生物發(fā)酵過程控制與優(yōu)化

生物發(fā)酵過程控制與優(yōu)化第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵條件的影響極其控制常規(guī)發(fā)酵條件：罐溫、攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌功率、空氣流量、罐壓、液位、補(bǔ)料、加糖、油或前體、通氨速率和補(bǔ)水等。表征過程性質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)：pH、DO、溶解二氧化碳、氧化還原電位、尾氣中的氧氣和二氧化碳含量、基質(zhì)（如葡萄糖）濃度、產(chǎn)物濃度、代謝中間體或前體濃度、菌濃等通過直接參數(shù)求得的間接參數(shù)：比增長速率、攝氧率（OUR）、二氧化碳釋放速率（CER）、呼吸商（RQ）、氧得率系數(shù)、氧體積傳質(zhì)速率、基質(zhì)消耗速率、產(chǎn)物合成速率等第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一碳源葡萄糖、乙醇、甘油、乳糖，構(gòu)建細(xì)胞形成產(chǎn)物培養(yǎng)基中碳源濃度超過5%,細(xì)菌生長因細(xì)胞脫水而開始下降；并且在某一濃度下，碳源會(huì)阻遏負(fù)責(zé)產(chǎn)物合成的酶，出現(xiàn)碳分解代謝物阻遏；因此要控制碳源濃度；控制方法：使補(bǔ)入碳源速率等于其消耗速率第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一氮源

氨、硝酸鹽，合成氨基酸等銨離子或某些氮源的積累會(huì)阻遏次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成；因此要控制氮的水平第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一礦物鹽磷酸鹽、鎂鹽、錳鹽、鐵鹽、鉀鹽和氯化物阻遏幾種次級(jí)代謝物的生物合成；因此要控制濃度第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一溫度對(duì)發(fā)酵的影響保證酶活性的重要條件微生物生長產(chǎn)物合成第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一最適溫度控制變溫培養(yǎng)發(fā)酵中前期：稍高溫度促進(jìn)生長；生產(chǎn)期：稍低溫度維持較長生產(chǎn)期；后期：升溫，促進(jìn)微生物分泌。第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一pH的影響酶活基質(zhì)利用速率細(xì)胞結(jié)構(gòu)第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一pH選擇和控制生長期和生產(chǎn)期可選不同pH。pH上升超過最適值，意味著細(xì)菌處在饑餓狀態(tài)，可加糖調(diào)節(jié)；糖過量又會(huì)使pH下降，可加堿或氨水調(diào)節(jié)。注：用pH控制加糖速率的缺點(diǎn)，是發(fā)酵中后期pH的變化不敏感，容易造成補(bǔ)料系統(tǒng)錯(cuò)亂。第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一氧對(duì)發(fā)酵的影響臨界氧：不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。溶氧單位：空氣飽和度（%）；在培養(yǎng)過程中，溶氧不是越高越好，過高的溶氧對(duì)生長可能不利；第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一溶氧作為發(fā)酵異常的指標(biāo)操作故障或事故引起的異常：未及時(shí)開攪拌、攪拌發(fā)生故障時(shí)，溶氧比平時(shí)低很多；一次加油過量，使溶氧顯著降低；出現(xiàn)發(fā)酸現(xiàn)象：底物濃度過大，溶氧較低時(shí)產(chǎn)生乙醇，并與有機(jī)酸反應(yīng)形成有酒香味的脂類污染雜菌：污染好氣菌，溶氧跌到0；污染不太好氧的雜菌，使生產(chǎn)菌受到抑制時(shí)，溶氧升高；溶氧作為控制代謝方向的指標(biāo)：如：發(fā)酵中前期好氣培養(yǎng)，后期轉(zhuǎn)為厭氣培養(yǎng)。又如：當(dāng)補(bǔ)料速度較慢和供氧充足時(shí)，糖完全轉(zhuǎn)化為酵母，二氧化碳和水；若補(bǔ)料速度過高，溶氧降到臨界值以下，便會(huì)出現(xiàn)糖的不完全氧化，生成乙醇，結(jié)果酵母產(chǎn)量減少。第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一溶氧控制發(fā)酵液中溶氧的任何變化都是氧的供需不平衡的結(jié)果；發(fā)酵罐的供氧能力無論提得多高，若工藝條件不配合，還會(huì)出現(xiàn)溶氧供不應(yīng)求的現(xiàn)象。若有效利用現(xiàn)有的設(shè)備條件便能適當(dāng)控制菌的攝氧率。控制攝氧率的方法：控制加糖或補(bǔ)料速度、改變發(fā)酵溫度、液化培養(yǎng)基、中間補(bǔ)水、添加表面活性劑，能改善溶氧狀況和維持合適的溶氧水平。增加氧在水中的飽和度：在通氣中摻入純氧、提高罐壓、改變通氣速率（在速率較大時(shí)，對(duì)溶氧提高不明顯，反而會(huì)增加泡沫）提高設(shè)備的供氧能力：改善攪拌更有效。第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一溶氧控制例1：限制養(yǎng)分的供給以降低菌的生長速率，可達(dá)到限制菌對(duì)氧的大量消耗，從而提高溶氧水平；例2：降低發(fā)酵溫度可得到較高的溶氧值。前提是對(duì)產(chǎn)物合成沒有副作用。第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一溶氧控制措施的比較措施作用參數(shù)投資運(yùn)行成本效果對(duì)生產(chǎn)的作用備注攪拌轉(zhuǎn)速氧的體積傳質(zhì)系數(shù)高低高好要避免過分剪切擋板氧的體積傳質(zhì)系數(shù)中低高好

空氣流量氧在水中的飽和濃度、比界面面積低低低

可能引起泡沫罐壓氧在水中的飽和濃度中低中好溶解二氧化碳問題養(yǎng)分濃度需求中低高不肯定響應(yīng)慢表面活性劑氧的傳質(zhì)系數(shù)低低變化不肯定需實(shí)驗(yàn)確定溫度需求、氧在水中的飽和濃度低低變化不肯定不是常有用第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一用流加糖控制溶氧當(dāng)溶氧高于控制點(diǎn)時(shí)，糖閥加大，糖的利用需要消耗更多的氧，導(dǎo)致溶氧下跌；反之，當(dāng)溶氧下降到控制點(diǎn)以下時(shí)，糖閥關(guān)小，甚至關(guān)閉，攝氧速率也會(huì)隨后降低，引起溶氧上升；第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一補(bǔ)料策略補(bǔ)糖速率的最佳點(diǎn)與設(shè)備供氧能力有關(guān)：設(shè)備供氧能力大的，補(bǔ)糖速率也需相應(yīng)加大，生產(chǎn)水平也相應(yīng)提高；設(shè)備供氧能力差的，補(bǔ)糖速率也需相應(yīng)減小，生產(chǎn)水平也相應(yīng)降低；第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一流加方法一次大量多次少量（大多數(shù)采納）連續(xù)流加（快速、恒速、指數(shù)和變速）第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一補(bǔ)料時(shí)機(jī)的判斷有用菌的形態(tài)發(fā)酵液中糖濃度DO濃度尾氣中的氧和二氧化碳攝氧率或呼吸商的變化第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)攝氧率控制補(bǔ)料速率攝氧率與基質(zhì)消耗速率之間存在線性關(guān)系；根據(jù)尾氣中的氧濃度，可求得攝氧率；調(diào)節(jié)補(bǔ)料速率使菌處于半饑餓狀態(tài)，以使發(fā)酵液有足夠的氧，從而獲得高生產(chǎn)速率。第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一控制加糖速率來維持DO和pH例青霉素發(fā)酵：在快速生長期加入過量葡萄糖會(huì)導(dǎo)致酸的積累和氧的需求大于發(fā)酵的供氧能力，加糖不足又會(huì)使發(fā)酵液中的有機(jī)氮當(dāng)做碳源利用，導(dǎo)致pH上升和菌量失調(diào)；在生長期控制加糖速率來維持DO和pH在生產(chǎn)期以DO為控制因素第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)尾氣二氧化碳含量控制加糖速率例如青霉素發(fā)酵：加糖會(huì)引起尾氣二氧化碳增加和pH下降，這是因?yàn)樘潜焕卯a(chǎn)生有機(jī)酸和二氧化碳，并溶于水中，而使pH下降；糖、二氧化碳和pH相關(guān)；二氧化碳對(duì)糖濃度比pH敏感，故而根據(jù)尾氣二氧化碳釋放率控制加糖速率。第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)乙醇釋放速率來調(diào)整補(bǔ)料速率乙醇釋放速率受氧的供應(yīng)和葡萄糖的影響；故可用乙醇釋放速率控制糖流加第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一比生長速率的影響與控制需要將殘?zhí)潜３衷谧钸m合的濃度；測葡萄糖濃度或乙醇濃度和呼吸商。第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及控制發(fā)酵過程中因通氣攪拌，發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳以及發(fā)酵液中糖、蛋白質(zhì)和代謝物等穩(wěn)定泡沫物質(zhì)的存在，使發(fā)酵液含有一定數(shù)量的泡沫。發(fā)酵過程中泡沫的多寡與通氣攪拌的劇烈程度和培養(yǎng)基的成分有關(guān)。有利作用：泡沫的存在可以可以增加氣液接觸表面，有利于氧的傳遞；不利作用：降低發(fā)酵罐的裝填系數(shù)增加了菌群的非均一性增加了染菌的機(jī)會(huì)引起逃液，招致產(chǎn)物損失第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一消泡方式機(jī)械消泡：罐內(nèi)法：消沫槳罐外法：噴嘴消泡劑：天然油脂泡敵第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵終點(diǎn)判斷發(fā)酵終點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn):原材料與發(fā)酵成本占生產(chǎn)成本的主要部分的發(fā)酵品種： 提高產(chǎn)率（kg/立方米/h）,得率（轉(zhuǎn)化率：kg產(chǎn)物/kg基質(zhì)），發(fā)酵系數(shù)[(kg產(chǎn)物/立方米容積)/h發(fā)酵周期]下游提煉成本占生產(chǎn)成本的主要部分的發(fā)酵品種： 提高產(chǎn)率、發(fā)酵系數(shù)、產(chǎn)物濃度注：體積產(chǎn)率：g產(chǎn)物/L發(fā)酵液/h發(fā)酵罐循環(huán)周期。發(fā)酵單位：g產(chǎn)物/L發(fā)酵液第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵罐循環(huán)周期洗罐配料滅菌接種發(fā)酵放罐第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一補(bǔ)料分批培養(yǎng)中生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)化生物過程優(yōu)化大多是要解決多目標(biāo)問題，如產(chǎn)率、得率與產(chǎn)品質(zhì)量；普通辦法是直接優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益，包括如下工序：發(fā)酵、過濾、提取和產(chǎn)物的終處理（如結(jié)晶）第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵過程的監(jiān)測設(shè)定參數(shù)：罐溫、罐壓、通氣量、攪拌轉(zhuǎn)速、液位等；狀態(tài)參數(shù)：pH、DO、溶解二氧化碳、尾氣氧含量、尾氣二氧化碳含量、粘度、菌濃等；間接參數(shù)：攝氧率、二氧化碳釋放率、比生產(chǎn)速率、體積氧傳質(zhì)速率、呼吸商等第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一生物過程控制特征生物反應(yīng)器在很大程度上能自我調(diào)節(jié)： 微生物有適應(yīng)環(huán)境的能力，故突然消失的反應(yīng)在生物過程中是不存在的，如遇條件不適，過程反應(yīng)會(huì)自然衰減。有相當(dāng)長的時(shí)間常數(shù)，相對(duì)來說易于控制；常采用基于事態(tài)（如啟動(dòng)補(bǔ)料的條件）的（有反饋的意味）開環(huán)和前饋控制策略；控制策略來自積累的經(jīng)驗(yàn)，有高度的特異性，需保密。

第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一對(duì)生物過程控制規(guī)范化的要求GMP第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一用于控制的生物過程建模

為了進(jìn)行生物過程控制需要建立關(guān)聯(lián)所有重要的過程輸入（菌種、培養(yǎng)基、補(bǔ)料、環(huán)境條件）和過程輸出（生物量、產(chǎn)物、pH、溫度、DO、尾氣成分等）的模型。生理模型結(jié)構(gòu)模型非結(jié)構(gòu)模型黑箱或輸入輸出模型第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一傳統(tǒng)過程模型線性黑箱模型非線性黑箱模型用于控制的生物過程建模第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵過程估算技術(shù)

現(xiàn)有生物反應(yīng)器的傳感器難以測量發(fā)酵狀態(tài)和進(jìn)程的生物量、基質(zhì)和次級(jí)代謝物濃度，但可以利用相關(guān)可測次級(jí)變量（如氣中的氧和二氧化碳）來估算和推斷難以測量的生物量、產(chǎn)物等初級(jí)變量。傳統(tǒng)的基于模型的估算基于線性黑箱模型的估算基于非線性黑箱模型的估算第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一估算方法主要用于兩種不同目的估算事先定義的模型結(jié)構(gòu)參數(shù)；估算真實(shí)過程變量第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)先決條件是建立準(zhǔn)確描述生物過程的動(dòng)態(tài)模型，模型的準(zhǔn)確性決定控制的有效性；模型需要保密自控系統(tǒng)的3大任務(wù)：生物過程控制、過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和過程數(shù)據(jù)分析。先進(jìn)的優(yōu)化控制還未成熟，但可用于改進(jìn)提供給操作人員的信息質(zhì)量，提高自動(dòng)監(jiān)督水平。第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵過程的控制策略發(fā)酵過程的PID控制發(fā)酵過程的推理控制發(fā)酵過程的適應(yīng)性（預(yù)估）控制發(fā)酵過程的非線性控制發(fā)酵的優(yōu)化和優(yōu)化控制用于發(fā)酵監(jiān)督與控制的知識(shí)系統(tǒng)工業(yè)規(guī)模的發(fā)酵故障分析系統(tǒng)第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵過程的PID控制反饋控制能很好的維持發(fā)酵條件，但不能保證發(fā)酵在最佳條件下運(yùn)行；發(fā)酵過程隨時(shí)間變化的性質(zhì)使PID參數(shù)難以最佳化；對(duì)付這種過程性質(zhì)非線性和隨時(shí)間變化的一種辦法是采用一種自動(dòng)調(diào)整PID控制策略。第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵過程的推理控制PI控制器過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)例如：控制青霉素生長速率按既定程序進(jìn)行的PI控制器。PI控制器利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算器估算的生長速率估算值與預(yù)設(shè)值之間的誤差來調(diào)節(jié)碳源補(bǔ)入速率。第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵過程的適應(yīng)性（預(yù)估）控制閉環(huán)發(fā)酵控制中的主要問題是控制參數(shù)的調(diào)整；需要鑒別和在線改變隨發(fā)酵過程變化的參數(shù)；因此需要自適應(yīng)控制器；第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵過程的非線性控制發(fā)酵過程的基本性質(zhì)是非線性和參數(shù)非確定性；建立非線性控制器可改善控制性能；非線性控制器技術(shù)還不成熟第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵的優(yōu)化和優(yōu)化控制優(yōu)化：產(chǎn)率、成本、發(fā)酵周期；目前發(fā)酵優(yōu)化主要憑經(jīng)驗(yàn)；成功的關(guān)鍵：建立準(zhǔn)確描述過程的模型，和適當(dāng)?shù)膬?yōu)化程序。第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一用于發(fā)酵監(jiān)督與控制的知識(shí)庫系統(tǒng)運(yùn)用人工智能技術(shù)（專家系統(tǒng)、模糊控制等）應(yīng)付不確定的事物，結(jié)合定量與定性或符號(hào)表達(dá)式，來再現(xiàn)老練的過程操作人員的操作；可用作過程操作人員和管理人員的智能在線助手；將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與期望數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，給出問題發(fā)生的可能原因以及糾正故障的辦法。第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一工業(yè)規(guī)模的發(fā)酵故障分析系統(tǒng)目的：減少操作人員監(jiān)督控制系統(tǒng)指示器的時(shí)間操作工需要不間斷的監(jiān)督發(fā)酵過程，以判斷其運(yùn)行是否正常；操作人員通過直接檢測過程數(shù)據(jù)（如：pH、DO、尾氣二氧化碳和氧等）的變化來執(zhí)行監(jiān)察任務(wù)；可采用基于模糊推理的故障檢測系統(tǒng)技術(shù)減少操作人員的監(jiān)督時(shí)間；多元統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)是基于數(shù)據(jù)庫的監(jiān)督發(fā)酵過程的方法，主要用于故障檢測和診斷。第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一用于發(fā)酵診斷和控制的數(shù)據(jù)分析生物過程輸入-輸出表示法發(fā)酵測量與估算變量分類代謝速率計(jì)算不能直接測量的生物過程參數(shù)計(jì)算（觀察器與濾波器）積分與平均數(shù)量計(jì)算生理狀態(tài)變量的計(jì)算第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一生物反應(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)環(huán)境參數(shù)第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一生物過程的高級(jí)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（MV）環(huán)境變量（EV）生物量（BM）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)物濃度第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)例利用二氧化碳釋放速率、耗氧速率和化學(xué)計(jì)量關(guān)系法計(jì)算基質(zhì)消耗速率、細(xì)胞生長速率、酶生產(chǎn)速率；通過改變基質(zhì)添加速率可直接控制攝氧率，從而控制微生物的生長；利用DO變化與OUR的指示，控制青霉素發(fā)酵的補(bǔ)料；在新生霉素發(fā)酵中，利用熱的釋放，通過補(bǔ)料速率來調(diào)節(jié)比生長速率。第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一生物過程的高級(jí)輸入輸出圖示內(nèi)容生物過程可用兩個(gè)互相連接的部分表示： 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(jí)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(duì)生物量（BM）與環(huán)境變量（EV）因果關(guān)系的了解，將會(huì)顯著提高控制性能。第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一生物量、生理變量和生理狀態(tài)變量BM：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)。第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一用于表征生物過程的變量可測量的變量流速（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）基質(zhì)濃度、溶氧、溫度、菌體濃度，產(chǎn)物濃度其它氧化還原電位、熒光計(jì)算變量代謝速率（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）基質(zhì)濃度、菌體濃度、產(chǎn)物濃度比速率比基質(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基質(zhì)消耗速率潛在攝氧率限制程度基質(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）生理和環(huán)境變量其它積分值總氧氣、總二氧化碳平均值平均得率、平均產(chǎn)率第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一生理狀態(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(shí)，物質(zhì)i的比消耗速率會(huì)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？第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一比速率比消耗速率：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：第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一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/氨消耗速率 產(chǎn)物得率=

第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一潛在消耗速率(PiUR)使物質(zhì)i（比如基質(zhì)）濃度超過飽和濃度時(shí)，物質(zhì)i的比消耗速率會(huì)達(dá)到其最大值，此值即為物質(zhì)i的潛在消耗速率。第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一限制程度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/潛在氧比消耗速率第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一不能直接測量的生物過程參數(shù)計(jì)算

對(duì)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(jì)算這類變量的方法。通常稱這些方法為在線狀態(tài)估算器或軟傳感器。第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一在線狀態(tài)估算器估算方法元素平衡經(jīng)