第四章 基于反应动力学的优化技术.ppt

第四章 基于反应动力学模型的优化技术;第一节 发酵过程数量化方法;发酵过程常规的参数及其测量;一、发酵过程的速度;菌体生长速度为：;细胞生长的比速率为?：;2. 产率系数 ;生物反应过程中宏观产率系数的定义总览;有时，以摩尔为单位表示产率系数更有利：; 假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可达理论最高值，称为理论代谢产物产率 ;(b) 由生物化学计量关系计算; 在实际发酵中，产率是变化的，产率取决于下列因素： Y= f (菌株、底物、?、m、s；、tm、OTR、 C/N，P/O) 式中m为混合度，s为底物浓度， 为平均滞留时间，tm为混合时间，OTR为氧传递速度，C/N为碳氮比，P/O为磷氧比.;第二节 微生物反应动力学模型; 3. 进行数学模拟的难点在于细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学过程，该过程既包括细胞内的生化反应，也包括胞内与胞外的物质交换，还包括胞外的物质传递及反应 4. 为了优化反应过程，首先要进行合理的简化，在简化的基础上建立过程的物理模型，再据此推导得出数学模型。;微生物反应动力学模型的分类;一、微生物生长的非结构动力学模型;微生物生长的速率为∶;(二)细胞生长稳定期和延迟期的Monod型动力学;(三) 微生物死亡期和内源代谢;2、内源代谢的动力学模型;由于;(四) 底物和产物抑制的动力学模型;1、底物抑制动力学 同酶催化反应类似，当培养基中某种底物浓度高到一定程度后，细胞的比生长速率随该底物浓度的升高反而下降，表现出底物抑制作用。最常用的描述底物抑制的模型是Andrew根据连续培养中底物的抑制情况提出的普遍化底物抑制模型：;2、产物抑制动力学 细胞的一些代谢产物有时会影响细胞的生长。Hinshelwood研究了产物浓度对细胞比生长速率的影响，提出了Hinshelwood模型：; Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的关系，将产物形成区分为三种类型： 类型Ⅰ：也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳酸） 类型Ⅱ：也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸） 类型Ⅲ：也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生素、多糖）;类型Ⅰ：也称为偶联模型。是指??物的生成与细胞的生长偶联的过程，这类代谢产物通常是主要能源分解代谢的直接结果，因此代谢产物的生成与微生物生长是完全同步的。类型Ⅱ：也称部分偶联模型。是指反应产物的生长与底物消耗存在部分偶联的过程，这类代谢产物通常是在能源代谢中间接生成的，代谢途径较为复杂 。类型Ⅲ：也称为非偶联模型。指产物的生成与细胞的生长没有直接关系，当细胞处于生长阶段时，并没有产物积累，而当细胞生长停止后，产物却大量生成 。;三、多底物动力学(简讲); 底物依次利用的一般化方程可用下列关系式来表示：;微生物反应优化的一般原理;(一) 反应过程的简化 发酵过程的简化是指把工艺过程的复杂结构压缩为少数系统，这些系统可以用关键变量来表示。由于生物系统含有生物学和物理学两方面的属性，因此，进行简化必须不损失基本信息。这样，才能保证实验和理论研究在实现目标的同时确保对系统描述的精确性。;(三) 分离 分离是指在生物过程和物理过程的各种速度相互不影响的情况下，精心设计实验以获得关于生物和物理现象的数据。 分离原理是合理应用数学模型的一个重要的前提条件。;(四) 数学建模 数学模型是能以简化的形式表征过程行为，并实现特定目的的数学公式。数学模型可将特定结果通用化，并为推论系统的其它性质提供基础。 建立数学模型的主要目标是： (1) 为了预见任何系统的转化率或生产率； (2) 用以检查在各种操作条件下工厂操作的性质和 行为，检查模型适用的范围(包括外推性)； (3) 用于进行工艺优化和计算机模拟； (4) 用于检测出可能重要但被忽视了的参数； (5) 检查是否已有效地区分生物现象和物理现象； (6) 有助于阐明反应机理。;第三节 聚羟基丁酸分批发酵过程 动力学模型及优化; 另外，对分批发酵过程动力学的研究和分批发酵模型的建立，将有助于更好地认识PHB发酵过程中菌体生长和产物形成的机制，以及影响这些机制的一些重要环境因素，最终实现对PHB发酵过程的有效控制，达到提高PHB发酵指标的目的。 本节研究了分批发酵中不同供氧水平对菌体生长和产物形成过程的影响，并对不同初始葡萄糖浓度下PHB的分批发酵动力学进行了研究。然后，对R. eutrophus菌体生长和产物形成不同阶段