發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制-3

1、第三節(jié)第三節(jié)有向線圖理論在發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)預(yù)測(cè)有向線圖理論在發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)預(yù)測(cè)和優(yōu)化控制中的應(yīng)用和優(yōu)化控制中的應(yīng)用發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制電子有向線圖網(wǎng)絡(luò)S.J. Mason, Proceedings of The I.R.E44 (7), 1956, MIT, MA, USA輸入輸入輸出輸出輸入輸入輸出輸出輸出輸入發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制代謝網(wǎng)絡(luò)與電子有向線圖網(wǎng)絡(luò)H. Shi et al., J. Ferment. & Bioeng., 83, 275-280, 1997輸入輸出發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制有向信號(hào)線圖的基本特性有向信號(hào)線圖的簡(jiǎn)化有向線圖網(wǎng)絡(luò)

2、輸入有向線圖網(wǎng)絡(luò)輸入/ /輸出間傳遞函數(shù)的計(jì)算輸出間傳遞函數(shù)的計(jì)算發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制計(jì)算有向線圖網(wǎng)絡(luò)某節(jié)點(diǎn)到計(jì)算有向線圖網(wǎng)絡(luò)某節(jié)點(diǎn)到其他任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)間的傳遞其他任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)間的傳遞函數(shù)函數(shù)T，Mason定理：定理：.1,mkimkikikiiikkkLLLLLLWherePT這里，Pk是第k個(gè)向前支路的傳遞系數(shù)，Li是第i個(gè)閉回路的傳遞系數(shù)， Li Lk是兩個(gè)完全不接觸的閉回路傳遞系數(shù)之積。同樣， Li Lk Lm是三個(gè)完全不接觸的閉回路傳遞系數(shù)之積。稱(chēng)為Graph Determinant。k是從減去與第k個(gè)向前支路相接觸的閉回路傳遞系數(shù)所剩下的部分。311322311331

3、231222221323122213132123132113113223113312312223132132131322132113223121311333123122221)(1)1 (11)(11)(1)(1)(1)()(1aaaaaaaaaaaaaPTaLLLLLLLLLLLaaaaaaaaaLLLLLLLLLLLLLLLLLaPaaPaaLaaaLaLkkkIO11a12a22a13a31L1L2L3IOa23閉回路的傳遞系數(shù)閉回路的傳遞系數(shù)向前支路的傳遞系數(shù)向前支路的傳遞系數(shù)Graph Determinant發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制簡(jiǎn)單計(jì)算例簡(jiǎn)單計(jì)算例發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)

4、酵過(guò)程優(yōu)化和控制)( )( 1) 1 () 1 (1111)( )( 1)( )143213231321fgjlejljlfgeacdfijkeabijkacdfhjkeabhjkTeefgjlejljlfgeL LL LLLL （根據(jù)Mason定理，從葡萄糖到代謝產(chǎn)物的傳遞函數(shù)T：有4條向前的路徑：第1條向前的路徑p1 = abhjk第2條向前的路徑p2= acdfhjk第3條向前的路徑p3= abijk第4條向前的路徑p4= acdfijk有3個(gè)閉環(huán)：L1和L2相接觸，L1和L3不接觸，L2和L3也不接觸。L1=e; L2= fg; L3= jl在下圖的代謝網(wǎng)絡(luò)中，a、b、 k、l等分別是

5、各節(jié)點(diǎn)間的傳遞函數(shù)，利用Mason的定理，求解從葡萄糖到代謝產(chǎn)物的傳遞函數(shù)T。NoImage利用有向線圖理論預(yù)測(cè)目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論預(yù)測(cè)目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論預(yù)測(cè)計(jì)算丁醇發(fā)酵中的丁醇/丙酮比丁醇代謝網(wǎng)絡(luò)圖丁醇代謝網(wǎng)絡(luò)圖有向線圖Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013丙酮丁醇發(fā)酵代謝網(wǎng)絡(luò)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制2121222111GB)(11)1 (5 . 02LLLLPT)(11)1 (5 . 022112122GALLPTACEGABtOHGBBtOH/ACEMTMTY利用有向線圖理論預(yù)測(cè)目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論預(yù)測(cè)目標(biāo)發(fā)酵

6、產(chǎn)物得率利用有向線圖理論預(yù)測(cè)計(jì)算丁醇發(fā)酵中的丁醇/丙酮比Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制L2=0.0L2=0.2L1=0.0L1=0.2Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013利用有向線圖理論預(yù)測(cè)計(jì)算丁醇發(fā)酵中的丁醇/丙酮比發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013利用有向線圖理論預(yù)測(cè)計(jì)算丁醇發(fā)酵中的丁醇/丙酮比發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制ctfABadhEbdhBElectron shuttle利用有向線圖理論預(yù)測(cè)計(jì)算丁醇發(fā)酵中的

7、丁醇/丙酮比 NADHNADHNADHrrrACECOCONADHrrrr222222 HACECOHCONADHrrrrrr222222211222COHCOACECOHACECONADHrrrrrrrrrLi et al., BBE, 18: 759-769, 2013發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013利用有向線圖理論預(yù)測(cè)計(jì)算丁醇發(fā)酵中的丁醇/丙酮比發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 利用有向線圖理論預(yù)測(cè)計(jì)算丁醇發(fā)酵中的丁醇/丙酮比Li et al., BBE, 18: 759-769, 2013發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵

8、過(guò)程優(yōu)化和控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向線圖理論優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論優(yōu)化丁醇發(fā)酵中的丁醇/丙酮比發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向線圖理論優(yōu)化丁醇發(fā)酵中的丁醇/丙酮比發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向線圖理論

9、優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論優(yōu)化丁醇發(fā)酵中的丁醇/丙酮比發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向線圖理論優(yōu)化丁醇發(fā)酵中的丁醇/丙酮比發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向線圖理論優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論優(yōu)化丁醇發(fā)酵中的丁醇/丙酮比發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和

10、控制 Li et al., Bioprocess Biosyst Eng, 37: 1609-1616, 2014利用有向線圖理論優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率外添少量丁酸弱化丁酸閉環(huán)回路代謝強(qiáng)度、強(qiáng)化代謝主路向丁醇轉(zhuǎn)化YBuOH/Bu-EX 48%，對(duì)丁，對(duì)丁/丙比提高的貢獻(xiàn)度丙比提高的貢獻(xiàn)度 30%發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 Li et al. Bioresources and Bioprocessing, 1:1-13, 2014利用有向線圖理論優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率外添丁酸弱化丁酸閉環(huán)回路代謝強(qiáng)度無(wú)法

11、提高木薯原料發(fā)酵的丁/丙比Fermentation time (h), OA extractive fermentationBlack: cassava; white: corn發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 Li et al. Bioresources and Bioprocessing, 1:1-13, 2014利用有向線圖理論優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率利用有向線圖理論優(yōu)化控制目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率外添丁酸弱化丁酸閉環(huán)回路代謝強(qiáng)度無(wú)法提高木薯原料發(fā)酵的丁/丙比Fermentation time (h), OA extractive fermentationBlack: cassava; wh

12、ite: corn發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 外添少量丁酸+混菌發(fā)酵進(jìn)一步提高玉米原料丁醇發(fā)酵的丁醇濃度和丁/丙比發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01410555101.5 外添少量丁酸+混菌發(fā)酵進(jìn)一步提高玉米原料ABE發(fā)酵的丁醇濃度和丁/丙比發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01410555101.5發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 外添少量丁酸+混菌發(fā)酵進(jìn)一步提高玉米原料ABE發(fā)酵的丁醇濃度和丁/丙比不同發(fā)酵模式、罐發(fā)酵下氨基酸積累情況的比較。A：對(duì)照；B：混菌發(fā)酵；C：混菌發(fā)酵+丁酸。 賴(lài)氨酸蛋氨酸將來(lái)，有利用工業(yè)/生活廢水厭氧消化液（含有一定量丁酸、乙酸、丙酸）進(jìn)行

13、培養(yǎng)基配料、高效ABE發(fā)酵的可能-高效生產(chǎn)丁醇的同時(shí)，有效利用廢水、減少?gòu)U水排放。 發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01410555101.5 Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 2013利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因不同操作條件下的谷氨酸發(fā)酵時(shí)間曲線發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 2013利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因操作條件操作條件: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.發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 2013利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 2013#1#2#5發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因Cao et al., BEJ, 77, 136-1

16、46, 2013)(,)()()()(kMaxAEAkAEAkREAEtEtEACBijREAiREAjREAADjjREAiREAiREAACBiggEtEtEggtEtEtEgg/&)()()(/)()()(/&11)()()()()(發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 2013#5#4#1#2#3#5#2#1發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制 利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物得率提高的原因利用有向線圖理論詮釋目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)

17、物得率提高的原因Cao et al., BEJ, 77, 136-146, 20133 , 2 , 1) ) () , () (.1 1* kMNjPk i PkEDAveNiMj葡萄糖代謝產(chǎn)物acbdefghjjikl歐幾里得距離歐幾里得距離發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制1) 利用有向線圖模型/理論發(fā)現(xiàn)并證明，木薯原料發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇時(shí)，可以弱化丁酸反應(yīng)閉環(huán)的代謝強(qiáng)度，提高ABE發(fā)酵的丁醇/丙酮比約15%（傳統(tǒng)）和61%（油醇萃?。?。2) 依據(jù)上述結(jié)論（#1），玉米原料發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇時(shí)，逐次外添少量丁酸可以弱化丁酸反應(yīng)閉環(huán)的代謝強(qiáng)度，在總?cè)軇┥a(chǎn)強(qiáng)度不變或略有提高的前提下，提高傳統(tǒng)間

18、歇式ABE發(fā)酵的丁醇/丙酮比23%左右(1.922.36)。外添少量丁酸+混菌發(fā)酵可以進(jìn)一步大幅提高玉米原料ABE發(fā)酵的丁醇濃度和丁醇/丙酮比，丁/丙比可達(dá)到2.82.9左右。3)將實(shí)際生物酶活性與有向線圖模型/理論相結(jié)合，揭示了協(xié)同調(diào)節(jié)谷氨酸發(fā)酵過(guò)程pH和NaHCO3時(shí)，谷氨酸得率（糖酸轉(zhuǎn)化率）提高36%的現(xiàn)象。只有在競(jìng)爭(zhēng)性生物酶對(duì)（Pairs）PC/PDH和ICDH/ICL的相對(duì)活性控制在 6:4、GDH/ODHC控制在8:2時(shí)，上述目標(biāo)才能實(shí)現(xiàn)。Major conclusions發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和控制發(fā)酵過(guò)程優(yōu)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