生物過(guò)程優(yōu)化控制

1、第五章 生物過(guò)程優(yōu)化控制概述生化過(guò)程優(yōu)化控制是一門(mén)交叉學(xué)科，它涉及生物化學(xué)原理、生化反應(yīng)工程、過(guò)程控制理論和應(yīng)用數(shù)學(xué)理論等多種學(xué)科。優(yōu)化控制的目標(biāo)函數(shù)：目標(biāo)產(chǎn)物濃度、生產(chǎn)強(qiáng)度和底物轉(zhuǎn)化率。實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制，需要確定優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)、過(guò)程的狀態(tài)變量、操作變量以及動(dòng)力學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)過(guò)程優(yōu)化控制的基礎(chǔ)，可以分為：結(jié)構(gòu)化模型、非結(jié)構(gòu)化模型和黑箱模型。生化過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)合理選擇觀測(cè)變量和控制參數(shù)是優(yōu)化控制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵問(wèn)題物理參數(shù)化學(xué)參數(shù)生物參數(shù)參數(shù)獲取方法：取樣檢測(cè)反應(yīng)器內(nèi)直接檢測(cè)相比而言，生物參數(shù)的監(jiān)測(cè)較困難，往往需要間接獲得。生物傳感器生物傳感器是借助于生物敏感元件并利用化學(xué)反應(yīng)原理以選擇

2、性方式對(duì)特定的待分析物質(zhì)產(chǎn)生響應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)轉(zhuǎn)換器對(duì)分析物質(zhì)進(jìn)行定性或定量分析的裝置。生物傳感器主要包括兩個(gè)部分：分子識(shí)別元件和換能器。原理：被分析物擴(kuò)散進(jìn)入固定化生物敏感膜，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的化學(xué)換能器或物理?yè)Q能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號(hào)，再經(jīng)檢測(cè)放大器放大并輸出，便可知道待測(cè)物濃度。生物參數(shù)在線檢測(cè)和計(jì)算pH值溶氧呼吸代謝參數(shù)比生長(zhǎng)速率氧氣體積傳質(zhì)系數(shù)生物熱pH在線檢測(cè)在發(fā)酵過(guò)程中由于微生物的代謝(消耗碳源或氮源，釋放代謝產(chǎn)物如酸等)會(huì)使得發(fā)酵液的酸堿度發(fā)生很大的變化，而發(fā)酵過(guò)程需要維持在一定的酸堿度范圍內(nèi)。在生化過(guò)程中，pH的控制和調(diào)整已成為過(guò)程操

3、作不可缺少的變量。因此pH的測(cè)量在生化過(guò)程控制中具有無(wú)比重要的地位。pH：表示體系酸堿度的參數(shù)，為溶液中H+的活度，即 pH=-lgH+，其范圍為014，pH7為堿性。pH一般是利用電化學(xué)原理進(jìn)行測(cè)定。常用一組電極來(lái)測(cè)量，即測(cè)量電極和參考電極。電勢(shì)與溫度相關(guān)，pH轉(zhuǎn)換器需具有溫度補(bǔ)償功能。pH電極參比電極溶氧在線檢測(cè)溶氧(DO) 影響細(xì)胞的生長(zhǎng)、產(chǎn)物的生成。反應(yīng)器中溶氧的檢測(cè)遠(yuǎn)比溫度等參數(shù)檢測(cè)困難。在有電流通過(guò)的條件下，可氧化物質(zhì)在電極上發(fā)生極化反應(yīng)產(chǎn)生擴(kuò)散電流，電流大小與參與反應(yīng)物質(zhì)濃度成正比，通過(guò)改變外加電壓得到相應(yīng)曲線。溶氧檢測(cè)主要有3種方法，均需利用膜將測(cè)定點(diǎn)與發(fā)酵液分離，使用前均需進(jìn)

4、行校準(zhǔn)。導(dǎo)管法；質(zhì)譜電極法；電化學(xué)檢測(cè)法(極譜分析法)。最常用的溶氧檢測(cè)方法是可蒸汽滅菌的電化學(xué)檢測(cè)器。分為原電池型電極和極譜型電極兩種。二者均用膜將電化學(xué)電池與發(fā)酵液隔開(kāi)。對(duì)于溶氧測(cè)定，膜僅對(duì)O2有滲透，對(duì)其它干擾物則不能通過(guò)。其原理是O2通過(guò)滲透膜從發(fā)酵液擴(kuò)散到監(jiān)測(cè)器的電化學(xué)電池，O2在陰極被還原時(shí)產(chǎn)生可被檢測(cè)的電流或電壓，這與O2到達(dá)陰極的速率成比例。發(fā)酵液膜外表面膜內(nèi)表面陰極O2擴(kuò)散跨膜擴(kuò)散電極內(nèi)擴(kuò)散陰極檢測(cè)到的是O2到達(dá)陰極的速率，取決于它到達(dá)膜表面的速率、跨膜傳遞的速率及它從內(nèi)膜表面?zhèn)鬟f到陰極的速率。忽略傳感器內(nèi)動(dòng)態(tài)效應(yīng)，O2達(dá)到陰極的速率與氧跨膜擴(kuò)散速率、氧擴(kuò)散至膜表面的速率相等

5、，與氧傳質(zhì)總濃度驅(qū)動(dòng)力成比例。假定膜內(nèi)表面O2濃度可有效降為0，則擴(kuò)散速率與發(fā)酵液中溶解氧成正比，陰極測(cè)定的電信號(hào)與發(fā)酵液中溶氧成正比。12345671 陰極，2 氣體滲透膜，3 外殼，4 電解質(zhì)，5 陽(yáng)極，6 絕緣體，7 電解質(zhì)薄膜當(dāng)兩電極之間加一極化電壓(0.6-0.8V)，有氧存在時(shí)，電極上將產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)：陰極： O2+2H2O+4e-4OH-陽(yáng)極： 4Ag+4Cl-4AgCl+4e-由此可見(jiàn)，在兩電極之間就會(huì)有電流產(chǎn)生 當(dāng)極化偏置電壓一定時(shí)，電極極化電流的強(qiáng)弱與溶液中氧的分壓呈線性關(guān)系，根據(jù)Fick定律有：i 電極電流，k1 常數(shù)，D 膜中氧擴(kuò)散系數(shù)，a 膜材料氧濃度，A 陰極表面

6、積，X 氣體滲透膜厚度，pO2 溶液中氧分壓 若電極材料一定，物理特性和尺寸一定，那么k1 、D 、a 、A 、X 都確定，則：i=KpO2 即電極電流與氧分壓成正比關(guān)系。則可測(cè)定溶液中氧濃度。由Henry定律可知，溶液中的氧濃度與其分壓成正比CL=pO2aL其中：CL 溶氧濃度，pO2 氧分壓，aL 溶解度常數(shù)如果aL是常數(shù)，則電極電流信號(hào)可直接轉(zhuǎn)化為溶液。但aL受溫度和溶液組成的變化而改變。因此，用溶氧電極來(lái)測(cè)量發(fā)酵液中氧含量時(shí)，只有當(dāng)罐內(nèi)溫度、壓力及發(fā)酵液組成一定時(shí)才準(zhǔn)確。極譜電極在測(cè)量中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、溫度漂移特性都比較好，能適應(yīng)工業(yè)發(fā)酵要求。對(duì)電極壽命和穩(wěn)定性影響最大的因素是

7、發(fā)酵罐的高溫滅菌。為了消除這種損害，一般采用電極保護(hù)套的方法，將溶氧電極裝在可伸縮的保護(hù)套，滅菌后再推入發(fā)酵罐。電極安裝在發(fā)酵罐中最合適的位置，能準(zhǔn)確反映發(fā)酵液中溶氧的變化，其安裝開(kāi)孔不影響滅菌及留死角。一般安裝在中部偏下，安裝時(shí)要有一定的向下的傾斜角，防止安裝口積液或清洗不到。溶氧電極的使用，需要注意四個(gè)方面：攪拌、溫度、壓力、以及電極校準(zhǔn)。呼吸代謝參數(shù)的計(jì)算氧分析：微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中要利用氧，微生物的氧利用率(OUR)是生化反應(yīng)過(guò)程的重要參數(shù)，因此，測(cè)量發(fā)酵排出氣體中的氧含量成為研究生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的主要變量。氧濃度的分析測(cè)量主要采用磁風(fēng)式氧分析儀(磁氧分析儀)。原理：利用氧具有極高的

8、磁化特性設(shè)計(jì)而成，當(dāng)氧氣通過(guò)非均勻磁場(chǎng)的作用時(shí)，將會(huì)形成“熱磁對(duì)流”或稱“磁風(fēng)”，該磁風(fēng)對(duì)敏感元件產(chǎn)生冷卻作用，利用此進(jìn)行氧濃度的檢測(cè)。二氧化碳分析：大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵的CO2量的測(cè)定具有重要價(jià)值，是發(fā)酵過(guò)程控制中重要在線信息。確定產(chǎn)生的CO2量有助于計(jì)算碳回收。研究發(fā)現(xiàn)生物量生長(zhǎng)率與CO2生成率成線性相關(guān)性，進(jìn)而開(kāi)發(fā)估計(jì)細(xì)胞濃度的模型，由在線檢測(cè)CO2的數(shù)據(jù)估算比生長(zhǎng)速率。發(fā)酵工業(yè)中常用的尾氣CO2分壓(濃度)檢測(cè)儀為紅外線CO2測(cè)定儀。其檢測(cè)原理：在近紅外波段CO2氣體的吸收造成光強(qiáng)度的衰減，衰減量遵循朗伯-比爾定律，即：lg(I0/I)=aLcCO2式中：I0、I ：入射光與衰減后光強(qiáng)度，a

9、 ：光吸收系數(shù)，L： 光通過(guò)氣體的距離，cCO2 ：CO2濃度。穩(wěn)定條件下；尾氣排除與輸入不等時(shí)：比生長(zhǎng)速率計(jì)算以離線分析為主，控制生物量的過(guò)度增長(zhǎng)。菌體濃度的測(cè)定可分為全細(xì)胞濃度和活細(xì)胞濃度的測(cè)定，前者的測(cè)定方法主要有濕重法、干重法、濁度法、和濕細(xì)胞體積法；后者使用生物發(fā)光法和化學(xué)發(fā)光法，如通過(guò)對(duì)發(fā)酵液中的ATP或NADH進(jìn)行熒光檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)活性胞濃度的檢測(cè)。利用離線檢測(cè)如細(xì)胞干重法、顯微鏡計(jì)數(shù)法。光密度法有時(shí)可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，其它的在線檢測(cè)包括濁度法、熒光法、粘度、阻抗和產(chǎn)熱等。市售的生物量傳感器多是基于光學(xué)測(cè)量原理制成的，也有一些利用過(guò)濾特性、細(xì)胞引起的懸浮液密度改變，或?qū)щ娦愿淖?。氧體積傳質(zhì)系數(shù)反映生物反應(yīng)器氣液相質(zhì)量傳遞性能的重要參數(shù)物料平衡法和溶氧分析法：動(dòng)態(tài)法：生物熱發(fā)酵過(guò)程中生成的熱量可分為三個(gè)部分：微生物生長(zhǎng)放熱、底物利用維持放熱、產(chǎn)物合成放熱。通過(guò)冷卻系統(tǒng)散熱量的測(cè)定，求解發(fā)酵過(guò)程放熱。通過(guò)計(jì)算放熱速率來(lái)確定比生長(zhǎng)速率。如何實(shí)現(xiàn)生化過(guò)程的最優(yōu)控制？在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中采集數(shù)據(jù)建模代謝過(guò)程最優(yōu)生長(zhǎng)環(huán)境最優(yōu)建模的數(shù)學(xué)原理與統(tǒng)計(jì)方法生化過(guò)程常規(guī)控制方法前饋控制反饋控制二者結(jié)合控制動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法過(guò)程輸出設(shè)定值確定條件下的最優(yōu)化對(duì)控制目標(biāo)設(shè)定值的最優(yōu)化遺傳算法的最優(yōu)化控制遺傳算法(GA)是通過(guò)模擬自然界生物進(jìn)化思想而開(kāi)發(fā)的一種全局搜索優(yōu)化算法?；静襟E：設(shè)計(jì)編碼方案確定適應(yīng)