微生物与生物反应器的同步设计
最优化与控制
2025-07-15 v1
摘要
在开发生物技术工艺时，通常先对微生物进行设计(例如，通过代谢工程)，然后在实验室规模上确定最佳发酵参数，最后迁移到生物反应器规模。然而，这种循序渐进的方法成本高昂且耗时，且可能导致次优配置。本文提出了bilevel优化 formulation SimulKnockReactor，将生物反应器设计与微生物株系设计相结合，这是我们前一工作SimulKnock(Ziegler等，2024，AIChE J.)的扩展。在上层(生物反应器)层面，我们通过确定连续搅拌釉罐反应器的规模和运行条件来最小化搅拌、通气和pH控制的投资与运行成本，而无需选择具体设备(如搅拌器类型)。下层(细胞)层面基于平衡 flux 分析，实施上层预测的最佳反应敲除。我们以大肠杆菌的核心模型和基因组尺度 metabolic 模型为例，结果表明底物是最大的成本因素。我们的方法优于顺序方法OptKnock。 Namely，OptKnock提出的敲除方案无法保证在所考虑的所有情况下都实现所需的产量。对于两种方法都可行的情况，我们的结果显示，SimulKnockReactor的总年度成本要么等于，要么低于OptKnock，凸显了结合细胞层和生物反应器层的优势。这一工作是 Towards 完全集成生物工艺设计的进一步一步。
引用
@article{arxiv.2507.10128,
title = {Simultaneous Design of Microbe and Bioreactor},
author = {Anita L. Ziegler and Marc-Daniel Stumm and Tim Prömper and Thomas Steimann and Jørgen Magnus and Alexander Mitsos},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.10128},
year = {2025}
}