（控制理论与控制工程专业论文）生化过程的优化、监控及相应软件开发.pdf

塑垩叁兰塑! ：兰竺丝茎 ! ! a b s t r a c t k e y ：m p c a f e r m e n t a t i o no p t i m a lm o n i t o r i n g t h eo p t i m a lc o n t r o l ，m o n i t o r i n ga n df a u l td e t e c t i o no ff e d - b a t c hf e r m e n t m i o n r e m a i nac h a l l e n g i n gi s s u e a l t h o u g ht h e r ea r em a n yt h e o r yr e s u l t s ，t h ea c t u a l e f f e c to f t h e mi sp o o rm e a n w h i l e ，f ll a r g ea m o u n to f p r o c e s sd a t ai ss t o r e du pw i t h t h ep r o g r e s so ff e r m e n t a t i o n t of i n dt h ew e a l t h yi n f o r m a t i o nf r o mt h ea b u n d a n t f e r m e n t a t i o nd a t a ，t h em u l t i w a yp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i si ss t u d i e d t h e w h o l e s t u d y i sd i v i d e di n t ot h r e ep a n sa sf o l l o w i n g ： 1 s t u d yo fo p t i m a lc o n t r o lo ff e d - b a t c hf e r m e n t a t i o n i nt h i sp a p e r , t h e a p p r o a c hw h i c hc o m b i n e so p t i m a lm e t h o db a s e do nm o d e lw i t hp r o c e s s a n a l y s i si sp r e s e n t e d i np r a c t i c a lp r o c e s s ，t h i sa p p r o a c h i so p e r a t i o n a la n d a c c h r a t e 2 ac o n t r o ls o f t w a r eo ff e r m e n t a t i o n ( a p c - b i o ) i sg i v e n as e to f o p t i m a l s o f t w a r eb a s e do n p r o v i d e dm e t h o d i sd e v e l o p e d t h er u n i o na n d d e s i g n o f t h i ss o f t w a r ea r ei n 拄o d u c e di nd e t a i l 3 a p p l i c a t i o n o fs o f t w a r eb a s e do nm p c a t h et h e o r yo fp c ai s i n t r o d u c e d ，a n das e to fs o f t w a r eb a s e do nm p c ai sd e v e l o p e d f u l l y u t i l i z e dt h ep r o c e s sd a t a , am p c am o d e li sb u i l ti nt h i ss y s t e m o nt h e b a s i so ft h i sm o d e l ，t h e a n a l y s i s ，a s s e s s m e n t ，m o n i t o r i n g a n df a u l t d e t e c t i o no ff e r m e n t a t i o np r o c e s si s e x e c u t e d f i n a l l y , t h ee f f i c i e n c yo f m p c ai sp r o v e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so f s t r e p t o m y c i nf e r m e n t a t i o nd a t a 浙江人学硕十学位论文 1 1 前言 第一章综述 随着社会的进步，人类生活水平的提高，生物工程对人类生活的作用越 束越重要。生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四个分支， 其中发酵工程是生物工程的基础之一。发酵工程在整个生物工程中相对发展 较为成熟，以抗生素为产品的抗生素工业则是发酵工程所应用的主要产业部 门之一。 ，发酵工业是一个历史悠久的产业，从几千年i j 的“杜康酿酒”到人类运 用生化技术制取抗生素，期间经历了漫长的发展过程。发酵是某些物质通过 微生物所产生的酶的作用转化为其它物质的过程。抗尘素发酵是微生物二次 代谢的产物，是通过对产生菌在一定条件下进行培养而获得的。随着发酵工 业的发展，生产规模越来越大，发酵罐体积从几十立方米变成几百立方米， 这就越来越依赖于发酵过程自动检测、自动控制和计算机优化控制。自2 0 世 纪7 0 年代以来，国外对发酵过程动力学模型和优化控制做了大量的研究工作。 在国内，发酵工业生产技术水平相对比较落后，以手工操作生产方式为主， 生产效益较低，对发酵过程的机理、模型化和优化控制研究相对较晚。国内 抗生素的发酵水平虽然从纵向上说有很大提高，但是与国际水平相比仍有较 大差距，所以晓在提高对发酵工艺研究的同时提高自动化水平是刻不容缓。 1 2 生化过程的模型 随着生物技术的发展和市场的竞争同趋激烈，单纯依靠手动来控制生产 已经远远不能满足企业优化生产的要求，同时计算机技术的发展又为实现发 酵过程的优化控制提供了客观前提。要对过程进行控制，首先必须要有模型， 这样j 能根据最优化理论给出适当的控制方法，给出过程的静念或者动态最 优化。此外，由于生化过程的复杂性，有些关键变量无法实现在线测量，如 菌体浓度、比生长速率、基质浓度、产物浓度等，在建立模型的基础上，我 们可以通过测量其他一些相关参数如排气中的氧、二氧化碳等来在线估计， 为实施在线最优控制提供先决条件。建立一个全面的过程模型，主要考虑三 个方面： 浙江人学硕十学位论文 1 1 前言 第一章综述 随着社会的进步，人类生活水平的提高，生物工程对人类生活的作用越 束越重要。生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四个分支， 其中发酵工程是生物工程的基础之一。发酵工程在整个生物工程中相对发展 较为成熟，以抗生素为产品的抗生素工业则是发酵工程所应用的主要产业部 门之一。 ，发酵工业是一个历史悠久的产业，从几千年i j 的“杜康酿酒”到人类运 用生化技术制取抗生素，期间经历了漫长的发展过程。发酵是某些物质通过 微生物所产生的酶的作用转化为其它物质的过程。抗尘素发酵是微生物二次 代谢的产物，是通过对产生菌在一定条件下进行培养而获得的。随着发酵工 业的发展，生产规模越来越大，发酵罐体积从几十立方米变成几百立方米， 这就越来越依赖于发酵过程自动检测、自动控制和计算机优化控制。自2 0 世 纪7 0 年代以来，国外对发酵过程动力学模型和优化控制做了大量的研究工作。 在国内，发酵工业生产技术水平相对比较落后，以手工操作生产方式为主， 生产效益较低，对发酵过程的机理、模型化和优化控制研究相对较晚。国内 抗生素的发酵水平虽然从纵向上说有很大提高，但是与国际水平相比仍有较 大差距，所以晓在提高对发酵工艺研究的同时提高自动化水平是刻不容缓。 1 2 生化过程的模型 随着生物技术的发展和市场的竞争同趋激烈，单纯依靠手动来控制生产 已经远远不能满足企业优化生产的要求，同时计算机技术的发展又为实现发 酵过程的优化控制提供了客观前提。要对过程进行控制，首先必须要有模型， 这样j 能根据最优化理论给出适当的控制方法，给出过程的静念或者动态最 优化。此外，由于生化过程的复杂性，有些关键变量无法实现在线测量，如 菌体浓度、比生长速率、基质浓度、产物浓度等，在建立模型的基础上，我 们可以通过测量其他一些相关参数如排气中的氧、二氧化碳等来在线估计， 为实施在线最优控制提供先决条件。建立一个全面的过程模型，主要考虑三 个方面： 浙江人学硕十学位论文 c 1 ) 物料和能量平衡 物料和能量平衡原理在发酵过程模型的建立过程中是必不可少的，通过 该原理可以反映出参加生化反应的各原料组分在发酵过程中的变化，通过平 衡方程根据已知信息获得重要的未知信息来指导生产。通常，物料和能量平 衡原理的形式可以表示为： 累积量= 传递量+ 转换量 根掘这一基本形式，我们可以列出如下方程： 菌体积累速率= 生成量一移出量 基质积累速率= 基质加入量一菌体生长需要量一维持菌体生长需要量一 基质移出量 产物积累速率= 合成量一移出量一降解量 ( 2 ) 微生物反应动力学 如果要对生化反应过程做定量的描述，必须依赖微生物反应动力学方程。 微生物反应动力学方程描述了菌体随底物水平或者其他环境条件变化进行生 长的方式，同时也描述了产物合成、底物消耗、热量释放的变化规律。通过 对微生物反应动力学的研究可以建立一些有实用价值的模型，用以描述菌体 浓度、菌体比增长速率、糖比消耗速率、氧传递速率、产物比生成速率等重 要变量之间的关系从而为发酵过程的优化控制提供信息。 ( 3 ) 工程模型方面 在工程的水平上，主要考虑生物反应器的“三传”问题，即热量传递、 质量传递、动量传递。微生物进行物质代谢的时候会伴随着能量代谢，两者 是相辅相成的。氧是大多数微生物进行能量代谢的重要物质，由于现有发酵 设备的供氧能力有限，使得氧的传递速率成为生化过程中经常遇到的限制性 因素。另外，菌体在生长过程中本身会产生大量的热量即生物热，同时机械 搅拌也会产生一定的热量，而设备和环境之问的传热、水分蒸发等也要带走 部分热量，也就是说生化过程中存在热量传递现象，如果生产上遇到热量传 递限制问题，必须在建立模型时将其考虑进去。 实际上，如果要建立一个全面的生化过程模型需要做大量的基础研究工 作，需要大量的基础数据，这是一项十分困难的工作，而且由于模型建立时 要做大量的假设使得最终的模型在实际生产中已经失去意义。有鉴于此，在 实际过程中能够获得广泛应用的基本上是反映生化过程的某一阶段或者某一 方面的局部模型。根据细胞生长的观点，生化反应过程模型可以分为结构模 浙江人学硕十学何论文 型和非结构模型两种。 1 2 1 结构模型 所谓结构模型就是考虑到由于环境条件变化引起菌体组成变化的模型， 这类模型从机理上全面地描述微生物的动态行为。通常，微生物合成及抗尘 素分泌过程是动念变化的，为了能够描述微生物活性的变化，结构模型综合 了来自分子生物学、微生物学和生物化学几方面的基础理论研究信息，并选 取细胞的r n a 、d n a 、糖类及蛋白质含量等过程的关键变量，描述微生物的 生理状态，并将其表示为细胞组成的函数。结构模型不仅定量而且定性地提 供了关于细胞生长的大量信息，因此结构模型描述了微生物菌体内部机制， 反映了菌体组成的变化情况。最常见的结构模型是分室模型( c o m p a r t m e n t m o d e l ) ，尤其是二分室模型，其中最著名的二分室模型是由w i l l i a m s 于1 9 6 7 年提出的。他将小代谢产物与核糖体分为一室k ，而将大分子物质( 蛋白质 和d n a ) 分为一室g 。两室物质合成写为： c s y , x k 反应速率_ 2 乜可杀 x - 一y - x “ 反应速率= 如以五， ( 1 1 ) k 室中物质直接由底物s 合成，g 室物质则由k 室物质组成。由于人们 发现，对细菌的某个比生长速率来说，蛋白质与d n a 比例一定，k 室是细胞中 的反应部分，g 室形成速率依赖于k 室的大小。同时，尽管g 室中绝大多数物 质都是不反应的，然而g 室中一定比例的含酶物质也参加了g 室合成过程。 这就很好地解释了式( 1 1 ) 中r ：与k 和) ( 【均成f 比的现象。其他的多室模型 的思路类似于二分室模型，只是将生物量各组分的功能划分得更详细，得到 多个不同功能的室。同时方程的数量也会成比例增加。结构模型自从w i l l i a m s 和k a m k y i s h n a l 2 j 等人首先提出后在随后的几年里有一些新的发展，1 9 8 2 年 h o r d e r 和r o e l w l 3 1 综述了已丌发的两组分和三组分的非分离结构模型：k a m k r i s h n a 则于1 9 8 3 年提出了一种所谓“控制”观点的非分离结构模型方法【4 】。但 是总的说来，结构模型的发展还很不成熟，尤其是在工业应用上，对象的成 份太复杂，反应种类极多，付产品不计其数，使得结构模型很难在工业上得 浙江人学硕十学何论文 型和非结构模型两种。 1 2 1 结构模型 所谓结构模型就是考虑到由于环境条件变化引起菌体组成变化的模型， 这类模型从机理上全面地描述微生物的动态行为。通常，微生物合成及抗尘 素分泌过程是动念变化的，为了能够描述微生物活性的变化，结构模型综合 了来自分子生物学、微生物学和生物化学几方面的基础理论研究信息，并选 取细胞的r n a 、d n a 、糖类及蛋白质含量等过程的关键变量，描述微生物的 生理状态，并将其表示为细胞组成的函数。结构模型不仅定量而且定性地提 供了关于细胞生长的大量信息，因此结构模型描述了微生物菌体内部机制， 反映了菌体组成的变化情况。最常见的结构模型是分室模型( c o m p a r t m e n t m o d e l ) ，尤其是二分室模型，其中最著名的二分室模型是由w i l l i a m s 于1 9 6 7 年提出的。他将小代谢产物与核糖体分为一室k ，而将大分子物质( 蛋白质 和d n a ) 分为一室g 。两室物质合成写为： c s y , x k 反应速率_ 2 乜可杀 x - 一y - x “ 反应速率= 如以五， ( 1 1 ) k 室中物质直接由底物s 合成，g 室物质则由k 室物质组成。由于人们 发现，对细菌的某个比生长速率来说，蛋白质与d n a 比例一定，k 室是细胞中 的反应部分，g 室形成速率依赖于k 室的大小。同时，尽管g 室中绝大多数物 质都是不反应的，然而g 室中一定比例的含酶物质也参加了g 室合成过程。 这就很好地解释了式( 1 1 ) 中r ：与k 和) ( 【均成f 比的现象。其他的多室模型 的思路类似于二分室模型，只是将生物量各组分的功能划分得更详细，得到 多个不同功能的室。同时方程的数量也会成比例增加。结构模型自从w i l l i a m s 和k a m k y i s h n a l 2 j 等人首先提出后在随后的几年里有一些新的发展，1 9 8 2 年 h o r d e r 和r o e l w l 3 1 综述了已丌发的两组分和三组分的非分离结构模型：k a m k r i s h n a 则于1 9 8 3 年提出了一种所谓“控制”观点的非分离结构模型方法【4 】。但 是总的说来，结构模型的发展还很不成熟，尤其是在工业应用上，对象的成 份太复杂，反应种类极多，付产品不计其数，使得结构模型很难在工业上得 浙江人学硕十学位论文 到成功应用。 1 2 2 非结构模型 环境变化对菌体组成的影响基本上被忽略不计的模型定义为非结构模型， 其实质是在一定的研究基础上，例如物料衡算与能量衡算、局部过程原理的 分析、半经验或者经验的关联式的基础上，利用实验数据所建立起来的半经 验数据模型。细胞在间歇生长过程中，培养基中底物的量是一定的，首先被 利用完的那一种底物成分会限制细胞生长，称为限制性基质。m o n o d 于2 0 世纪4 0 年代在大量的实验数据基础上提出了著名的m o n o d 方程i 5 l ： = 。+ c j ( c s + k 妙 ( 1 2 ) 式中： a 一比增长速率( h o ) 。一一最大比增长速率( h 。) o 一基质浓度( g l ) 胁一饱和常数( g l ) 该方程用来描述菌体生长速率和生长限制性基质浓度的关系，各实验数据 能够很好地吻合，至今仍在广泛应用。m o n o d 方程的建立基于以下假设： ( 1 ) 细胞生长被视为平衡生长，细胞成分仅用一个参数即细胞浓度表 不o ( 2 ) 培养基中只有一种底物是生长限制性底物，其他组分含量充分，不 影响细胞的生长。 ( 3 ) 将细胞生长视为简单反应，设细胞利率y “。为常数，不考虑滞后期。 根据m o n o d 方程，当限制性基质浓度很底时，即c s k s ，c s + k s c s ，m o n o d 方程变为： = m( 1 4 ) 浙江人学硕十学位论文 到成功应用。 1 2 2 非结构模型 环境变化对菌体组成的影响基本上被忽略不计的模型定义为非结构模型， 其实质是在一定的研究基础上，例如物料衡算与能量衡算、局部过程原理的 分析、半经验或者经验的关联式的基础上，利用实验数据所建立起来的半经 验数据模型。细胞在间歇生长过程中，培养基中底物的量是一定的，首先被 利用完的那一种底物成分会限制细胞生长，称为限制性基质。m o n o d 于2 0 世纪4 0 年代在大量的实验数据基础上提出了著名的m o n o d 方程i 5 l ： = 。+ c j ( c s + k 妙 ( 1 2 ) 式中： a 一比增长速率( h o ) 。一一最大比增长速率( h 。) o 一基质浓度( g l ) 胁一饱和常数( g l ) 该方程用来描述菌体生长速率和生长限制性基质浓度的关系，各实验数据 能够很好地吻合，至今仍在广泛应用。m o n o d 方程的建立基于以下假设： ( 1 ) 细胞生长被视为平衡生长，细胞成分仅用一个参数即细胞浓度表 不o ( 2 ) 培养基中只有一种底物是生长限制性底物，其他组分含量充分，不 影响细胞的生长。 ( 3 ) 将细胞生长视为简单反应，设细胞利率y “。为常数，不考虑滞后期。 根据m o n o d 方程，当限制性基质浓度很底时，即c s k s ，c s + k s c s ，m o n o d 方程变为： = m( 1 4 ) 浙江人学硕十学位论文 式( 1 4 ) 说明，当限制性基质浓度很高时，菌体比增长速率近似为常数， 此时改变限制性基质浓度对基本无影响。 在m o n o d 之后，又有许多学者对生化过程的模型做了进一步研究。p i n 从酶动力学出发，导出m o n o d 模型【6 】；l u e d e k i n g 提出了次级代谢产物是由生 成相和非生成相组成，提出新的产物生成模型1 7j ；k o n o 指出了微生物生长具 有滞迟期、过渡期、对数期和衰减期四个时期，对菌体生长模型作了改进【8 j ： 另外，还有一些学者提出别的形式的模型 t ) - 1 0 。 非结构模型在生化模型中占着举足轻重的地位，它包括三类：菌体生长 模型，产物形成模型和基质消耗模型。目6 u 菌体生长模型发展到了比较成熟 的水平，许多学者虽然提出了各种类型的模型，但大多只是m o n o d 模型的改 进。 和结构模型相比，非结构模型有着较好的工程实用性，目自f 的大多数控 制方法都是基于非结构模型。但是，因为非结构模型是对过程作了许多简化 得出的，所以有着严重的不足之处：其建模型方法基于化学工程的平稳原理， 这是在缺乏生物动力学知识提出的一种近似的方法，当菌体内部变化不能忽 略时，非结构模型将不再适用。 1 3 发酵过程的优化控制 为使生产能够安全平衡地进行，发酵过程中的各个参数都有其最佳操作 点，这都是经过大量实验总结出来的，最后形成发酵工艺。操作工严格按照 工艺要求来进行操作，控制发酵生产朝着规定的方向进行。总的来说，发酵 过程的控制主要包括两个方面：环境条件和生理相关特性的优化控制。 1 3 i 环境控制 环境条件的控制主要指p h 、温度等物理、化学参数的控制，这些参数的 稳定是发酵得以j 下常进行的前提条件，因为任何菌都对生存环境的温度、酸 碱度等条件有定要求。物理环境的优化控制很早就受到人们的重视，1 9 7 0 年c o n s t a n f i n d e s 利用极大值原理获得了青霉素发酵过程的温度优化策略，其 仿真结果表明，进行温度优化比恒温控制提高青霉素产量1 5 左右i ；1 9 7 9 年c h e r u y 研究了红霉素发酵过程中调节p h 和温度的最佳策略，仿真表明此 浙江人学硕十学位论文 式( 1 4 ) 说明，当限制性基质浓度很高时，菌体比增长速率近似为常数， 此时改变限制性基质浓度对基本无影响。 在m o n o d 之后，又有许多学者对生化过程的模型做了进一步研究。p i n 从酶动力学出发，导出m o n o d 模型【6 】；l u e d e k i n g 提出了次级代谢产物是由生 成相和非生成相组成，提出新的产物生成模型1 7j ；k o n o 指出了微生物生长具 有滞迟期、过渡期、对数期和衰减期四个时期，对菌体生长模型作了改进【8 j ： 另外，还有一些学者提出别的形式的模型 t ) - 1 0 。 非结构模型在生化模型中占着举足轻重的地位，它包括三类：菌体生长 模型，产物形成模型和基质消耗模型。目6 u 菌体生长模型发展到了比较成熟 的水平，许多学者虽然提出了各种类型的模型，但大多只是m o n o d 模型的改 进。 和结构模型相比，非结构模型有着较好的工程实用性，目自f 的大多数控 制方法都是基于非结构模型。但是，因为非结构模型是对过程作了许多简化 得出的，所以有着严重的不足之处：其建模型方法基于化学工程的平稳原理， 这是在缺乏生物动力学知识提出的一种近似的方法，当菌体内部变化不能忽 略时，非结构模型将不再适用。 1 3 发酵过程的优化控制 为使生产能够安全平衡地进行，发酵过程中的各个参数都有其最佳操作 点，这都是经过大量实验总结出来的，最后形成发酵工艺。操作工严格按照 工艺要求来进行操作，控制发酵生产朝着规定的方向进行。总的来说，发酵 过程的控制主要包括两个方面：环境条件和生理相关特性的优化控制。 1 3 i 环境控制 环境条件的控制主要指p h 、温度等物理、化学参数的控制，这些参数的 稳定是发酵得以j 下常进行的前提条件，因为任何菌都对生存环境的温度、酸 碱度等条件有定要求。物理环境的优化控制很早就受到人们的重视，1 9 7 0 年c o n s t a n f i n d e s 利用极大值原理获得了青霉素发酵过程的温度优化策略，其 仿真结果表明，进行温度优化比恒温控制提高青霉素产量1 5 左右i ；1 9 7 9 年c h e r u y 研究了红霉素发酵过程中调节p h 和温度的最佳策略，仿真表明此 浙江人学硕十学位论文 式( 1 4 ) 说明，当限制性基质浓度很高时，菌体比增长速率近似为常数， 此时改变限制性基质浓度对基本无影响。 在m o n o d 之后，又有许多学者对生化过程的模型做了进一步研究。p i n 从酶动力学出发，导出m o n o d 模型【6 】；l u e d e k i n g 提出了次级代谢产物是由生 成相和非生成相组成，提出新的产物生成模型1 7j ；k o n o 指出了微生物生长具 有滞迟期、过渡期、对数期和衰减期四个时期，对菌体生长模型作了改进【8 j ： 另外，还有一些学者提出别的形式的模型 t ) - 1 0 。 非结构模型在生化模型中占着举足轻重的地位，它包括三类：菌体生长 模型，产物形成模型和基质消耗模型。目6 u 菌体生长模型发展到了比较成熟 的水平，许多学者虽然提出了各种类型的模型，但大多只是m o n o d 模型的改 进。 和结构模型相比，非结构模型有着较好的工程实用性，目自f 的大多数控 制方法都是基于非结构模型。但是，因为非结构模型是对过程作了许多简化 得出的，所以有着严重的不足之处：其建模型方法基于化学工程的平稳原理， 这是在缺乏生物动力学知识提出的一种近似的方法，当菌体内部变化不能忽 略时，非结构模型将不再适用。 1 3 发酵过程的优化控制 为使生产能够安全平衡地进行，发酵过程中的各个参数都有其最佳操作 点，这都是经过大量实验总结出来的，最后形成发酵工艺。操作工严格按照 工艺要求来进行操作，控制发酵生产朝着规定的方向进行。总的来说，发酵 过程的控制主要包括两个方面：环境条件和生理相关特性的优化控制。 1 3 i 环境控制 环境条件的控制主要指p h 、温度等物理、化学参数的控制，这些参数的 稳定是发酵得以j 下常进行的前提条件，因为任何菌都对生存环境的温度、酸 碱度等条件有定要求。物理环境的优化控制很早就受到人们的重视，1 9 7 0 年c o n s t a n f i n d e s 利用极大值原理获得了青霉素发酵过程的温度优化策略，其 仿真结果表明，进行温度优化比恒温控制提高青霉素产量1 5 左右i ；1 9 7 9 年c h e r u y 研究了红霉素发酵过程中调节p h 和温度的最佳策略，仿真表明此 浙江人学硕十学位论文 6 优化策略可以提高产量l o ；1 9 8 9 年朱学峰等人论述了他们在谷氨酸发酵 过程中温度和p h 控制策略的丌发及应用；n i s h i o 等于1 9 7 7 年研究了在半 间歇过程中用甲醇和氨的混合物进行p h 控制的方法1 1 4 1 ；1 9 8 2 年g o t t v a l d o v a 等则采用碳和氮来调节纤维素酶生产中的p h ”1 ：2 0 0 0 年k p r e u f l 等利用预 测控制算法对批过程的反应器进行温度控制，取得很好的效果i i 。 1 3 2 生理特性控制 生理相关特性的优化控制则指的是传递过程、培养基添加等方面的控制。 生理相关特性中的传递过程控制主要是指氧的控制，因为在需要氧发酵中， 氧是微生物生长、产物合成所必需的。特别是在高发酵单位的生产中，氧的 供需矛盾比较突出，供氧的制约因素主要是搅拌转速和空气流量，其中搅拌 转速的作用又远大于空气流量的影响。s h t o t i e r 认为搅拌速率能直接影响到摄 氧率，提出了土霉素发酵中搅拌速率对摄氧率影响的临界值曲线| l7 j ； h o u o w i n k 则通过研究谷氨酸产生菌的生长模型和溶解氧的消耗模型，确定了 临界溶解氧控制的搅拌速率和通气速率，提出动念优化策略 1 8 1 ；r o l f 在他的 文章中探讨了溶解氧浓度对菌体生长率和产物浓度的影, l j j j ”j 。另外尾气中 c 0 2 含量也是一个反映发酵状况的重要参数，微生物对碳源的利用总是伴随 着c 0 2 的释放。s u g a 和m o u 等人都研究了通过尾气中的c 0 2 含量对发酵过 程进行控制的方法u 1 i 。 在半连续发酵过程中，随着发酵的进行，微生物生长状态和生物代谢状 况不断变化，中间要继续不断地补充营养物质，使微生物生长沿着最优的轨 迹生长，以获得高产的代谢产物。所以说补料方式的优化是问歇补料发酵过 程的核心内容。许多学者在这方面进行了大量研究，出现许多理论上结果。 1 9 7 4 年f i s h m a n 等应用连续极大值原理求取了葡萄糖的补料优化策略【2 2 】； h e o n e n 于1 9 7 9 年提出青霉素的分批补料策略【2 3 1 ；1 9 8 2 年k a z u o 等人提出面 包酵母发酵中的最优补料时间控制策略1 2 4 1 ；d c h a i n 等于1 9 8 4 年提出一种基 于基质的产物生成速率的最小方差控制策略1 2 5 1 ；同年s t a n i s k i s 等人针对实际 淀粉酶发酵过程通过模型方针提出了一种基质浓度的自适应控制算法 2 6 】； 】9 9 3 年r e i nl u u s 用迭代动态规划的方法来求解发酵过程的优化补料问题1 2 7 j ： 1 9 9 6 年r o d r i g u e s 等人运用罚函数的概念将描述发酵优化补料问题的多约束 非线性规划问题进行简化，用修改的单纯形法进行求解1 2 8 - 3 0 1 ；1 9 9 9 年 浙江人学硕十学位论文 6 优化策略可以提高产量l o ；1 9 8 9 年朱学峰等人论述了他们在谷氨酸发酵 过程中温度和p h 控制策略的丌发及应用；n i s h i o 等于1 9 7 7 年研究了在半 间歇过程中用甲醇和氨的混合物进行p h 控制的方法1 1 4 1 ；1 9 8 2 年g o t t v a l d o v a 等则采用碳和氮来调节纤维素酶生产中的p h ”1 ：2 0 0 0 年k p r e u f l 等利用预 测控制算法对批过程的反应器进行温度控制，取得很好的效果i i 。 1 3 2 生理特性控制 生理相关特性的优化控制则指的是传递过程、培养基添加等方面的控制。 生理相关特性中的传递过程控制主要是指氧的控制，因为在需要氧发酵中， 氧是微生物生长、产物合成所必需的。特别是在高发酵单位的生产中，氧的 供需矛盾比较突出，供氧的制约因素主要是搅拌转速和空气流量，其中搅拌 转速的作用又远大于空气流量的影响。s h t o t i e r 认为搅拌速率能直接影响到摄 氧率，提出了土霉素发酵中搅拌速率对摄氧率影响的临界值曲线| l7 j ； h o u o w i n k 则通过研究谷氨酸产生菌的生长模型和溶解氧的消耗模型，确定了 临界溶解氧控制的搅拌速率和通气速率，提出动念优化策略 1 8 1 ；r o l f 在他的 文章中探讨了溶解氧浓度对菌体生长率和产物浓度的影, l j j j ”j 。另外尾气中 c 0 2 含量也是一个反映发酵状况的重要参数，微生物对碳源的利用总是伴随 着c 0 2 的释放。s u g a 和m o u 等人都研究了通过尾气中的c 0 2 含量对发酵过 程进行控制的方法u 1 i 。 在半连续发酵过程中，随着发酵的进行，微生物生长状态和生物代谢状 况不断变化，中间要继续不断地补充营养物质，使微生物生长沿着最优的轨 迹生长，以获得高产的代谢产物。所以说补料方式的优化是问歇补料发酵过 程的核心内容。许多学者在这方面进行了大量研究，出现许多理论上结果。 1 9 7 4 年f i s h m a n 等应用连续极大值原理求取了葡萄糖的补料优化策略【2 2 】； h e o n e n 于1 9 7 9 年提出青霉素的分批补料策略【2 3 1 ；1 9 8 2 年k a z u o 等人提出面 包酵母发酵中的最优补料时间控制策略1 2 4 1 ；d c h a i n 等于1 9 8 4 年提出一种基 于基质的产物生成速率的最小方差控制策略1 2 5 1 ；同年s t a n i s k i s 等人针对实际 淀粉酶发酵过程通过模型方针提出了一种基质浓度的自适应控制算法 2 6 】； 】9 9 3 年r e i nl u u s 用迭代动态规划的方法来求解发酵过程的优化补料问题1 2 7 j ： 1 9 9 6 年r o d r i g u e s 等人运用罚函数的概念将描述发酵优化补料问题的多约束 非线性规划问题进行简化，用修改的单纯形法进行求解1 2 8 - 3 0 1 ；1 9 9 9 年 浙江人学硕十学忙论文 f e n g s h e n gw a n g 等用遗传算法来求解优化补料问题1 3 i j ；1 9 9 8 年v i c t o r 等利 用马尔克夫决策算法来优化乙醇发酵的补料轨迹，实验结果表明经优化后乙 醇产量可以提高产量2 0 3 2 1 ；2 0 0 0 年r a d h a k r i s h n a nm a h a d e v a n 等研究了微 分平滑法在求解发酵优化补料策略中的应用，并取得较好的仿真结果1 3 3 3 4 1 ： 此外还有许多学者对于发酵过程中的优化补料策略进行了研究1 3 ”m 。 虽然有这么多关于优化补料的研究成果，但这些结果都是仿真或者试验 室成果，很难真f 应用到实际工业生产上。 1 4 多元统计分析技术 多元统计分析是数理统计中很重要的一支，它的理论和方法近年来获得 了飞速发展。在实际应用中，我们获得的许多数据资料，可能不符合现有的 统计模型的假设而使得对这些数据的分析得不到预期效果。此时，有效的办 法就是运用多元统计分析方法，直接从实际数据出发，考察和分析大量数据 的结构和特征，从中提取主要而准确的信息，必要时可以进一步归纳出数据 模型为统计推断作准备。这种基于统计的方法，从实用性角度来看有很多优 势：首先，“数据丰富，信息缺乏”是现代过程系统的普遍特点，如果能从大 量的、具有高度相关性的过程测量数据中提取出反映现实生产工况的重要信 息，那么不仅有利于改善过程运行性能并提高产品质量，而且加深了对过程 的理解；其次陔方法能简单实现，操作方便，易于被操作工理解。多元统计 方法主要包括主元分析、回归分析、相关分析、因子分析等，因为不同的方 法有其不同的适用范围，我们为了分析批过程的数掘，主要研究由主元分析 技术发展起来的多向主元分析技术( m p c a ) 。 m p c a ( m u l t i - w a yp r i n c i p a la n a l y s i s ) 方法的产生来源于对批量过程数据 的分析需要。分批过程经常表现在批与批之间的某些不同，这是由于过程变 量偏离设定轨线、加入原料时出现量的误差、原料中杂质含量的变化等原因 引起的。在批过程中出现的不f 常情况，若没有及时检测出来并且校j 下它， 往往会导致该批或接下去的批次的产品质量降低。传统的主元分析( p c a ) 方法是一个线性过程，当用到非线性间歇操作例如微生物发酵中时有很大的 限制。解决此问题的方法主要有两种：非线性主元分析方法和间歇过程数据 线性化方法。非线性性主元分析方法已经在间歇过程监督中得到应用1 4 j 4 3 】。 相比较而言，阳j 歇数据线性化更为方便实用。因为批量过程具有有限的运行 浙江人学硕十学忙论文 f e n g s h e n gw a n g 等用遗传算法来求解优化补料问题1 3 i j ；1 9 9 8 年v i c t o r 等利 用马尔克夫决策算法来优化乙醇发酵的补料轨迹，实验结果表明经优化后乙 醇产量可以提高产量2 0 3 2 1 ；2 0 0 0 年r a d h a k r i s h n a nm a h a d e v a n 等研究了微 分平滑法在求解发酵优化补料策略中的应用，并取得较好的仿真结果1 3 3 3 4 1 ： 此外还有许多学者对于发酵过程中的优化补料策略进行了研究1 3 ”m 。 虽然有这么多关于优化补料的研究成果，但这些结果都是仿真或者试验 室成果，很难真f 应用到实际工业生产上。 1 4 多元统计分析技术 多元统计分析是数理统计中很重要的一支，它的理论和方法近年来获得 了飞速发展。在实际应用中，我们获得的许多数据资料，可能不符合现有的 统计模型的假设而使得对这些数据的分析得不到预期效果。此时，有效的办 法就是运用多元统计分析方法，直接从实际数据出发，考察和分析大量数据 的结构和特征，从中提取主要而准确的信息，必要时可以进一步归纳出数据 模型为统计推断作准备。这种基于统计的方法，从实用性角度来看有很多优 势：首先，“数据丰富，信息缺乏”是现代过程系统的普遍特点，如果能从大 量的、具有高度相关性的过程测量数据中提取出反映现实生产工况的重要信 息，那么不仅有利于改善过程运行性能并提高产品质量，而且加深了对过程 的理解；其次陔方法能简单实现，操作方便，易于被操作工理解。多元统计 方法主要包括主元分析、回归分析、相关分析、因子分析等，因为不同的方 法有其不同的适用范围，我们为了分析批过程的数掘，主要研究由主元分析 技术发展起来的多向主元分析技术( m p c a ) 。 m p c a ( m u l t i - w a yp r i n c i p a la n a l y s i s ) 方法的产生来源于对批量过程数据 的分析需要。分批过程经常表现在批与批之间的某些不同，这是由于过程变 量偏离设定轨线、加入原料时出现量的误差、原料中杂质含量的变化等原因 引起的。在批过程中出现的不f 常情况，若没有及时检测出来并且校j 下它， 往往会导致该批或接下去的批次的产品质量降低。传统的主元分析( p c a ) 方法是一个线性过程，当用到非线性间歇操作例如微生物发酵中时有很大的 限制。解决此问题的方法主要有两种：非线性主元分析方法和间歇过程数据 线性化方法。非线性性主元分析方法已经在间歇过程监督中得到应用1 4 j 4 3 】。 相比较而言，阳j 歇数据线性化更为方便实用。因为批量过程具有有限的运行 浙江人学硕十学位论文 时段( 以批次为周期进行生产) 、生产的多阶段性以及动态性等，传统的p c a 方法难以直接应用于批量过程，需要对该方法进行改进，为此m p c a 技术应 运而生。 m p c a 最初是于1 9 8 9 年由g e l a d ie ta 1 首次提出1 4 4 】，并成功应用于图像 分析和化学计量【4 5 | 。其它多向方法，如正则分解、p a r a f a c 模型等都是针 对特殊情形提出的f 4 纠引。然而m p c a 方法经n o m i k o s 和m a c g r e g o r 研究表明 非常适合处理分批过程数据 4 9 - 5 1 】；m p c a 对数据的处理方法通常是将三维数 掘矩阵按时问一片一片地展丌并按顺序排列成巨大的二维矩阵如图1 _ 1 示， 然后用一般的p c a 方法进行分析处理。 一般在对x 使用p c a 之1 j ，需要将数据进行标准化处理，以消除各变量 的量纲对数据的影响。通过减去矩阵x 中每一列的均值，实际上去掉了每个 变量的平均轨线，因此主要的非线性和动态部分也去掉了。对这些标准化的 数掘进行p c a 分析，也就是研究所有变量在所有批次的时间平均轨线上的变 化情况。 i 批次 变蛀 j 图1 1 浙江人学硕十学位论文 m p c a 在工业分批过程中已经有许多成功的例子，a l b e r te ta 1 ( 1 9 9 6 ) 将m p c a 用于监视一个工业分批补料发酵过程，当数据维数较高且高度相关 时，发现这是一个有效的监视过程方法1 5 2 j ；g a l l a g h e r e ta 1 用基于m p c a 的方 法对核废料槽进行监控，用它来判断系统是否有变化p j j ；k o u r t ie ta 1 ( 1 9 9 5 ) 将m p c a 的方法进行了推广，其数据集不仅包括所有过程变量的轨线数据和 最终质量变量的测量值，而且包括原始材料的性质、初始配方和操作条件等 信息【54 】；k o u r t ie ta 1 ( 1 9 9 6 ) 用两个工业分批聚合过程的数据验证了他们的 方法 5 5 1 ；k o s a n v i c he ta 1 ( 19 9 6 ) 应用m p c a 方法对一个工业分批聚合过程 的数掘进行分析，提高了产品质量口刨；陈元青、瞿海斌将m p c a 方法应用于 生化过程，做了大量的仿真【5 7 5 8 1 ，此外，还有其他一些应用报道 5 9 - 6 3 i 。 1 5 本论文研究内容 本论文主要研究了发酵过程的优化控制及相应软件的丌发，多元统计分 析中的多向主元分析( m p c a ) 方法，应用m p c a 对发酵过程进行监控的软 件的开发，各章节内容安排如下： 第一章综述：综合讨论了生化过程的模型及基于模型的一些优化算法， 对m p c a 方法的研究进展进行了分析和归纳。 第二章发酵过程的优化分析：研究了发酵过程的优化理论，根据对模型 的依赖程度进行了分别讨论，并针对一个实际的发酵模型给出仿真结果。 第三章发酵优化控制软件a p c - - b i o ：介绍了基于工艺的优化算法及相 应软件的丌发，介绍了优化软件的结构体系及功能。 第四章发酵数据的多元统计分析方法：详细阐述了主元分析法的理论， 并将m p c a 算法应用到链霉素发酵过程分析和故障诊断中去，给出仿真结果。 第五章结束语：对本论文的工作做个总结，并提出自己的一些心得体会。 参考文献 【1 】w i l l i a m s e m j t h e o rb i 0 1 ，v 0 1 1 5 ，p 1 9 0 ，1 9 6 7 【2 】r a m k r i s h n a , d ，e ta 1 b i o t e c h n 0 1 b i o e n g ，v 0 1 1 8 , p 1 4 8 1 ，1 9 7 6 【3 】h a r d e r a ，a n d j a r o e l w a d v a c e si nb i o c h e m i c a l e n g i n e e r i n g 浙江人学硕十学位论文 m p c a 在工业分批过程中已经有许多成功的例子，a l b e r te ta 1 ( 1 9 9 6 ) 将m p c a 用于监视一个工业分批补料发酵过程，当数据维数较高且高度相关 时，发现这是一个有效的监视过程方法1 5 2 j ；g a l l a g h e r e ta 1 用基于m p c a 的方 法对核废料槽进行监控，用它来判断系统是否有变化p j j ；k o u r t ie ta 1 ( 1 9 9 5 ) 将m p c a 的方法进行了推广，其数据集不仅包括所有过程变量的轨线数据和 最终质量变量的测量值，而且包括原始材料的性质、初始配方和