发酵过程优化控制-3

1、第三节第三节有向线图理论在发酵过程状态预测有向线图理论在发酵过程状态预测和优化控制中的应用和优化控制中的应用发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制电子有向线图网络S.J. Mason, Proceedings of The I.R.E44 (7), 1956, MIT, MA, USA输入输入输出输出输入输入输出输出输出输入发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制代谢网络与电子有向线图网络H. Shi et al., J. Ferment. & Bioeng., 83, 275-280, 1997输入输出发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制有向信号线图的基本特性有向信号线图的简化有向线图网络

2、输入有向线图网络输入/ /输出间传递函数的计算输出间传递函数的计算发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制计算有向线图网络某节点到计算有向线图网络某节点到其他任何一个节点间的传递其他任何一个节点间的传递函数函数T，Mason定理：定理：.1,mkimkikikiiikkkLLLLLLWherePT这里，Pk是第k个向前支路的传递系数，Li是第i个闭回路的传递系数， Li Lk是两个完全不接触的闭回路传递系数之积。同样， Li Lk Lm是三个完全不接触的闭回路传递系数之积。称为Graph Determinant。k是从减去与第k个向前支路相接触的闭回路传递系数所剩下的部分。311322311331

3、231222221323122213132123132113113223113312312223132132131322132113223121311333123122221)(1)1 (11)(11)(1)(1)(1)()(1aaaaaaaaaaaaaPTaLLLLLLLLLLLaaaaaaaaaLLLLLLLLLLLLLLLLLaPaaPaaLaaaLaLkkkIO11a12a22a13a31L1L2L3IOa23闭回路的传递系数闭回路的传递系数向前支路的传递系数向前支路的传递系数Graph Determinant发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制简单计算例简单计算例发酵过程优化和控制发

4、酵过程优化和控制)( )( 1) 1 () 1 (1111)( )( 1)( )143213231321fgjlejljlfgeacdfijkeabijkacdfhjkeabhjkTeefgjlejljlfgeL LL LLLL （根据Mason定理，从葡萄糖到代谢产物的传递函数T：有4条向前的路径：第1条向前的路径p1 = abhjk第2条向前的路径p2= acdfhjk第3条向前的路径p3= abijk第4条向前的路径p4= acdfijk有3个闭环：L1和L2相接触，L1和L3不接触，L2和L3也不接触。L1=e; L2= fg; L3= jl在下图的代谢网络中，a、b、 k、l等分别是

5、各节点间的传递函数，利用Mason的定理，求解从葡萄糖到代谢产物的传递函数T。NoImage利用有向线图理论预测目标发酵产物得率利用有向线图理论预测目标发酵产物得率利用有向线图理论预测计算丁醇发酵中的丁醇/丙酮比丁醇代谢网络图丁醇代谢网络图有向线图Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013丙酮丁醇发酵代谢网络发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制2121222111GB)(11)1 (5 . 02LLLLPT)(11)1 (5 . 022112122GALLPTACEGABtOHGBBtOH/ACEMTMTY利用有向线图理论预测目标发酵产物得率利用有向线图理论预测目标发酵

6、产物得率利用有向线图理论预测计算丁醇发酵中的丁醇/丙酮比Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制L2=0.0L2=0.2L1=0.0L1=0.2Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013利用有向线图理论预测计算丁醇发酵中的丁醇/丙酮比发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013利用有向线图理论预测计算丁醇发酵中的丁醇/丙酮比发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制ctfABadhEbdhBElectron shuttle利用有向线图理论预测计算丁醇发酵中的

7、丁醇/丙酮比 NADHNADHNADHrrrACECOCONADHrrrr222222 HACECOHCONADHrrrrrr222222211222COHCOACECOHACECONADHrrrrrrrrrLi et al., BBE, 18: 759-769, 2013发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013利用有向线图理论预测计算丁醇发酵中的丁醇/丙酮比发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 利用有向线图理论预测计算丁醇发酵中的丁醇/丙酮比Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013发酵过程优化和控制发酵

8、过程优化和控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向线图理论优化控制目标发酵产物得率利用有向线图理论优化控制目标发酵产物得率利用有向线图理论优化丁醇发酵中的丁醇/丙酮比发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向线图理论优化丁醇发酵中的丁醇/丙酮比发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向线图理论

9、优化控制目标发酵产物得率利用有向线图理论优化控制目标发酵产物得率利用有向线图理论优化丁醇发酵中的丁醇/丙酮比发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向线图理论优化丁醇发酵中的丁醇/丙酮比发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向线图理论优化控制目标发酵产物得率利用有向线图理论优化控制目标发酵产物得率利用有向线图理论优化丁醇发酵中的丁醇/丙酮比发酵过程优化和控制发酵过程优化和

10、控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向线图理论优化控制目标发酵产物得率利用有向线图理论优化控制目标发酵产物得率外添少量丁酸弱化丁酸闭环回路代谢强度、强化代谢主路向丁醇转化YBuOH/Bu-EX 48%，对丁，对丁/丙比提高的贡献度丙比提高的贡献度 30%发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 Li et al. Bioresources and Bioprocessing, 1:1-13, 2014利用有向线图理论优化控制目标发酵产物得率利用有向线图理论优化控制目标发酵产物得率外添丁酸弱化丁酸闭环回路代谢强度无法

11、提高木薯原料发酵的丁/丙比Fermentation time (h), OA extractive fermentationBlack: cassava; white: corn发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 Li et al. Bioresources and Bioprocessing, 1:1-13, 2014利用有向线图理论优化控制目标发酵产物得率利用有向线图理论优化控制目标发酵产物得率外添丁酸弱化丁酸闭环回路代谢强度无法提高木薯原料发酵的丁/丙比Fermentation time (h), OA extractive fermentationBlack: cassava; wh

12、ite: corn发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 外添少量丁酸+混菌发酵进一步提高玉米原料丁醇发酵的丁醇浓度和丁/丙比发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制发明专利，申请号201410555101.5 外添少量丁酸+混菌发酵进一步提高玉米原料ABE发酵的丁醇浓度和丁/丙比发明专利，申请号201410555101.5发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 外添少量丁酸+混菌发酵进一步提高玉米原料ABE发酵的丁醇浓度和丁/丙比不同发酵模式、罐发酵下氨基酸积累情况的比较。A：对照；B：混菌发酵；C：混菌发酵+丁酸。 赖氨酸蛋氨酸将来，有利用工业/生活废水厌氧消化液（含有一定量丁酸、乙酸、丙酸）进行

13、培养基配料、高效ABE发酵的可能-高效生产丁醇的同时，有效利用废水、减少废水排放。 发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制发明专利，申请号201410555101.5 Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 2013利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因不同操作条件下的谷氨酸发酵时间曲线发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 2013利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因操作条件操作条件:run#1: contr

14、ol (pH=7.0 without NaHCO3 supplement and pH change); run#2: singly supplement of NaHCO3 at 10 h; run#3: singly raising pH form 7.0 to 8.0 at 10 h; run#4: supplement of NaHCO3 and raising pH from 7.0 to 8.0 simultaneously at 10 h; run#5: raising pH from 7.0 to 8.0 at 10 h but supplement of NaHCO3 at

15、16 h.发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 2013利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 2013#1#2#5发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因Cao et al., BEJ, 77, 136-1

16、46, 2013)(,)()()()(kMaxAEAkAEAkREAEtEtEACBijREAiREAjREAADjjREAiREAiREAACBiggEtEtEggtEtEtEgg/&)()()(/)()()(/&11)()()()()(发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 2013#5#4#1#2#3#5#2#1发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制 利用有向线图理论诠释目标发酵产物得率提高的原因利用有向线图理论诠释目标发酵产

17、物得率提高的原因Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 20133 , 2 , 1) ) () , () (.1 1* kMNjPk i PkEDAveNiMj葡萄糖代谢产物acbdefghjjikl欧几里得距离欧几里得距离发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制1) 利用有向线图模型/理论发现并证明，木薯原料发酵生产生物丁醇时，可以弱化丁酸反应闭环的代谢强度，提高ABE发酵的丁醇/丙酮比约15%（传统）和61%（油醇萃取）。2) 依据上述结论（#1），玉米原料发酵生产生物丁醇时，逐次外添少量丁酸可以弱化丁酸反应闭环的代谢强度，在总溶剂生产强度不变或略有提高的前提下，提高传统间

18、歇式ABE发酵的丁醇/丙酮比23%左右(1.922.36)。外添少量丁酸+混菌发酵可以进一步大幅提高玉米原料ABE发酵的丁醇浓度和丁醇/丙酮比，丁/丙比可达到2.82.9左右。3)将实际生物酶活性与有向线图模型/理论相结合，揭示了协同调节谷氨酸发酵过程pH和NaHCO3时，谷氨酸得率（糖酸转化率）提高36%的现象。只有在竞争性生物酶对（Pairs）PC/PDH和ICDH/ICL的相对活性控制在 6:4、GDH/ODHC控制在8:2时，上述目标才能实现。Major conclusions发酵过程优化和控制发酵过程优化和控制1) Zhigang Li, Zhongping Shi, Xin Li,

19、 Le Li, Zhenggang Wang: “Evaluation of high butanol/acetone ratios in ABE fermentations with cassava by graph theory and NADH regeneration analysis”, Biotechnol. & Bioprocess Eng., 18(4), 759-769, 2013.2) Yan Cao, Enock Mpofu, Zhongping Shi: “A novel metabolic model incorporating directed signal flow diagram with enzymatic activities data for evaluating glutamate yield in glutamate fermentation”, Biochem. Eng. J., 77, 136-146, 2013.3) Xin Li , Zhongping Shi, Zhigang Li: “Increasing butanol/acetone ratio and solvents productivity