微生物批式流加发酵中的最优控制
连续培养发酵中的最优控制问题
第 2 节 最大值原理的应用及结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
第三章 单个种群在多底物下连续发酵的最优控制问题 第 1 节 同步生长模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 2 节 二次生长模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第四章 竞争模型下连续发酵的最优控制问题 第 1 节 种群之间互不干扰 第 2 节 种群之间相互抑制 参考文献 致 谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
学校代码：10246 学 号：09210180057
硕士学位论文
连续培养发酵中的最优控制问题
院 专 姓
系 ： 数学科学学院 业 ： 运筹学与控制论 名 ： 邹雪娇
指导教师 ： 楼红卫 教授 完成日期 ： 2012 年 4 月 15 日
指导教师 楼红卫 教授
指导小组成员 许亚善 老师
目
录
摘
要
ii iii 1 1 1 1 2 4 4 4 6 7 9 9 15 22 22 25 26 26 27 31 34 连续发酵的简介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 微生物发酵中最优控制问题的发展 . . . . . . . . . . . . . 本文的主要研究工作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
发酵过程优化控制-1
比如： Gp(s)=1/(s-2) Gp(s)=(s-1)/(s2+s+1) Gp(s)=5/(s2+1)
2）引进反馈控制系统稳定“原来不稳定”的过程
如果Gp(s)为过程的传递函数，Gc(s)为反馈控制器的传递函数，则反馈闭回路的传递函数 G (s) close-loop可表示为Gp(s) Gc(s)/{1+ Gp(s) Gc(s)}。反馈控制系统的特征方程式为1+ Gp(s) Gc(s)=0。
图 3-28，响应曲线法确定和设计反馈控制器的参数
发酵过程控制系统
控制系统 KC
发酵过程优化和控制
PID控制系统设计
I D
CC法
P
T L 1 KL 3T T 9 L KL 10 12T T 5 L KL 4 6T T 4 L KL 3 4T
*如果过程的传递函数为Gp(s) ，[Gp(s)的分母]=0称为特征方程式 ，特征方程式的根称为特征根。 *如果所有特征根的实数部分为负值，则该系统为渐近稳定系统；否则为不稳定系统。 *如果特征根存在虚数部，该系统为一振动系统，其稳定性仍然由实数部分的正负取值而定。 特征方程式 s-2=0 s2+s+1=0 s2+1=0 特征根 s= 2 s= -0.5(1±3½i) s= ±i 是否稳定 No Yes --是否振动 No Yes Yes
B
C D
t E (0,0) E
发酵过程控制系统
过程传递函数框图及其变换
传递函数的串联
发酵过程优化和控制
输入变量u(s)
过程1 G1(s)
过程2 G2(s)
y( s) G ( s ) G1 ( s)G2 ( s) 输出变量y(s) u ( s)
微生物发酵的优化生产
微生物发酵的优化生产微生物发酵代谢与调控主要是通过改变微生物的代谢途径和代谢流量，以实现目标产物的优化生产。
以下是一些常见的微生物发酵代谢与调控的方法：1.营养物质浓度调控：通过调整培养基中营养物质的浓度，可以影响微生物的代谢途径和代谢流量。
例如，增加氮源的浓度可以促进微生物的生长和蛋白质的合成，而减少氮源的浓度可以促进微生物的脂肪合成。
2.温度调控：温度可以影响微生物的代谢速率和细胞生长。
在一定的温度范围内，升高温度可以促进微生物的代谢速率和细胞生长，但过高的温度会导致细胞死亡。
因此，根据不同的微生物种类和目标产物，需要选择适宜的温度进行发酵。
3.pH值调控：pH值可以影响微生物的代谢途径和代谢流量。
例如，酸性条件可以促进微生物的糖酵解代谢途径，而碱性条件可以促进微生物的脂肪合成代谢途径。
因此，通过调整培养基的pH值，可以实现对微生物代谢的精细调控。
4.氧气浓度调控：对于好氧微生物，氧气是必需的，但过高的氧气浓度会抑制微生物的生长和代谢。
因此，在发酵过程中需要控制氧气的供应量，以实现微生物的最佳生长和代谢。
5.添加酶或小分子调控：通过添加酶或小分子化合物，可以实现对微生物代谢的人工调控。
例如，添加特定的酶可以促进或抑制某种代谢途径，从而改变微生物的代谢流量和产物。
6.基因调控：通过基因工程技术，可以改变微生物的基因表达，从而改变其代谢途径和产物。
例如，可以通过敲除或过表达某些基因来抑制或增强某种代谢途径，从而实现目标产物的优化生产。
总之，微生物发酵代谢与调控是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素。
通过精细调控微生物的代谢途径和代谢流量，可以实现目标产物的优化生产。
工业发酵过程最优化控制的难点与对策
工业发酵过程最优化控制的难点与对策摘要：工业发酵过程最优化控制是实现高效、稳定和可持续发展的关键。
然而，由于发酵过程的多变量耦合、非线性和不确定性等特点，使得最优化控制面临着一系列难点。
本文探讨了工业发酵过程最优化控制的难点，并提出了相应的对策，以及为工业发酵过程的最优化控制提供参考。
关键词：工业发酵过程；最优化控制；难点与对策引言：工业发酵作为一种重要的生物转化过程，通过利用微生物催化产生有用生物酶产物，这项工程广泛应用于食品、医药、化工、纺织、造纸、清洁能源等领域。
在工业发酵过程中，通过合理地控制和调节，可以提高产物的产量和纯度，降低能耗和废物排放。
因此，实现工业发酵过程的最优化控制具有重要的经济和环境意义。
一、工业发酵过程最优化控制的重要性工业发酵过程的最优化控制可以提高产物的产量和纯度、降低生产成本、缩短生产周期、减少废物排放和能源消耗。
通过合理地控制策略，可以实现发酵过程的稳定运行，提高生产效率和产品质量。
通过最优化控制调节发酵过程中的各种参数，如温度、pH值、氧气浓度、风量、压力、补氨量、补糖量等，从而优化生物酶的生长和代谢过程，提高产物的产量和纯度。
这对于工业发酵生产来说非常关键，可以大幅度提高生产效率和经济效益，实现发酵过程的稳定运行和快速转化，缩短生产周期。
这对于一些需要短时间内大量生产的产品来说尤为重要，其可以提高生产效率和市场竞争力。
最优化控制可以减少废物产生和能源消耗，从而降低生产成本[1]。
二、实现工业发酵过程最优化控制中遇到的问题1.多变量耦合工业发酵过程的最优化控制中，多变量耦合是一个常见的问题。
这种多变量耦合会导致控制系统设计和实现的复杂性增加。
在发酵过程中，不同的变量之间会相互影响，即一个变量的变化会引起其他变量的变化。
在发酵过程中，温度的变化会影响到产物浓度和菌体生长速率等变量。
这种互相影响会导致控制系统设计时需要考虑到多个变量之间的相互作用，多变量耦合会导致系统的响应变得复杂，一个变量的变化会传递到其他变量上，从而影响整个系统的动态行为。
微生物发酵工艺及其控制简述
2017年03月微生物发酵工艺及其控制简述王利周海娇初歆王海军张瑞(正大天晴药业集团股份有限公司,江苏连云港222000)摘要:微生物发酵即是指利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。
微生物发酵生产水平主要取决于菌种本身的遗传特性和培养条件。
发酵工艺分为间歇发酵，连续发酵和流加发酵三种类型，其中连续发酵在生产和科研上应用最为广泛。
在发酵过程中将受到一系列物资或条件的影响，这些物质或条件变化将直接影响到发酵工业的生产率和产物品质。
本文从对发酵工艺过程影响较大的发酵温度、pH 值两个方面阐述如何进行发酵工艺的控制。
关键词:微生物;发酵工艺;控制;变化参数微生物发酵即是指利用微生物，在适宜的培养条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人们所需要的代谢产物的一个过程。
微生物发酵生产的好坏主要取决于菌种本身的遗传特性和培养氛围及培养的环境。
同时，微生物发酵还受到诸如发酵温度、溶解氧、泡沫、pH 值、菌体浓度和发酵时间等的影响，为了得到理想的发酵产物，往往会控制其中关键因素。
现在，发酵工艺以遍布医药工业、食品工业、能源工业、化学工业、农业、改造植物基因、生物固氮、工程杀虫菌生物农药、微生物饲料、境保护等方面。
1发酵工艺概述微生物发酵主要是指选育优良的菌种，人们制定想要的发酵产物，根据目标产物选取相应的环境，并控制如pH 、温度、溶氧和营养组成等客观条件，最终得到需要的代谢产物的一个过程。
在这个过程中最重要的是菌种的选取以及客观条件的控制。
这里影响目标产物得到最大的是PH 值以及培养基的温度，下面会详细介绍二者及其控制。
值得一提的是，在进行培养基大量发酵的过程中，工艺要求必须严格控制为无菌条件，此外，为得到优良而且大量的发酵产物，我们往往还会引进计算机控制技术，在工艺生产线上发酵过程中通过计算机控制不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气，使发酵源源不断的进行下去并保证得到相应的代谢产物，在此过程中应保持空气的干燥以及无菌。
陈坚-发酵过程优化与控制技术
丙酮酸产率
t /h
qp / h-1
1 2 3
d(DCW) / (g/L)
2 t /h
mf the first 16 h -1 Averageo /h
r (Pyruvate) / (g/L)
60
Yx/s / (g/g)
0.4 0.3 0.2 0.1 0 the process -1 Averageo /h
12
DOT / %
1
80
m / h-1
8 4 0 140
70 60 50 40 30 0
1
2 3
A
0.4 0.2 0
D
r(IG) / (g/L) r(RG) / (g/L)
Total fermentation time / h
118.6
11.9
85
13.2
68 1.56 88.9 69.0 1.01 0.649 14.5 0.190 0.073 5.88 1.23 1.55
高产量 提高设备利 用率；降低产品提取费 用 高转化率 降低原料 成本；减少环境污染 高生产强度 缩短生 产周期；降低设备投资
2、原料最多被微生物转化为产物 (高转化率)的条件是什么？ 3、微生物最快速度发酵目的产物 (高生产强度)的条件是什么？
发酵过程优化与控制的目的
目标：相对统一
高转化率 高产量
DO=10%
PEP 74.6 5.5 Pyr 14.7 7.9 AcCoA
代谢 网络 分析
OAA
PEP 94.6 6.1 Pyr 2.4 8.7 AcCoA
Et
OAA
Et
高溶氧下转化率高 的原因:DO从85% 到10%，PEP到Pyr 的通量增加了20% ，丙酮酸代谢的通 量下降了63.3%
发酵过程优化与控控制PPT课件
（一）运输过程 大多数细胞的细胞质外有两种结构：细胞壁和细胞膜，
这些结构是细胞的屏障。 细胞壁的主要功能是防止因胞内的高渗透压而引起细胞
破裂，细胞膜主要由磷脂组成，在细胞生长过程中，具有变 化的流动结构。大部分小分子很容易通过细胞壁，因此运输 过程主要取决于细胞膜，大分子物质只有在细胞具有特定的 排泄机制时才可以通过细胞壁运输。
培养基中存在的能够被微生物利用的化学物质均称为底 物，因此，底物可以是培养基制备时所添加的化学物质，也 可以是代谢产物或代谢中间体等物质。例如酿酒酵母的二次 生长现象，酵母以葡萄糖为底物生长的同时会产生乙醇，当 葡萄糖耗尽后，细胞能继续以乙醇为底物生长。
代谢产物是那些形成于细胞内，能够穿过细胞膜的物质， 它们可以被排泄进入非生物相。因此，代谢产物既可以是底 物经过多步反应形成的小分子物质，也可以是细胞产生的大 分子物质，如胞外蛋白酶。细胞质成分则是由底物形成的、 不能穿过细胞膜的物质，如蛋白质、RNA和DNA，一些小分 子如ATP、NADH以及NADPH也可以归为细胞质成分。
质子穿过膜的过程中会产生电化学势，将质子运输回 细胞（线粒体）内，就可以获得吉布斯自由能。质子的内流 是由参与了ATP合成的ATP酶传递的，其运输是可逆的，如 ATP酶也可以通过通过消耗ATP的方式将质子泵出细胞，这 也是一个一级主动运输过程。质子的运输过程如图2-1所示。
n0H+
膜
ATP酶
NADH+O2
2、协助扩散 细胞膜中存在许多转运蛋白，允许特定的化合物进行被 动运输，且比自由扩散通过细胞快得多，这一过程就是协 助扩散。真菌中这种运输机制是很典型的，在细菌中则比 较少见。 协助扩散与自由扩散相似，因为只有存在浓度梯度时， 由高浓度向低浓度的运输才可能发生。化合物在自由转运 物的存在下才能进入细胞，故运输速率遵循典型的饱和型 动力学，即：在低浓度下，运输速率与底物浓度呈一级关 系，而在高浓度时则呈现零级关系。真菌中通过协助扩散 的底物主要有葡萄糖和其它糖类。
微生物发酵工艺的优化
2.1 发酵培养基碳、氮源的选择碳源是主要的能量来源，主要在环境中为微生物在培育过程中提供能量。
目前较为常用的碳源应是己糖，主要作为微生物细胞成分和代谢的产物。
在工业规模性培育繁殖中，原料的成本及易用性是着重需要考虑的因素之一。
在发酵过程中较为常用的碳源有淀粉、蔗糖、米糠纤维等。
在微生物发酵中，碳源固然重要，但氮源同样是微生物发酵培养中必不可少的物质。
氮源主要用于微生物细胞材料和含氮的代谢产物，氮源通常分为两类，一类是延迟氮源，而另一类属于速效氮源。
延迟氮源通常包括肽和氨基酸，其主要作用机理是促进细菌生长，在代谢物的形成中同样具有促进作用[2]。
而速效氮源通常包括酵母浸膏、蛋白胨等，能够满足细菌发酵和产品合成时对氮源的需求。
在整个微生物的发酵培育过程中，通过延迟氮源与速效氮源的合理搭配，形成的负荷氮源既能满足节杆菌属细菌的生长，同时还能促进病原拮抗剂的抑制，达到良好的发酵效果。
2.2 发酵培养基中无机盐对发酵的影响磷、硫、钠、锌、锰等无机盐对微生物的生长和代谢产物的产生有一定的影响，磷是微生物生长和代谢活动的重要组成部分，参与磷脂、核酸和多种辅酶的合成，在代谢调节中发挥重要作用。
如成分失衡和高渗压升高，这将部分导致微生物的生长。
微生物发酵和发酵离子交换介质。
2.3 发酵培养基中其他成分对发酵的影响在发酵过程中，发酵培养基还需要其他能积极促进微生物发酵的成分，这大大提高了培养基对微生物发酵的影响，为其产品的形成提供了必要的营养。
其物理性质必须适应微生物发酵。
在选择原材料时，还应考虑价格，在保证质量的基础上选择低成本的原材料。
原料来源必须满足微生物发酵工程长期发展的需要。
0 引言近年来，微生物发酵工程技术得到了广泛的应用。
利用有益微生物和收集相关细菌或代谢物来提高产量和预防疾病的研究越来越多。
不同的微生物和发酵条件有利于发酵产物的生产。
国内外对发酵过程的优化主要集中在碳源、氮源、微量元素、发酵温度、pH 值、发酵时间等发酵条件上。
发酵工艺的过程控制
发酵工艺的过程控制引言发酵工艺是一种将有机物质通过微生物的作用转化为需要的产物的过程。
在发酵过程中，微生物通过吸收养分、产生代谢产物和释放能量，完成了物质的转化。
为了保证发酵过程的高效和稳定，控制发酵过程至关重要。
本文将介绍发酵工艺的过程控制，包括控制参数和控制策略。
1. 发酵过程的控制参数发酵过程的控制参数是指影响发酵过程的参数，包括温度、pH值、溶氧量、搅拌速度、发酵菌种等等。
这些控制参数对于发酵过程的高效和稳定起到了重要的作用。
1.温度：发酵过程中适宜的温度可以促进微生物的生长和代谢活动。
不同的发酵过程需要不同的温度，一般在微生物的最适生长温度附近，通常在25-42摄氏度之间。
2.pH值：发酵过程中的pH值对微生物的生长和代谢活动有重要影响。
不同的微生物对于pH值的需求不同，一般在微生物最适生长pH值的附近维持。
3.溶氧量：溶氧量是指发酵液中的氧气饱和度。
微生物在发酵过程中需要氧气进行呼吸和代谢活动。
合适的溶氧量可以提高发酵效率和产物质量。
4.搅拌速度：搅拌速度对于发酵液中的微生物的分散性和氧气气液传递有着重要影响。
适当的搅拌速度可以保证发酵液中的微生物充分接触营养物质和氧气。
5.发酵菌种：选择适宜的发酵菌种对于发酵过程的控制至关重要。
合适的发酵菌种应具备高发酵活力、产物合成能力和抗污染能力。
2. 发酵过程的控制策略为了实现对发酵过程的有效控制，需要采取相应的控制策略。
以下是几种常见的发酵过程控制策略。
1.反馈控制：反馈控制是根据实时的监测数据对发酵过程进行调节。
通过监测发酵过程中的温度、pH值、溶氧量等参数，将实际参数与设定值进行比较，根据误差进行反馈调整，以维持发酵过程的稳定性。
2.前馈控制：前馈控制是根据预期的发酵过程需求提前对控制参数进行调整。
通过事先设定好的控制策略，根据发酵过程中的状态进行预测和计算，提前对控制参数进行调整，以达到预期的控制效果。
3.比例积分控制：比例积分控制是通过调整控制器的比例参数和积分参数来改变控制器的工作方式。
发酵过程优化控制-1
发酵过程控制系统
ysp
e
+y
e=ysp-y
u Feedback Controller Gc
发酵过程优化和控制 PID反馈控制器
Disturbance y
Process Gp
Gp(s) : 过程传递函数，以1阶滞后系统为例； Gc(s) : 反馈控制器的传递函数，以PID反馈控制系统为例； G(s)close-loop: 闭回路的传递函数
发酵过程优化和控制
第一节 发酵过程控制系统的基本构成，
监测、控制技术。
发酵过程控制系统
发酵过程优化和控制
生物过程的状态参数，测量参数和操作参数
显示过程状态和特征的状态（测量）参数：
1) 一级（直接测定）参数：pH, DO, 电导率，粘度，电脉冲信号， 电位，发酵罐进出口气体分压，发酵液的浊度或颜色，重量损 耗，酸碱添加总量，菌体浓度，底物（基质）浓度，代谢产物 浓度，等等。
dx Ax bu dt y cx d
（1a，1b）
Here x T [x1, x2 ,.....xn ] b T [b1, b2 ,....b. n ]
a11, a12 ,....a. 1n
A
....................
an1, an2 ,....a. nn
c [c1,c2,....c. n ]
*过程的传递函数的 表现形式
简单起见，假定d（外部扰动）=0。对(1a,1b)两边取Laplace变
换，可以得到输入输出间的传递函数Gp(s)。 Gp(s)=y(s)/u(s)=c(sI-A)-1b，s表示Laplace变换所代表的复变量。 这里s是Laplace变量，I表示单位矩阵，“-1”代表逆矩阵。