第九章发酵过程的计算机在线控制.ppt

* * 6 发酵过程参数检测与计算机监控 6.1 发酵过裎参数监测的研究概况 工业发酵研究和开发的主要目标之一是建立一种能达到高产低成本的可行的过程。 历史上达到此目标的重要工艺手段有菌种的改良，培养基的改进和补料，生产条件的优化等。近年来，在生物技术参数的测量、生物过程的仪器化、过程建模和控制方面有了巨大的进步。生物过程的控制不仅要从生物学上还要从工程学的观点考虑。 有关工业发酵过程监控的现状，请参阅Schugerl撰写的《测量、建模与控制》。本章的主要内容取材于ChattaWay等的《发酵监测与控制》和Stephanopolous等的《用于诊断与控制的发酵数据分析》。 在发酵生产工厂中生物过程控制是过程改进所必需考虑的大事。 过程监测与控制的两个关键要素是： 测量－由此获得所需的现场过程状态变化的信息。 模型－动态地相互关联各种过程变量，即那些具有实用意义，能描述过程性能的变量。 为了能够掌握过程的性能，它与能直接测量的变量及能操纵的变量之间的相互关系显得非常重要。 建模需要对过程所需解决的任务进行量化。 发酵过程最直接和有效的方法是通过直接测量发酵各种参数来调节生物过程，故在线测量是高效过程运行的先决条件。常用发酵仪器的最方便的分类为： ① 就地使用的探头； ② 其他在线仪器； ③ 气体分析； ④ 离线分析培养液样品的仪器。 在线测量所需的变量一般均需将采集到的电信号放大，这些信号可用于监测发酵的状态、直接用作发酵闭环控制和计算间接参数。 6.1.1 设定参数 目前采用的发酵过程就地测量仪器是经过考验，很牢靠的传感器，如用热电耦测量罐温，压力表指示罐压，转子流量计读空气流量和测速电机显示搅拌转速。选择仪器时不仅要考虑其功能，还要确保该仪器不会增加染菌的机会。 常规在线测量和控制发酵过程的设定参数有罐温、罐压、通气量、搅拌转速、液位等。 6.1.2 状态参数 状态参数是指能反映过程中菌的生理代谢状况的参数，如pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2、黏度、菌浓等。 现有的监测状态参数的传感器除了必需耐高温蒸汽反复灭菌，还需避免探头表面被微生物堵塞，使测量失败的危险。 最有价值的状态参数或许是尾气分析和空气流量的在线测量。用红外和热磁氧分析仪可分别测定尾气CO2和O2含量，也可以用一种快速、不连续的、能同时测多种组分的质谱仪测定。 尽管得到的数据是不连续的，但这种仪器的速度相当快，可用于过程控制。 6.1.3 间接参数 间接参数是指那些通过基本或第一线参数计算求得的参数，如摄氧率（OUR）、CO2释放速率（CER）、比生产速率（μ）、体积氧传质速率（KLa）、呼吸商（RQ）等。 反映微生物的代谢状况，尤其能提供从生长向生产过渡或主要基质间的代谢过渡指标。用此法也能在线求得KLa，它能提供培养物的黏度状况。故间接测量是许多测量技术，推论控制和其他先进控制生物反应器方法的基础。 尾气分析能在线测量即时反映生产菌的生长状况。 综合各种状态变量可以提供反映过程状态、反应速率或设备性能的信息。 6.1.4 发酵样品的离线分析 发酵液中的基质（糖、脂质、盐、氨基酸），前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸和氨基酸）以及菌量的监测目前还是依赖人工取样和离线分析。 离线分析的特点是所得的过程信息是不连贯的和迟缓的。 由于传统峰高、峰面积的定量法在解决此问题时有一定局限性，故杭海峰等采用人工神经元网络法来解决， 用人工神经元网络建立了直接通过红外吸收光谱的变化确定pH和总碳浓度浓度的方法，对实际过程进行测定，取得了满意的结果。 6.2 生物过程控制的特征 发酵过程有两种易受控制的特性： 首先，生物反应器在很大程度上能自我调节，这是微生物靠长期进化压力培养出来的适应环境的能力。 发酵过程的第二种易受控特征是其相当长的时间常数。 由于时间常数相当长，故可通过人工取样，离线分析，采用控制补料速率办到。 为了较好地控制过程的进展，常采用开环或前馈控制策略。这主要应用于分批补料发酵的补料方案。此策略使次级代谢产物，特别是抗生素发酵得以优化。 现代计算机技术可以控制各种参数在设定值的范围内。 为了达到高产目的，可以提高重组体技术，代谢工程和在选择压力下筛选，以减少或甚至消除有害的副产物。 现已可能建立一种补料分批培养的策略，让菌在不受限制或无抑制作用下生长，即μ＝μmax。这需要用适当的方法来反馈控制补料。 6.2.1 对生物过程控制规范化的要求