fā)性產(chǎn)物帶出發(fā)酵罐。

有抑制菌體細(xì)胞生長(zhǎng)的易揮發(fā)組分（往往是產(chǎn)物）的存在。

萃取發(fā)酵包括雙水相萃取和膜萃取

在發(fā)酵的同時(shí)，用萃取劑萃取分離發(fā)酵液中的有抑制作用的產(chǎn)物，以降低其在發(fā)酵液中的濃度。

能找到一種對(duì)菌體細(xì)胞正常發(fā)酵無影響的，產(chǎn)物在其中有較大分配常數(shù)的萃取劑。

這種操作可以分為兩種情況：在線操作離線操作

膜分離發(fā)酵超濾－細(xì)胞循環(huán)滲透汽化－細(xì)胞循環(huán)

在發(fā)酵的同時(shí)，發(fā)酵液連續(xù)通過膜分離裝置，使產(chǎn)物及時(shí)分離出去，而發(fā)酵殘夜和細(xì)胞返回反應(yīng)器中。

能找到可以有效分離產(chǎn)物的膜。

中空纖維－細(xì)胞固定

用中空纖維將