发酵过程及控制课件.ppt
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1、 发酵过程及控制 第五章第五章发酵过程及控制第一节 发酵方式 第二节 发酵动力学 第三节 发酵过程主要影响因素及控制 第四节 发酵过程检测和自控 第五节 发酵终点的判断 第一节 发酵方式 一、概述一、概述 发酵原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程。现在从广义上将发酵看作是微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经过特定的代谢转变成所需产物的过程。微生物具有合成某种产物的潜力,但要想在生物反应器中顺利实现以最大限度地合成所需产物却并不容易。发酵是一种很复杂的生化过程,其好坏涉及诸多因素。最基本的是取决于生产菌种的性能,但有了优良的菌种之后,还需要有最佳的环境条件即发
2、酵工艺加以配合,才能使其生产能力充分表现出来。第一节 发酵方式 二、分批发酵二、分批发酵 1.1.分批发酵的理论基础分批发酵的理论基础 分批发酵是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后,接入少量的微生物菌种进行培养,使微生物生长繁殖,在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。该方法在发酵开始时,将微生物菌种接入已经灭菌的培养基中,在微生物最适宜的培养条件下进行培养,在整个培养过程中,除氧气的供给、发酵尾气的排出、消泡剂的添加和控制pH需加入的酸或碱外,整个培养系统与外界没有其他物质的交换。分批培养将细胞和培养液一次性装入反应器内,进行培养,细胞不断生长,产物也不断形成,经过一段时间
3、反应后,将整个反应系取出。分批培养的特点是操作简单,易于掌握,因而是最常见的操作方式。9.1多多Agent系统简述系统简述第九章 多Agent系统of 315弱定义:Agent一般用以说明一个软硬件系统。它具有自治性,社会性,反映性,能动性等特性。9.1.1概念概念1.Agent强定义:Agent不仅具有以上的特性,而且具有知识、信念、义务、意图等人类才具有的特性。强定义更加强调人格化概念的Agent的心智要素。一般而言,可以认为Agent是一个能够感知外界环境并具有自主行为能力的以实现其设计目标的自治系统。它运行于复杂和不断变化的动态环境中,能有效地利用环境中各种可以利用的数据、知识、信息和
4、计算资源,准确理解用户的真实意图,为用户提供迅捷、准确和满意的服务。9.1多多Agent系统简述系统简述第九章 多Agent系统of 316关于MAS,百度百科给出的定义是由多个Agent组成的集合,其多个Agent成员之间相互协调,相互服务,共同完成一个任务。它的目标是将大而复杂的系统建设成小的、彼此互相通信和协调的,易于管理的系统。2.多Agent系统(MAS)MAS作为解决复杂系统的一个有效方法,能够利用并行分布式处理技术和模块化设计思想,把复杂系统划分成相对独立的Agent子系统,通过Agent之间的共同协作来完成对复杂问题的求解。在一个MAS中,各Agent成员之间是独立自主的,其自
5、身的目标和行为不受其它Agent成员的限制,可以采用不同的设计方法和计算机语言开发而成,没有全局数据,也没有全局控制,是一种开放的系统,Agent加入和离开都是自由的。9.1多多Agent系统简述系统简述第九章 多Agent系统of 317MAS的体系结构是指MAS中Agent间的信息关系和控制关系,以及问题求解能力的分布模式,通过定义Agent之间的权威关系,为Agent提供了一种交互框架。9.1.2 MAS的结构的结构MAS的体系结构可以有三种形式:集中式、分布式和混合式。(1)集中式结构(2)分布式结构(3)混合式结构9.1多多Agent系统简述系统简述第九章 多Agent系统of 31
6、8MAS用于解决实际问题,其特性因为应用的不同领域而有所不同,主要有以下一些特点:9.1.3特点及分类特点及分类1.特点(1)由于Agent可以是不同的个人或组织采用不同的设计方法和计算机语言开发而成,因而可能是完全异质和分布的;(2)在MAS中,每个Agent是自治的,各自按照自己的方式异步地运行自己的进程,解决给定的子问题,自主地推理和规划并选择适当的策略,并以特定的方式影响环境;(3)MAS支持分布式应用,具有良好的模块性、易于扩展、设计灵活简单。在其实现过程中,不追求单个庞大复杂的体系,而是按面向对象的方法构造多层次,多元化的Agent以降低各个Agent问题求解的复杂性从而降低整个系
7、统的复杂性;(4)MAS是一个集成系统,各Agen之间互相通信彼此协调,并行地求解问题,能有效地提高问题求解的能力;(5)多Agent技术打破了人工智能领域仅仅使用一个专家系统的限制,在MAS环境,各领域的不同专家可能协作求解某一个专家无法解决或无法很好解决的问题,提高系统解决问题的能力。9.1多多Agent系统简述系统简述第九章 多Agent系统of 3199.1.3特点及分类特点及分类2.分类(1)根据Agent的自主性分类1)由控制Agent和被控Agent构成的系统:Agent之间存在较强的控制关系,每个Agent或对其他Agent具有控制作用,或受控于对它具有权威的Agent。在这类
8、系统中,被控Agent的行为受到约束,自主程度较低。2)自主Agent构成的系统:Agent自主地决策,产生计划,采取行动。Agent之间具有松散的社会性联系。Agent通过与外界的交互,了解外部世界的变化,并从经验中学习增强其求解问题的能力以及与相识者建立良好的协作关系。在这类系统中,自主Agent之间的协作关系是互惠互利的关系,当目标发生冲突时,通过协商来解决。3)灵活Agent(即半自主的Agent)构成的系统:Agent进行决策时,某些问题在一定程度上需要受控于其他Agent,大部分情况下要求Agent完全自主地工作。在这类系统中,Agent之间通常是松散耦合,具有一定的组织结构,通过
9、承诺和组织约束相互联系。9.1多多Agent系统简述系统简述第九章 多Agent系统of 31109.1.3特点及分类特点及分类2.分类(2)根据对动态性的适应方法分类 1)系统拓扑结构不变,即Agent数目、Agent之间的社会关系等都不变。Agent内部结构固定,基本技能不变,通过重构求解问题的方式来适应环境;Agent通过自重组来适应环境,例如修改调整自己的知识结构、目标、选择等。2)系统拓扑结构改变Agent数目不变,每个Agent的微结构稳定,可以修改Agent间的关系和组织形式;可增减Agent数目,可以动态创建和删除Agent。9.1多多Agent系统简述系统简述第九章 多Age
10、nt系统of 31119.1.3特点及分类特点及分类2.分类(3)根据系统功能结构分类 1)同构型系统,即每个Agent功能结构相同;2)异构型系统,Agent的结构、功能、目标都可以不同,由通信协议保证Agent间协调与合作的实现。(4)根据Agent关于世界知识的存储分类 1)反应式多Agent系统;2)黑板模式的多Agent系统;3)分布存储的多Agent系统。(5)根据控制结构分类 1)集中控制:由一个中心Agent负责整个系统的控制、协调工作;2)层次控制:每个Agent控制处于其下层的Agent的行为,同时又受控于其上层的其他Agent;3)网络控制:由信息传递构成的控制结构,且该
11、控制结构是可以动态改变的,可以实现灵活控制。第一节 发酵方式 分批培养过程中随着培养基中营养物质的不断减少,微生物生长的环境条件也随之不断变化,不能使细胞自始至终处于最优条件下。因此,微生物分批培养是一种非稳态的培养方法。但是在培养基接种后只要维持一定温度,对于好气培养过程则还需进行通气搅拌,在培养过程中,培养液中的细胞浓度、基质浓度和产物浓度不断变化,但有一定规律。分批发酵是一种准封闭式系统,种子接种到培养基后除了气体流通外发酵液始终留在生物反应器内。第一节 发酵方式 在此简单系统内所有液体的流量等于零,故由物料平衡,得式(5-1)式(5-3)的微分方程 dX/dtX (5-1)dS/dt=
12、-qsX (5-2)dP/dtqPX (5-3)式中 X菌体浓度,g/L;t培养时间,h;比生长速率,h-1;S基质浓度,g/L;qs比基质消耗速率,g(gh);P产物浓度,g/L;qP比产物形成速率,g(gh)。第一节 发酵方式 以上由细胞生长、基质消耗和产物生长的微分方程构成的微分方程组,反映了分批发酵中细胞、基质和产物浓度的变化情况。对各种不同的微生物分批发酵过程,通过实验研究这三个参数的变化规律,建立适当的微分方程组,就可以对分批发酵进行模拟,进而进行优化控制,最终达到提高生产效率的目的。分批发酵过程一般可粗分为四期:即适应期(也有称停滞期或延滞期的)、对数(指数)生长期、生长稳定期和
13、死亡期;也可细分为六期:即停滞期、加速期、对数期、减速期、静止期和死亡(衰亡)期,如图5-1所示。第一节 发酵方式 图5-1 分批培养中的微生物的典型生长曲线 第一节 发酵方式 (1)在停滞期()即刚接种后的一段时间内,细胞不生长,细胞数目和菌量基本不变,这是由于菌对新的生长环境有一适应过程,其长短主要取决于种子的活性、接种量和培养基的可利用性以及浓度。菌龄短的菌种停滞期也短,在对数生长期接种停滞期最短,种子老化会使停滞期延长。带培养液接种比种子经分离培养液后接种的延滞期要短,但带培养液的种子易老化,不易保藏。对于经分离后的浓缩种子,若在接种时添加适量的培养滤液,则可缩短延滞期。此外,对有些微
14、生物培养在接种时添加某种激活剂可大大缩短延滞期。菌龄相同的菌种,则接种量越大,停滞期越短,而培养基的浓度对停滞期的长短影响不大。第一节 发酵方式 停滞期的长短,差别很大,短的几乎觉察不到,瞬间即可完成,而长的要在接种后23天才开始生长。种子一般应采用对数生长期且达到一定浓度的培养物,该种子能耐受含高渗化合物和低CO2分压的培养基。工业生产中从发酵产率和发酵指数以及避免染菌考虑,希望尽量缩短适应期。(2)加速期()加速期()通常很短,大多数细胞在此期的比生长速率在短时间内从最小升到最大值。如这时菌已完全适应其环境,养分过量又无抑制剂便进入恒定的对数或指数生长期()。第一节 发酵方式 (3)指数生
15、长期()在这一阶段,由于培养基营养物质丰富,有毒代谢物少,细胞生长不受限制,所以细胞浓度随培养时间呈指数增长,可用方程(5-1)表示,将其积分,再取自然对数得式 lnXt1nXot (5-4)式中 X。菌的初始浓度;Xt经过培养时间t的菌体浓度。将菌体浓度的自然对数与时间(lnXt t)作图可得一直线,其斜率为,即比生长速率。比生长速率与微生物种类、培养温度、pH、培养基成份及限制基质浓度等因素有关。在对数生长期,细胞的生长不受限制,因此,在对数生长期的比生长速率达最大,可用max表示。第一节 发酵方式 一些微生物如产黄青霉、构巢曲霉、甲烷加单孢霉、贝内克氏菌的典型max值分别为(0.12、0
16、.36、0.53、4.24)h-1。对数生长期的长短主要取决于培养基,包括溶氧的可利用性和有害代谢产物的积累。(4)减速期()在指数生长期,随着细胞的大量繁殖,培养基中养分的迅速减少,有害代谢物的逐渐积累,细胞的比生长速率逐渐下降,即进入减速期()。细胞的生长不可能再无限制地继续,这时比生长速率成为养分、代谢产物和时间的函数,常用Monod方程表示。当限制性基质浓度很低时,增加该基质浓度能显著提高细胞的比生长速率,否则就不明显。第一节 发酵方式 (5)静止期(V)静止期(V),因营养物质耗尽,有害物质大量积累,细胞的浓度达到最大值,不再增加。实际上是一种生长和死亡的动态平衡,净生长速率等于零,
17、即,式中为比死亡速率。由于此期菌体的次级代谢十分活跃,许多次级代谢物在此期大量合成,菌的形态也发生较大的变化,如菌已分化、染色变浅、形成空胞等。当养分耗竭,对生长有害代谢物在发酵液中大量积累便进入死亡期(VI)。(6)死亡期(VI)在死亡期(VI),细胞开始死亡,活细胞的浓度不断下降,这时,生长呈负增长。工业发酵一般不会等到菌体开始自溶时才结束培养。发酵周期的长短不仅取决于前面五期的长短还取决于菌的初始浓度X0。第一节 发酵方式 2.2.重要的生长参数重要的生长参数 分批培养中基质初始浓度对菌的生长的影响如图5-2所示:图5-2 分批培养中基质初始浓度对菌生长的影响第一节 发酵方式 (1)得率
18、系数Y 在浓度较低的(A-B)范围内,静止期的细胞浓度与初始基质浓度成正比,可用式(5-5)表示 XY(So一St)(5-5)式中 so初始基质浓度,g/L;st经培养时间t时基质浓度;Y得率系数,g细胞/g基质在A-B的区域,当生长停止时,st等于零。方程(5-5)可用于预测用多少初始基质便能得到相应的菌量。(2)比生长速率 在C-D的区域,菌量不随初始基质浓度的增加而增加。这时菌体的进一步生长受到积累的有害代谢物的限制。用Monod方程可描述比生长速率和残留的限制性基质浓度之间的关系 max s(KsS)(5-6)第一节 发酵方式式中 比生长速率,h-1;max最大比生长速率,h-1;S基
19、质浓度,g/L;Ks基质利用常数,相当于max/2时的基质浓度,g/L,是菌对基质的亲和力的一种度量。分批培养中后期基质浓度下降,代谢有害物积累,已成为生长限制因素,产值下降。其快慢取决于菌体对限制性基质的亲和力大小,Ks小,对的影响较小,当St接近0时,急速下降;Ks大,随St的减小而缓慢下跌,当st接近0时,才迅速下降到零,见图5-3。第一节 发酵方式 图5-3 分批发酵过程中的若干重要参数的变化 第一节 发酵方式 3.3.分批发酵的优缺点分批发酵的优缺点 分批发酵在工业生产上占有重要地位。分批培养的优点是:周期短,培养基一次灭菌,一次投料,容易实现无菌状态;操作简单,易于操作控制,产品质
20、量稳定;培养浓度较高,易于产品分离。但是分批培养的辅助时间较多,设备生产能力低。在目前国内外绝大多数发酵生产中,都是采用分批培养的方法。第一节 发酵方式 若细胞本身为产物,可采用能支持最高生长量的培养条件;以初级代谢物为产物的,可设法延长与产物关联的对数生长期;对次级代谢物的生产,可缩短对数生长期,延长生产(静止)期,或降低对数期的生长速率,从而使次级代谢物更早形成。但分批发酵不适用于测定其过程动力学,因使用复合培养基,不能简单地运用Monod方程来描述生长,存在基质抑制问题,出现二次生长现象。对基质浓度敏感的产物,或次级代谢物,如对基质浓度敏感的产物,或次级代谢物,比如抗生素,用分批发酵不合
21、适,因其周期较短,一般在12天,产率较低。这主要是由于养分的耗竭,无法维持下去。据此,发展了补料-分批发酵。第一节 发酵方式 三、补料(流加)分批发酵三、补料(流加)分批发酵 1.1.补料补料-分批发酵理论基础分批发酵理论基础 补料-分批发酵是指先将一定量的培养液装入反应器,在适宜的条件下接种细胞,进行培养,细胞不断生长,产物也不断形成。随着细胞对营养物质的不断消耗,向反应器中不断补充新的营养成分,使细胞进一步生长代谢,克服由于养分不足,导致发酵过早结束,到反应终止时取出整个反应系。流加培养是介于分批培养过程与连续培养过程之间的一种过渡培养方法。第一节 发酵方式 一般出现在下列两种情况中:一种
22、情况是培养过程中的主要底物是气体;另一种情况是存在底物抑制。若底物是气体,如甲烷发酵,则不可能将底物一次加入,只能在培养过程中,连续不断地通入。对于存在底物抑制的培养系统,采用连续流加培养基的方法,可使发酵液中一直保持较低的底物浓度,从而解除底物抑制。目前国内外的酵母生产行业大多采用这种操作方法。第一节 发酵方式 目前补料-分批培养已在发酵工业上普遍用于氨基酸、抗生素、维生素、酶制剂、单细胞蛋白、有机酸以及有机溶剂等的生产过程。目前补料-分批发酵的类型很多,就补料的方式而言,有连续补料、不连续补料和多周期补料;每次补料又可分为快速补料、恒速补料、指数速度补料和变速补料;按反应器中发酵液体积区分
23、,又有变体积和恒体积之分;从反应器数目分类又有单级和多级之分;从补加的培养基成分来分,又可分为单一组分补料和多组分补料。第一节 发酵方式 流加培养的特点就是能够调节培养环境中营养物质的浓度。一方面,它可以避免某些营养成分的初始浓度过高而出现底物抑制现象;另一方面,能防止某些限制性营养成分在培养过程中被耗尽而影响细胞的生长和产物的形成,这是流加培养与分批培养的明显不同。由于新鲜培养液的加入,整个过程中反应体积是变化的,这是它的一个重要特征。根据不同情况,存在不同的流加方式。从控制角度可分为无反馈抑制流加和有反馈抑制流加两种。无反馈抑制流加包括定量流加和间断流加等。有反馈抑制流加,一般是连续或间断
24、地测定系统中限制性营养物质的浓度,并以此为控制指标,来调节流加速率或流加液中营养物质的浓度等。第一节 发酵方式 若只有料液的输入,没有输出,发酵液的体积在增加。若分批培养中的细胞生长受一种基质浓度的限制,则在任一时间的菌浓可用下式表示:XtX0Y(S0-St)(5-7)式中 X0,菌的初始浓度,g/L;Xtt时菌的浓度,g/L;S0初始基质浓度,g/L;Stt时基质浓度,g/L;若st0,则其最终菌浓为Xmax,只要X0Xmax Xmax YS0 (5-8)第一节 发酵方式 如果当XtXmax时开始补料,其稀释速率Dmax,实际上当基质一进入培养液中很快便被耗竭,故可得输入的基质等于细胞消耗的
25、基质。虽培养液中的总菌量XT随时间的延长而增加,但细胞浓度Xt并未提高,因此D。这种情况称为准稳态。随时间的延长,D将随体积的增加而减少,D可用下式表达 DF/(V0Ft)(5-9)式中 V0发酵液原来的体积L;D稀释速率L-1;t补料时间h;F补料流速L/h;Vt时发酵液体积L,V=V0Ft.第一节 发酵方式 因此,按Monod方程,残留的基质应随D的减小而减小,导致细胞浓度的增加。但在的分批-补料操作中S0Ks因此,在所有实际操作中残留基质浓度的变化非常小,可当作是零。故只要D max;Ks S0便可达到准稳态,恒化器的稳态和补料-分批发酵的准稳态的主要区别在于恒化器的是不变的,而补料-分
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