第六章 生物反应器操作的优化

1、第六章第六章 生物反应器操作的优化生物反应器操作的优化基本要求：基本要求：掌握流加操作中反应器内各组分浓度变化和体积变化规律。掌握流加操作中反应器内各组分浓度变化和体积变化规律。了解生物反应分离耦合过程的方法。了解生物反应分离耦合过程的方法。了解反应过程的检测和调控。了解反应过程的检测和调控。重点：重点：BSTRBSTR的流加操作和生物反应分离耦合过程的流加操作和生物反应分离耦合过程第一节第一节 间歇反应过程操作条件的优化间歇反应过程操作条件的优化 由于间隙微生物反应器设计上的困难，因而绝大多数生物反应器的设计由于间隙微生物反应器设计上的困难，因而绝大多数生物反应器的设计仍凭经验。这样设计出来

2、的微生物反应器的操作未必能在优化条件下进行，仍凭经验。这样设计出来的微生物反应器的操作未必能在优化条件下进行，这就存在间隙微生物反应器的操作优化问题，只有这样，才能使得间隙微生这就存在间隙微生物反应器的操作优化问题，只有这样，才能使得间隙微生物反应器的操作达到最优。物反应器的操作达到最优。 从工程的角度看，所谓的优化，就是如何使得操作条件，操作方式和反从工程的角度看，所谓的优化，就是如何使得操作条件，操作方式和反应器的形式等的选择达到目的反应的最优值。具体到间隙微生物反应器，就应器的形式等的选择达到目的反应的最优值。具体到间隙微生物反应器，就是希望使用最少的费用，获得最大的效益。对于反应器，有

3、两种情况：是希望使用最少的费用，获得最大的效益。对于反应器，有两种情况：已已使用过的反应器，使用过的反应器，设计新的反应器。这两种情况，都涉及优化目标函数和设计新的反应器。这两种情况，都涉及优化目标函数和变量的确定。作为最优化的目标函数，可以为：纯利润，成本，产量或产率变量的确定。作为最优化的目标函数，可以为：纯利润，成本，产量或产率等；作为最优化的变量，可以为：反应时间，培养基组成，温度，等；作为最优化的变量，可以为：反应时间，培养基组成，温度，pHpH或或DODO等。等。 获得最佳工艺条件的方法有两种：获得最佳工艺条件的方法有两种： 变量的值。由此可以求得变量和因条件。取得极值所必须满足的

4、使得变量令其等于零，即就是该求导数：对某一需要优化的变量总能得到一个函数：fxzyxfdxdfzyxff,.),(,.),(1 1 试验法试验法 采用通过规划的有限次试验，摸索出最佳的工艺条件。常用的实验采用通过规划的有限次试验，摸索出最佳的工艺条件。常用的实验设计方法有：正交设计法和均匀设计法。这两种方法各有优缺点。正交设计方法有：正交设计法和均匀设计法。这两种方法各有优缺点。正交设计法能分析因素对结果的影响，但是实验次数较多；均匀设计法实验设计法能分析因素对结果的影响，但是实验次数较多；均匀设计法实验次数最少，但须事先明确实验范围。次数最少，但须事先明确实验范围。2 2 模拟计算法模拟计算

5、法例一、培养基组成的优化例一、培养基组成的优化 在间隙培养中，各种营养成分是一次性加入到反应器中的，因此，我们可以仅从计量关系上决定装在间隙培养中，各种营养成分是一次性加入到反应器中的，因此，我们可以仅从计量关系上决定装入的营养成分的量或浓度。假定预先指定最大的菌体浓度为入的营养成分的量或浓度。假定预先指定最大的菌体浓度为x xstst，根据菌体的得率系数，根据菌体的得率系数Y Yx/sx/s，我们可以确，我们可以确定某营养成分定某营养成分i i的初始浓度为：的初始浓度为： 反应结束收获时，产物的收获量和营养成分的装入量之间的关系十分复杂。对此，我们可以采用统反应结束收获时，产物的收获量和营养

6、成分的装入量之间的关系十分复杂。对此，我们可以采用统计调优法计调优法11。 假定产物的收获量假定产物的收获量P Pt t 为营养底物成分初始浓度的函数，即可以表示为：为营养底物成分初始浓度的函数，即可以表示为： n n 为营养成分的个数和表示第为营养成分的个数和表示第n n个营养成分。个营养成分。 若可以假定收获量与各成分的初始浓度之间的函数关系为一次式，即有：若可以假定收获量与各成分的初始浓度之间的函数关系为一次式，即有： 其中：其中： 为未知系数，为未知系数，P Pt t , P , Pc c 分别为收获量的实际值和计算值。分别为收获量的实际值和计算值。 设计设计m m次实验。我们可以得到

7、：次实验。我们可以得到： 根据上式计算得到的收获量计算值与实验值之间存在差别。根据统计回归，寻找合适的回归系数集，根据上式计算得到的收获量计算值与实验值之间存在差别。根据统计回归，寻找合适的回归系数集，使得计算值同实验值之间的差最小。据此，我们可以确定未知系数。有了这些系数，我们可以确定最佳使得计算值同实验值之间的差最小。据此，我们可以确定未知系数。有了这些系数，我们可以确定最佳的培养基营养成分的初始加入量。的培养基营养成分的初始加入量。11 、统计调优法是将实验数据关联成一定的统计模型，并从关于目标函数的统计模型出发，利用一定、统计调优法是将实验数据关联成一定的统计模型，并从关于目标函数的统

8、计模型出发，利用一定的计算机程序进行最优化搜索，由此获得最优工艺条件。的计算机程序进行最优化搜索，由此获得最优工艺条件。SYxxixSst001 Pf StSSSSSinT102000,.,.,PSSSSciinn011022000.12,.,ncPS.例二、温度的最优控制例二、温度的最优控制 在间隙微生物发酵过程中，温度的控制是十分重要的。实验表明，温度控制在定值并不是最优，应在间隙微生物发酵过程中，温度的控制是十分重要的。实验表明，温度控制在定值并不是最优，应根据微生物生长的不同时期，确定不同的优化温度，即最优温度是时间的函数。因此，在微生物培养根据微生物生长的不同时期，确定不同的优化温度

9、，即最优温度是时间的函数。因此，在微生物培养过程中，为了使过程最优，应控制一定的温度程序。过程中，为了使过程最优，应控制一定的温度程序。 间隙微生物反应中，菌体的最适生长温度与代谢产物生成的温度并不一致。假如我们设它们分别为：间隙微生物反应中，菌体的最适生长温度与代谢产物生成的温度并不一致。假如我们设它们分别为： 菌体最优生长温度菌体最优生长温度 产物生成目标函数产物生成目标函数 因此，要根据上面两个函数，利用数值求解，优化搜索，来调整微生物反应过程的温度，使得目的因此，要根据上面两个函数，利用数值求解，优化搜索，来调整微生物反应过程的温度，使得目的函数的生成量最大。函数的生成量最大。 例：青

10、霉素生产的温度优化控制。例：青霉素生产的温度优化控制。 产生青霉素的青霉属的霉菌，在产生青霉素的青霉属的霉菌，在30时菌体生长速率最大，而青时菌体生长速率最大，而青霉素的生物合成速率在霉素的生物合成速率在1520时最快。因此，在生产过程自动化控制条件不具备的情况下，一般取时最快。因此，在生产过程自动化控制条件不具备的情况下，一般取中间温度中间温度25，进行定值控制。当然，这样的控制肯定不是最优的。对于这种情况，我们可以采用最，进行定值控制。当然，这样的控制肯定不是最优的。对于这种情况，我们可以采用最优化理论来进行温度的优化控制。采用最优化理论来进行温度的优化控制，首先要用数学模型来表达优化理论

11、来进行温度的优化控制。采用最优化理论来进行温度的优化控制，首先要用数学模型来表达考察对象的状态。这样的模型应尽可能正确表达，不然的话，所得到的最优解是不可信的。考察对象的状态。这样的模型应尽可能正确表达，不然的话，所得到的最优解是不可信的。 在生产青霉素的反应中，我们采用了下述模型：在生产青霉素的反应中，我们采用了下述模型： （菌体生成有毒产物，抑制菌体的生长）（菌体生成有毒产物，抑制菌体的生长） （生成的青霉素会发生自身分解）（生成的青霉素会发生自身分解） 式中：式中： 分别表示菌体浓度分别表示菌体浓度x，产物浓度，产物浓度p和时间和时间t的无因次量，时间从迟滞期后开始计。的无因次量，时间从

12、迟滞期后开始计。 为反应速率常数，它们与时间的关系分别为：为反应速率常数，它们与时间的关系分别为： 式中：式中：T为绝对温度。初始条件为：为绝对温度。初始条件为： 。 通过适当的数学手段，可以解得，为了使青霉素得率最大，最初一段时间里，为了获得菌体细胞而通过适当的数学手段，可以解得，为了使青霉素得率最大，最初一段时间里，为了获得菌体细胞而增高温度，而后降低温度，使得青霉素的产量达到最大。增高温度，而后降低温度，使得青霉素的产量达到最大。 TT topti PP T tdZdK ZZK121dpdK ZK pRR34Z pR,KKKK1234,KT121497 100005243.KT22107

13、7 100005243.KT325325100005253.KT44455614112981.exp. ZpR00029400.,第二节第二节 生物反应过程操作方式的最优化生物反应过程操作方式的最优化 操作方式的最优化主要是针对存在底物或产物抑制的生物反应体系而采操作方式的最优化主要是针对存在底物或产物抑制的生物反应体系而采取的半间歇操作取的半间歇操作. .这种半间歇操作分为控制底物浓度的半间歇操作和控制产这种半间歇操作分为控制底物浓度的半间歇操作和控制产物浓度的生化反应和分离相耦合的半间歇操作物浓度的生化反应和分离相耦合的半间歇操作. .一般的半间歇操作指的就是一般的半间歇操作指的就是控制底

14、物浓度的半间歇操作控制底物浓度的半间歇操作, ,而控制产物浓度的半间歇操作常称为反应分离而控制产物浓度的半间歇操作常称为反应分离耦合技术耦合技术. . 半间歇操作的反应体积随时间变化半间歇操作的反应体积随时间变化, ,所以需定义新的参数所以需定义新的参数. .定义三个参数：定义三个参数：inSsPXSsXXXFCfdtVCdVCdtVCdfVCdtVCdVC,111式中：式中：V为反应体积，为时间为反应体积，为时间t的函数；的函数； fs为加料底物的质量流量，为加料底物的质量流量，Kg/hr； F为加料的体积流量，为加料的体积流量，l/hr； Sin为加料中底物的浓度，为加料中底物的浓度，Kg

15、/l。 半间隙操作，又称流加操作，是指在反应过程中将某种特定的限半间隙操作，又称流加操作，是指在反应过程中将某种特定的限制性底物（一种或两种成分以上均可以）流加到反应器中，而目的生制性底物（一种或两种成分以上均可以）流加到反应器中，而目的生成物（菌体或菌体以外的代谢产物）则要到反应结束收获时才从反应成物（菌体或菌体以外的代谢产物）则要到反应结束收获时才从反应器中提取出来的操作方式器中提取出来的操作方式. .工业上为了提高目的产物的产量常采用这种工业上为了提高目的产物的产量常采用这种操作方式。半间隙操作的要点是控制好底物的浓度。操作方式。半间隙操作的要点是控制好底物的浓度。 半间隙操作有两种控制

16、方式半间隙操作有两种控制方式: :无反馈控制的和反馈控制的半间隙操无反馈控制的和反馈控制的半间隙操作。作。1 1 生物反应器的补料和流加操作生物反应器的补料和流加操作 无反馈控制的半间隙操作无反馈控制的半间隙操作 这种操作方式，底物流量的控制是按预先规定的方案变化。因此，表示系统这种操作方式，底物流量的控制是按预先规定的方案变化。因此，表示系统的数学模型的正确程度是这种操作成功与否的关键。最简单的数学模型为：的数学模型的正确程度是这种操作成功与否的关键。最简单的数学模型为： 微生物增殖：微生物增殖： 底物增加；底物增加； 培养基体积增加：培养基体积增加： （k kvapvap表示单位时间内因通

17、气与废气一起排出表示单位时间内因通气与废气一起排出 而损失的水分）而损失的水分） 代谢产物的增加：代谢产物的增加： 将上面四式同将上面四式同 联系起来，对给定的流加速率和初始条件，可以唯联系起来，对给定的流加速率和初始条件，可以唯一地确定菌体浓度、底物浓度和产物浓度随时间的变化关系。一地确定菌体浓度、底物浓度和产物浓度随时间的变化关系。 几种常用的流加操作：几种常用的流加操作：定流量流加操作（定流量流加操作（F F常数，这种操作方式的最大特常数，这种操作方式的最大特定是引起微生物的直线增殖。）定是引起微生物的直线增殖。）指数流加操作（指数流加操作（F F指数函数，在理想情况下，指数函数，在理想

18、情况下，微生物的增殖为指数增殖，因此，按指数方式流加底物，只要满足某些条件，不微生物的增殖为指数增殖，因此，按指数方式流加底物，只要满足某些条件，不仅可以达到微生物以指数方式增殖，而且可以保持一定的底物浓度。）仅可以达到微生物以指数方式增殖，而且可以保持一定的底物浓度。）优化流优化流加操作（以生产代谢产物为目的情况下，流加流体的流量变化可以在实验数据的加操作（以生产代谢产物为目的情况下，流加流体的流量变化可以在实验数据的基础上，应用最优化方法确定最优化的流量变化基础上，应用最优化方法确定最优化的流量变化F F（t t）。）。 XXVCdtVCddtVCdYfdtVCdXsS1dVdtFkvap

19、ABC2SCf 反馈控制的半间隙操作反馈控制的半间隙操作 根据要控制的参数，确定流加流体流量的变化。采用反馈控制，就没有必根据要控制的参数，确定流加流体流量的变化。采用反馈控制，就没有必要建立系统的数学模型。这种操作方式按控制方法可以分为：要建立系统的数学模型。这种操作方式按控制方法可以分为：间接控制（把与间接控制（把与过程密切相关的可测参数作为控制指标，例如过程密切相关的可测参数作为控制指标，例如pHpH，Q QCO2CO2，RQRQ等。）等。）直接控制直接控制（连续或间隙地测定培养液中流加的底物浓度，以控制其在某一数值作为控制指（连续或间隙地测定培养液中流加的底物浓度，以控制其在某一数值作

20、为控制指标。）标。） 按控制流加底物浓度的情况，可以分为：按控制流加底物浓度的情况，可以分为：定值控制（控制底物的浓度为某定值控制（控制底物的浓度为某一定值。）一定值。）程序控制（控制底物浓度随时间按一定的规律变化。）程序控制（控制底物浓度随时间按一定的规律变化。） 当反应缓慢时，现场技术人员常常是在检测底物浓度的同时，采用直接手当反应缓慢时，现场技术人员常常是在检测底物浓度的同时，采用直接手动控制。当然，一般情况下采用自动控制为佳。动控制。当然，一般情况下采用自动控制为佳。 常采用的几种间隙反应优化操作：常采用的几种间隙反应优化操作： a a、补料操作、补料操作: :间隙操作达到最大菌体浓度

21、及限制性底物将耗尽时，开始以间隙操作达到最大菌体浓度及限制性底物将耗尽时，开始以恒定的流速补加含有限制性底物的基质，直到培养液体积达到额定值为止。恒定的流速补加含有限制性底物的基质，直到培养液体积达到额定值为止。 b b、重复补料操作、重复补料操作: :在培养过程中，从某时起每隔一段时间取出一定体积的在培养过程中，从某时起每隔一段时间取出一定体积的培养液，同时在同一时间间隔内加入一定体积的培养基。采用这种操作方式，培培养液，同时在同一时间间隔内加入一定体积的培养基。采用这种操作方式，培养液体积，稀释率以及生长速率等与代谢途径有关的参数都随时间发生周期性变养液体积，稀释率以及生长速率等与代谢途径

22、有关的参数都随时间发生周期性变化化。2 2 生物反应与分离耦合技术生物反应与分离耦合技术 间歇微生物反应中菌体生长转移到静止期的一个原因是有毒物质的积累。这间歇微生物反应中菌体生长转移到静止期的一个原因是有毒物质的积累。这种有毒物质往往是代谢产物（目的代谢产物或非目的代谢产物）。因此，为了能种有毒物质往往是代谢产物（目的代谢产物或非目的代谢产物）。因此，为了能保持菌体有较高生长速率和得到较大的菌体或某一产物的产率，有必要在微生物保持菌体有较高生长速率和得到较大的菌体或某一产物的产率，有必要在微生物反应的同时，不断地把这些有毒物质分离出去。这就是同时进行分离和反应的间反应的同时，不断地把这些有毒

23、物质分离出去。这就是同时进行分离和反应的间隙操作，又称耦合操作。近年来这方面的研究工作十分活跃，出现了许多具有分隙操作，又称耦合操作。近年来这方面的研究工作十分活跃，出现了许多具有分离功能的新型生物反应器和生物反应操作工艺。离功能的新型生物反应器和生物反应操作工艺。 名称或过程名称或过程 特特 点点 适适 用用 情情 况况 备备 注注 真空发酵真空发酵 用抽真空的方法，将发酵液中有抑用抽真空的方法，将发酵液中有抑制作用的易挥发组分从反应液中分制作用的易挥发组分从反应液中分离出去。离出去。 有抑制菌体细胞生长的易有抑制菌体细胞生长的易挥发组分（往往是产物）挥发组分（往往是产物）的存在。的存在。 气提发酵气提发酵 利用某些惰性气体（例如：利用某些惰性气体（例如：N2，H2，CO2等）将发酵液有抑制作用的蒸等）将发酵液有抑制作用的蒸汽压大于水的挥发性产物带出发酵汽压大于水的挥发性产物带出发酵罐。罐。 有抑制菌体细胞生长的易有抑制菌体细胞生长的易挥发组分（