微生物发酵过程建模及控制开发环境研究.pdf

天津科技大学
硕士学位论文
微生物发酵过程建模及控制开发环境的研究
姓名:王宇智
申请学位级别:硕士
专业:检测技术与自动化装置
指导教师:严新忠
20030101
摘要微生物发酵过程具高度的非线性和时变性,其内在机理非常复杂。一些重要的过程变量不能在线测量。这使对发酵过程的建模和优化更为复杂。针对这一问题,本论文首先通过对以传统仪表为主、容量为升的发酵罐控制装置的技术改造,设计完成了发酵罐计算机控制系统,采用上下位机分级控制,由瓿晒袒肪巢问刂疲琍瓿墒荼4婕按怼N7⒔凸程建模及其优化控制的进一步研究提供了硬、软件平台。析,℃模型,由丰缢惴ǖ玫降纳窬缒P汀V傅挤⒔凸痰牧骷涌刂坪环境变量沿着优化的轨迹进行,达到提高最终得率的目的,并对过程当前状态即发酵时期进行识别。关键词:发酵过程建模本课题“微生物发酵过程建模及控制开发环境的研究”是天津市自然科学基金资助项目“抗生素发酵过程建模及控制开发环境的研究”的子项目。在此基础上,经多次酵母发酵实验、聚赖氨酸发酵实验及对大量实验数据的分析,深入了解了微生物发酵的一般性规律;建立了微生物发酵过程的软测量模型,对不可在线测量的生物参数进行估计,包括由主元回归分析得到的解控制软测量回归分析神经网络
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髀发酵过程控制概述随着生物工程的迅速发展,生化反应过程,如发酵工业越来越引起科技动控制、建模与优化的目的是缩短新产品的开发周期和提高发酵过程的得率。到九十年代初期,国内一些发酵工厂已普遍采用计算机进行在线控制。都可以控制得很好,但由于微生物生长过程动态是高度的非线性和时变性,得很复杂。所以,生化工业的闭环控制落后于一般的工业生产过程控制。加强发酵过程的监督和控制是提高发酵效益的重要措施。近几年,人们开始用估计技术来预估生化过程的重要变量如菌体浓度和产物浓度,实现发酵过程的建模⋯。包括对环境参量和过程状态的建模。建模方法分别基于数学络模型或专家系统模型等!薄啊!苯昀矗悄苣P陀绕涫巧窬缃T生化过程中得到了越来越广泛的应用。“”“颐墙5淖钪漳康氖鞘迪钟参量优化即在不同的发酵时期采用不同的最适环境参量。迄今为止,仍采用多次实验试值的方法。流加方式优化即控制补料流加方式,使各过程变量按要对发酵过程实行建模与控制,首先要解决过程的有关参数在线检测问物理参数通常有发酵罐温度,发酵罐压力,发酵液体积,空气流量,冷却水流量,冷却水进出口温度,搅拌转速,泡沫高度等。化学参数典型的有值、溶解氧浓度。生物参数通常包括生物质呼吸代谢参数、生物质浓度、代谢产物浓度、底物浓度以及生物比生长速率,底物消耗速率和产物形成速率等主要生物参数如基质浓度、产物浓度和代谢物浓度,还没有可在线实用界、工业界和政府部门的重视,因为生物工程的许多成果,需经过发酵工业转化为工业产晶,而成为商品。对发酵生产过程的参数测量、操作监视、自⋯⋯车牟僮鞣绞绞强;返模」芏曰肪巢问鏿⒔臀露龋苎跖ǘ关键变量,如菌体浓度和产物浓度又不可在线测量,使发酵过程控制问题变模型刺匠蹋罘址匠袒蚧毓榉匠痰或智能模型:P停窬化控制,最终提高产物得率。包括环境参量优化和流加方法优化。”;肪优化轨线进行,采用的方法多为根据经验确定流加时机和流加速率。.⒔凸滩问觳题。一般的耗氧型发酵罐系统要测量的过程参数可分为物理参数、化学参数和生物参数。物理参数、化学参数及部分生物参数可以选用有关的测量仪表或基于系统气相物料平衡计算而得。的测量仪器。在实验室中,已有用质谱仪、高压液相分析仪、流注式分析仪秃舜殴舱穹治鲆抢床饬糠⒔鸵褐懈髦治镏实呐ǘ取S捎诔本太高,尚没有处在应用阶段。所以,在工业生产上,这些参数的测量大都天津科技大学硕士学位论文
鴍基于取出发酵液样品到实验室采用化学分析方法或借用如仪器来分正在研究的测量方法有两种,一种是研究新的生物传感器,另一种是采.⒔凸炭刂为使发酵生产过程安全、平稳的运行,以达到优化生产的目的,必须对方面来考虑,酶的最佳活力对应着一最好的温度。因此,罐温是一个重要的环境参数,采用加热器、冷却水的作用进行控制。②消泡控制的控制,通常用双位式的控制方法,当发酵液液面达到一定的高度时,自动打开消泡剂的阀门,当液面降回到正常时,自动关闭消泡剂阀门。微生物代谢的进行和代谢产物的台成。工业生产上,若发酵液值偏低,则通过补加氨水的方法使其回升;若值偏高,在发酵前期,可适当增加糖的补加量来调整,一般没有其它的控制手段。因此,控制中必须严格控制好氨将会抑制微生物的生长和代谢的进行,为此,在发酵过程中,要保持一定的溶氧浓度。影响溶解氧浓度的主要因素有供给的空气量、搅拌转速和发酵罐的压力。其控制主要通过采用调节搅拌转速或者调节供给的空气量来实现。⑤补料控制质,使微生物按照优化的生长轨迹生长,以获得高产的微生物