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《大连理工大学》 2000年
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微生物连续培养过程中多稳态和振荡行为的实验与理论研究

修志龙  
【摘要】: 微生物细胞连续培养过程中多态和振荡行为的研究是本文的核心内 容。全文共分两部分:实验部分和理论分析部分。在第一部分中,以甘油 微生物连续转化为1,3-丙二醇为研究对象,考察了培养基组成和pH调控 用碱中铵、钠、钾三种一价阳离子对肺炎杆菌细胞代谢的影响,同时考察 了代谢中间产物(如二羟基丙酮)的加入对代谢流量的影响:接着检验了 系统对底物初始浓度不同变化方式的稳态响应以及对稀释速率变化的动态 响应;最后用过量动力学方程对文献和自己的实验数据进行了描述。 实验结果表明,无铵培养基配合氨水调节pH值的培养策略是可行的, 尤其对细胞生长有利。过量钠离子对甘油脱氢酶的抑制作用只有在底物过 量的条件才能表现出来。向底物过剩的培养液中添加二羟基丙酮,有利于 生物能的产生和细胞的生长,同时也有利于1,3-丙二醇的生产,说明在 底物过量条件下甘油脱氢酶的活性受到严重抑制。当稀释速率为0.35h~(-1) 时,系统在初始甘油浓度为400-1400mM的范围内至少存在两个稳定的 状态。当发酵系统在40g/L的甘油初始浓度下从稀释速率为0.1h~(-1)的稳态 过渡到0.22h~(-1)稳态时,反应器中甘油的残余浓度先增后降,生物量、1, 3-丙二醇和乙酸的浓度增大,而乙醇浓度则下降,这与菌体代谢特性以及 稳态变化前后的操作条件有关。 过量动力学模型较好地描述了甘油生物转化过程中甘油的比消耗速 率、1,3-丙二醇和乙酸的比生成速率,但不适用于乙醇的形成,乙醇的 产率与反应器中残余的甘油浓度变化速率有关。用上述动力学模型描述连 续培养过程发现,在一定条件下系统存在两个稳定状态,但出现多稳态的 范围要比实验的范围小得多。过量动力学模型还适用于间歇培养过程的适 应期与对数生长期的描述。稳态模型不能很好地描述甘油歧化过程的过渡 行为,用甘油浓度变化速率对生长模型进行简单修正后,新模型能较好地 模拟大部分实验结果。 人连理工人学博1:论文 在论文的第二部分内容中,分析了过量动力学模型产生多态、滞后和 振荡的原囚,根据系统的稳定性对操作区域进行了划分。另外在基因调控 的水平上考察了生长速率和胞内色氨酸浓度对色氨酸操纵子稳定性和动态 行为的影响。 具有代谢过量以及底物和产物抑制特征的连续培养系统的模型分析表 明,在一定操作条件范围内可以得到三个非洗出稳态解。局部稳定性分析 说明其中的两个解是稳定的,导致多态性、滞后和振荡现象。对于所研究 的培养系统和模型参数,产物抑制和在底物过剩条件下增加的产物形成速 率的综合作用是引起多态和滞后的主要原因。底物引起的生长抑制和增加 的底物消耗速率似乎不是必要条件。产物抑制和增加的产物形成速率的综 合作用也能导致非正常的动态行为,如延长达到新稳态的时间,从一个稳 态到另一个稳态的振荡过渡以及持续振荡。用多态和振荡出现作为判据可 以将连续培养的操作范围划分为四个区域:一个是多态和振荡区,一个是 具有唯一稳态但可能有振荡行为的区域,另外两个区域具有唯一且稳定的 稳态。模型预测与最近发表的实验结果是吻合的。HOpf分叉出现在多态区 域,并且位于第二个稳定状态,这与甘油发酵过程中出现的振荡现象是吻 合的。理论分析与实验结果的差异在于,前者是系统自身的特性,而后者 则与操作条件密不可分。 对色氨酸操纵于的理论分析表明,生长速率是影响色氨酸生产的重要 因素之一。胞内色氨酸浓度随生长速率增大而明显降低,尤其在低生长速 率下。当生长速率增大到一定值后,色氨酸浓度的衰减幅度大大降低。胞 内色氨酸的水平是影响色氨酸操纵于稳定性的决定因素,在相对较低的胞 内色氨酸浓度范围内操纵子是不稳定的,出现振荡现象,而在很高或很低 的色氨酸浓度区域则是稳定的。操纵子的稳定性与生长速率和菌种水平无 X。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2000
【分类号】:Q93-335

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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【二级参考文献】
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7 邢晓光;带有时滞的微生物连续发酵模型的分析与模拟[D];辽宁科技大学;2012年
8 陈令伟;高浓度酒精连续发酵过程中振荡行为及其弱化机制的研究[D];大连理工大学;2007年
9 倪文彬;表面活性剂体系中镍的电化学振荡研究[D];扬州大学;2006年
10 赵二庆;中药生物活性及其振荡行为的微量量热法研究[D];曲阜师范大学;2009年
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