生物發(fā)酵高級自動控制技術(shù)(生物量控制)

1、生物發(fā)酵生物量控制楊建新生物發(fā)酵高級自動控制技術(shù)生物反應(yīng)器的輸入輸出表示法下位控制器（DCS）發(fā)酵罐（BR）基質(zhì)氧熱量基質(zhì)DO溫度機(jī)制流速氧傳質(zhì)速率熱傳遞速率操縱參數(shù)操縱參數(shù)環(huán)境參數(shù)環(huán)境參數(shù)生物過程的高級輸入輸出表示下位控制器（DCS）發(fā)酵罐（BR）產(chǎn)物基質(zhì)氧熱量基質(zhì)(濃度)DO溫度基制流速氧傳質(zhì)速率熱傳遞速率操縱變量操縱變量（MV）環(huán)境變量環(huán)境變量（EV）生物量（BM）生理變量生理變量（PV）基質(zhì)消耗速率攝氧率熱釋放率產(chǎn)物生成速率BM：生物量PV：生理變量PSV：生理狀態(tài)變量IFB（內(nèi)反饋）：生物量影響環(huán)境變量的反饋回路產(chǎn)物濃度生物過程的高級輸入輸出圖示內(nèi)容生物過程可用兩個互相連接的部分表示

2、：生物反應(yīng)器（BR）和生物量（BM）生物過程存在三種變量：操縱變量（MV）、環(huán)境變量（EV）和生理變量（PV）；常規(guī)控制系統(tǒng)由生物反應(yīng)器（BR）、環(huán)境變量（EV）和操縱變量（MR）構(gòu)成控制回路；高級控制系統(tǒng)除包含常規(guī)控制系統(tǒng)外，還考慮由生物量（BM）、環(huán)境變量（EV）和生理變量（PV）構(gòu)成的抽象內(nèi)反饋（IFB）回路。EV是BM的輸入，PV是BM的輸出。環(huán)境變量（EV）影響和控制生物量（BM）的輸出-生理變量（PV），內(nèi)反饋表示生物量（BM）的輸出（生理變量PV）影響環(huán)境變量（EV）的過程；對生物量（BM）與環(huán)境變量（EV）因果關(guān)系的了解，將會顯著提高控制性能。生物量、生理變量和生理狀態(tài)變量 B

3、M：生物量 PV：生理變量(代謝速率) PSV：生理狀態(tài)變量PV是BM的輸出，可能是表示生物量的信息，也可能是生理狀態(tài)信息。PSV是表示生理狀態(tài)的PV。例：低的基質(zhì)吸收率是BM輸出PV，它可能與生理狀態(tài)有關(guān)，也可能與生物量有關(guān)。用于表征生物過程的變量可測量的變量可測量的變量流速（操縱變量）流速（操縱變量）基質(zhì)流速、氧傳質(zhì)速率濃度和物理變量（環(huán)境變量）濃度和物理變量（環(huán)境變量）基質(zhì)濃度、溶氧、溫度、菌體濃度，產(chǎn)物濃度其它其它氧化還原電位、熒光計算變量計算變量代謝速率（生理變量）代謝速率（生理變量）基質(zhì)消耗速率、攝氧率二氧化碳釋放速率、生長速率濃度（環(huán)境變量）濃度（環(huán)境變量）基質(zhì)濃度、菌體濃度、產(chǎn)

4、物濃度比速率比速率比基質(zhì)消耗速率、呼吸強(qiáng)度；比二氧化碳釋放速度、比生長速度速率比速率比消耗與消耗之比 生產(chǎn)與生產(chǎn)之比 生產(chǎn)與消耗之比潛在消耗速率潛在消耗速率潛在基質(zhì)消耗速率潛在攝氧率限制程度限制程度基質(zhì)比消耗速率/潛在的基質(zhì)比消耗速率；氧比消耗速率/潛在的氧比消耗速率PSV（生理狀態(tài)變量）（生理狀態(tài)變量）生理和環(huán)境變量其它其它積分值積分值總氧氣、總二氧化碳平均值平均值平均得率、平均產(chǎn)率生理狀態(tài)變量（PSV） 比速率：消耗或生產(chǎn)速率與菌濃之比； 速率比：速率與速率之比 潛在消耗速率（PiUR）：使物質(zhì)i（比如基質(zhì)）濃度超過飽和濃度時，物質(zhì)i的比消耗速率會達(dá)到其最大值，此值即為物質(zhì)i的潛在消耗速率

5、； 限制程度：DiL=化合物i的比消耗速率/化合物i的潛在消耗速率？比速率比消耗速率：SiUR=化合物消耗速率/菌濃比葡萄糖消耗速率：SGUR=葡萄糖消耗速率/菌濃比氧耗速率（又稱呼吸強(qiáng)度）：SOUR=OUR/菌濃比生產(chǎn)速率：SiPR=化合物生產(chǎn)速率/菌濃比二氧化碳釋放速率：SCER=CER/菌濃比生長速率：SGR=生長速率（GR）/菌濃比生產(chǎn)速率：速率比消耗與消耗之比：氧消耗速率/葡萄糖消耗速率氨消耗速率/葡萄糖消耗速率生產(chǎn)與生產(chǎn)之比：細(xì)胞生長速率/二氧化碳釋放速率乙醇生產(chǎn)速率/二氧化碳釋放速率生產(chǎn)與消耗之比：細(xì)胞生長速率/葡萄糖消耗速率呼吸商：RQ=二氧化碳釋放速率/氧消耗速率細(xì)胞生長速率

6、/氨消耗速率產(chǎn)物得率=潛在消耗速率(PiUR) 使物質(zhì)i（比如基質(zhì)）濃度超過飽和濃度時，物質(zhì)i的比消耗速率會達(dá)到其最大值，此值即為物質(zhì)i的潛在消耗速率。限制程度DiL=化合物i的比消耗速率/化合物i的潛在消耗速率 DSL=基質(zhì)比消耗速率/潛在基質(zhì)比消耗速率 DOS=氧比消耗速率/潛在氧比消耗速率不能直接測量的生物過程參數(shù)計算對于一些關(guān)鍵生理變量（如代謝物生產(chǎn)速率）和環(huán)境變量（如菌濃），缺少快速、可靠和準(zhǔn)確的在線測量裝置，但能從可測變量（如DO或CER）,藉過程的數(shù)學(xué)模型來建立計算這類變量的方法。通常稱這些方法為在線狀態(tài)估算器在線狀態(tài)估算器或軟傳軟傳感器。感器。在線狀態(tài)估算器估算方法在線狀態(tài)估算

7、器估算方法 元素平衡 經(jīng)驗化學(xué)計算模型 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于狀態(tài)估算的觀察器 只要有適當(dāng)?shù)哪Ｐ团c輸入是已知的，觀察器便可從一套變量預(yù)測過程未來的性質(zhì)生理狀態(tài)控制回路結(jié)構(gòu) 直接PS(生理狀態(tài))控制 級聯(lián)PS(生理狀態(tài))控制 管理PS(生理狀態(tài))控制直接生理狀態(tài)控制回路結(jié)構(gòu)PSV控制器現(xiàn)場控制器PSV的計算(軟傳感器)O - BRBMMVsEVsPVsPSVs例如：補(bǔ)葡萄糖速率IFB例如：比生長速率、呼吸商直接生理狀態(tài)控制級聯(lián)生理狀態(tài)控制回路結(jié)構(gòu)次級控制器PSV控制器PSV的計算(軟傳感器)MVPSVBRBMEVPV次級控制回路PSV設(shè)定點+-+-初級控制回路監(jiān)督性生理狀態(tài)控制回路結(jié)構(gòu)用于PS鑒別和監(jiān)

8、督的知識庫系統(tǒng)現(xiàn)場控制器PSV的計算(軟傳感器)O - BRBMMVsEVsPVsPSVs例如：補(bǔ)葡萄糖速率IFB例如：比生長速率、呼吸商下位機(jī)常規(guī)控制上位機(jī)基于知識的控制控制策略改變控制參數(shù)改變模式識別方法與數(shù)據(jù)分析 趨勢分析：有經(jīng)驗的操作工和工程師根據(jù)趨勢曲線的特征來判斷過程的動向和特性。例如，操作工可能注意攝氧高峰的出現(xiàn)以便啟動補(bǔ)料，而工程師可能從DO變化情況來判斷優(yōu)化情況。 他們以隨時間的量變曲線或其中一部分來診斷、分析、比較和區(qū)分不同發(fā)酵過程或改變操作策略對過程的影響。模式識別步驟 趨勢檢測 特征提取：用方便的方法描述檢測到的趨勢。例如每一批的特征用一串字符描述，這些字符表示一系列的具有不同特征的節(jié)。 主成分分析對趨