畢氏酵母發(fā)酵過程建模和優(yōu)化.pdf

1、畢氏酵母表達(dá)系統(tǒng)具有表達(dá)量高、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)物可以分泌到胞外和易于后續(xù)修飾等優(yōu)點(diǎn),近年來正受到廣泛的關(guān)注。利用畢氏酵母表達(dá)的蛋白已有上百種。雖然發(fā)酵過程中產(chǎn)物產(chǎn)量主要由菌株特性所決定,但發(fā)酵過程的優(yōu)化控制同樣是一條降低成本、提高產(chǎn)率的重要途徑。本文以重組畢氏酵母發(fā)酵生產(chǎn)人血清白蛋白為例,在發(fā)酵過程建模的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了優(yōu)化控制的研究。在論文最后對(duì)發(fā)酵過程中的若干問題進(jìn)行了討論。本文主要內(nèi)容包括:
　　 ●重組畢氏酵母宏觀動(dòng)力學(xué)模型

2、
　　 基于畢氏酵母基質(zhì)代謝途徑的分析,建立了畢氏酵母宏觀動(dòng)力學(xué)模型。該模型描述了畢氏酵母代謝過程物質(zhì)流和能量流的平衡關(guān)系,并得到了細(xì)胞比生長(zhǎng)速率等關(guān)鍵的反應(yīng)速率。該模型與生物反應(yīng)器模型相結(jié)合,獲得了操縱變量(補(bǔ)料速率)和狀態(tài)變量(細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度、蛋白濃度和發(fā)酵液體積)之間的關(guān)系,并為基于模型的優(yōu)化作了前提。
　　 ●畢氏酵母細(xì)胞周期模型
　　 根據(jù)發(fā)酵過程中細(xì)胞形態(tài)的劃分,建立了畢氏酵母的細(xì)胞周期模型。模型

3、假定發(fā)酵過程中細(xì)胞平均體積沒有發(fā)生變化,以細(xì)胞比生長(zhǎng)速率為輸入,得到細(xì)胞帶芽分率和細(xì)胞密度。細(xì)胞周期模型與宏觀動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合,構(gòu)成了基于模型的進(jìn)料優(yōu)化的基礎(chǔ)。
　　 ●改進(jìn)的細(xì)胞周期模型
　　 改進(jìn)的細(xì)胞周期模型考慮了畢氏酵母發(fā)酵過程中細(xì)胞平均體積的變化,以細(xì)胞數(shù)目的比增長(zhǎng)速率為輸入,輸出同樣為細(xì)胞帶芽分率和細(xì)胞密度。通過對(duì)比表明,改進(jìn)的細(xì)胞周期模型更加符合細(xì)胞發(fā)酵過程的機(jī)理,并有更高的仿真精度。
　　 ●模型

4、的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
　　 利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)宏觀動(dòng)力學(xué)模型、細(xì)胞周期模型和改進(jìn)的細(xì)胞周期模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,宏觀動(dòng)力學(xué)模型可以較好地描述細(xì)胞干重和蛋白濃度,細(xì)胞周期模型和改進(jìn)的細(xì)胞周期模型的輸出較好地吻合了細(xì)胞帶芽分率和細(xì)胞密度的實(shí)測(cè)值。然后對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了靈敏度分析。
　　 ●甘油補(bǔ)料策略的優(yōu)化
　　 在宏觀動(dòng)力學(xué)模型和細(xì)胞周期模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了甘油補(bǔ)料策略優(yōu)化。通過優(yōu)化進(jìn)料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)甘油期結(jié)束(即甲醇期開始)時(shí)的