畢氏酵母發(fā)酵過程建模和優(yōu)化.pdf

1、畢氏酵母表達系統(tǒng)具有表達量高、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,近年來正受到廣泛的關注。利用畢氏酵母表達的蛋白已有上百種。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)酵過程建模的基礎上,進行了優(yōu)化控制的研究。在論文最后對發(fā)酵過程中的若干問題進行了討論。本文主要內(nèi)容包括:
　　 ●重組畢氏酵母宏觀動力學模型

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力學模型。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系,并得到了細胞比生長速率等關鍵的反應速率。該模型與生物反應器模型相結(jié)合,獲得了操縱變量(補料速率)和狀態(tài)變量(細胞濃度、基質(zhì)濃度、蛋白濃度和發(fā)酵液體積)之間的關系,并為基于模型的優(yōu)化作了前提。
　　 ●畢氏酵母細胞周期模型
　　 根據(jù)發(fā)酵過程中細胞形態(tài)的劃分,建立了畢氏酵母的細胞周期模型。模型

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

4、的實驗驗證
　　 利用實驗數(shù)據(jù)對宏觀動力學模型、細胞周期模型和改進的細胞周期模型進行了驗證。結(jié)果表明,宏觀動力學模型可以較好地描述細胞干重和蛋白濃度,細胞周期模型和改進的細胞周期模型的輸出較好地吻合了細胞帶芽分率和細胞密度的實測值。然后對模型參數(shù)進行了靈敏度分析。
　　 ●甘油補料策略的優(yōu)化
　　 在宏觀動力學模型和細胞周期模型的基礎上,進行了甘油補料策略優(yōu)化。通過優(yōu)化進料可以實現(xiàn)對甘油期結(jié)束(即甲醇期開始)時的