发酵过程优化与放大概论.ppt

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1、发酵过程优化与放大概论发酵过程优化与放大概论 华东理工大学华东理工大学国家生化工程技术研究中心（上海）国家生化工程技术研究中心（上海）庄英萍庄英萍本章提要本章提要生物反应器过程的多尺度理论生物反应器过程的多尺度理论发酵发酵过程优化与放大基础过程优化与放大基础发酵过程优化控制中的方法和手段发酵过程优化控制中的方法和手段发酵过程优化控制举例发酵过程优化控制举例 第一部分第一部分生物反应器过程的多尺度理论生物反应器过程的多尺度理论发酵过程优化与放大基础发酵过程优化与放大基础仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度、pHpH、DODO等等缺乏微观的实时的代谢调控缺乏微观

2、的实时的代谢调控代谢调控研究代谢工程研究发酵过程酶学研究的困难过程数据采集和处理的困难发酵工艺优化研究发酵工艺优化研究的基本思路的基本思路发酵罐单一生理调控机制，单一生理调控机制，缺乏全局性的概念缺乏全局性的概念测量参数及其变化的意义缺乏理解测量参数及其变化的意义缺乏理解最最佳佳工工艺艺控控制制点点为为依依据据的的静静态态操操作作方方法法，只只是是化化学学工工程程宏宏观观动动力力学学概概念念在在发发酵酵工工程上的简单延伸程上的简单延伸缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容研究内容背景和原理不同尺度的网不同尺度的网络状态关系络状态关系生命所特有的生命所特有的

3、生命所特有的生命所特有的信息信息信息信息流、物质流、能量流流、物质流、能量流流、物质流、能量流流、物质流、能量流 具有具有具有具有“变化着的结变化着的结变化着的结变化着的结构构构构”不仅是线性或动力学不仅是线性或动力学不仅是线性或动力学不仅是线性或动力学因素因素因素因素 跨尺度测量与控制跨尺度测量与控制跨尺度测量与控制跨尺度测量与控制 往往以各自研究的技往往以各自研究的技往往以各自研究的技往往以各自研究的技术背景从单一尺度去术背景从单一尺度去术背景从单一尺度去术背景从单一尺度去理解和分析研究生物理解和分析研究生物理解和分析研究生物理解和分析研究生物过程的特点过程的特点过程的特点过程的特点 呈网

4、络多输入多输出关系呈网络多输入多输出关系不是简单的统计热力学关系不是简单的统计热力学关系不是简单的统计热力学关系不是简单的统计热力学关系网络结构表现在不同尺度的网络状态的网络结构表现在不同尺度的网络状态的网络结构表现在不同尺度的网络状态的网络结构表现在不同尺度的网络状态的互动关系互动关系互动关系互动关系 多输入多输出关系多输入多输出关系多输入多输出关系多输入多输出关系 信息流、物质流和能量流信息流、物质流和能量流信息流、物质流和能量流信息流、物质流和能量流，生命属性所特有的生命属性所特有的生命属性所特有的生命属性所特有的时空串联时空串联时空串联时空串联反应关系反应关系反应关系反应关系微生物微生

5、物微生物微生物代谢流代谢流代谢流代谢流 网络研究的的核心问题网络研究的的核心问题网络研究的的核心问题网络研究的的核心问题 具有具有“变化着的结构变化着的结构”当生物反应器尺寸或操作条件变化时，当生物反应器尺寸或操作条件变化时，发生的结果变化发生的结果变化不是简单的用线性关系不是简单的用线性关系或平均统计方法或平均统计方法所能描述的物质状态的所能描述的物质状态的变化。变化。导致过程变化的原因除了线性或动力导致过程变化的原因除了线性或动力学因素之外，往往还发生在学因素之外，往往还发生在系统结构性系统结构性的突变的突变。跨尺度观察与操作跨尺度观察与操作工业规模的生物过程工业规模的生物过程工业规模的生

6、物过程工业规模的生物过程只能在反应器尺度上只能在反应器尺度上只能在反应器尺度上只能在反应器尺度上进行测进行测进行测进行测量与操作量与操作量与操作量与操作 可以可以可以可以从低一尺度层次从低一尺度层次从低一尺度层次从低一尺度层次的规律或性质，来的规律或性质，来的规律或性质，来的规律或性质，来预测研究预测研究预测研究预测研究另一尺度层次的规律或性质另一尺度层次的规律或性质另一尺度层次的规律或性质另一尺度层次的规律或性质 多尺度综合与各子过程的相互量化关系，澄清多尺度综合与各子过程的相互量化关系，澄清多尺度综合与各子过程的相互量化关系，澄清多尺度综合与各子过程的相互量化关系，澄清不不不不同尺度间相互

7、作用和耦合的原则和条件同尺度间相互作用和耦合的原则和条件同尺度间相互作用和耦合的原则和条件同尺度间相互作用和耦合的原则和条件 跨尺度操作是难题，分析跨尺度问题往往需要纳跨尺度操作是难题，分析跨尺度问题往往需要纳跨尺度操作是难题，分析跨尺度问题往往需要纳跨尺度操作是难题，分析跨尺度问题往往需要纳入入入入跨学科和跨技术的手段跨学科和跨技术的手段跨学科和跨技术的手段跨学科和跨技术的手段 第二部分第二部分发酵过程优化控制中的方法和手段发酵过程优化控制中的方法和手段 数据驱动型方法数据驱动型方法复杂性复杂性复杂性复杂性多容量过程多容量过程多容量过程多容量过程高度非线性高度非线性高度非线性高度非线性线性或

8、拟线性关系的数学摸型发酵生产完整过程发酵过程参数趋势曲线相关发酵过程参数趋势曲线相关 数学模型、静态和动态优化、系统识别、自适应控制、数学模型、静态和动态优化、系统识别、自适应控制、专家系统、模糊控制、神经元网络、各种混沌现象的研究专家系统、模糊控制、神经元网络、各种混沌现象的研究困难动态性动态性不可预测性不可预测性跨尺度观察跨尺度观察方法和装备技术研究方法和装备技术研究基本方法基本方法 基于参数相关的发酵过程多水平基于参数相关的发酵过程多水平(尺度尺度)问问题研究的优化技术题研究的优化技术 发酵过程多参数调整的放大技术发酵过程多参数调整的放大技术多参数趋势曲线相关多参数趋势曲线相关区分三个水

9、平区分三个水平(尺度尺度)问题问题生物反应器的传递与混和生物反应器的传递与混和细胞代谢流的迁移细胞代谢流的迁移不同环境条件下的代谢动力学特征不同环境条件下的代谢动力学特征基因水平的启动与表达基因水平的启动与表达用于发酵过程数据优化用于发酵过程数据优化与放大的专用装置与放大的专用装置 以以生生物物反反应应器器中中 的的观观点点，在在实实验验室室规规模模发发酵酵罐罐，具具有有十十四四个个以以上上发酵过程在线参数检测或控制。发酵过程在线参数检测或控制。在在原原理理上上与与现现有有国国内内外外生生物物反反应应器器有有重大区别。重大区别。物料流检测物料流检测专门用于发酵过程优化与放大专门用于发酵过程优化

10、与放大研究用的研究用的FUS-50L(A)FUS-50L(A)发酵罐发酵罐软软件件设设计计数据处理数据处理功能功能BlORADAR。在线检测参数实验室手工测定参数间接参数(代谢流特征 或工程特征)适应多种反应器特点融合多种过程理论和 控制理论工艺分析与操作远程通讯与异地数据 传送和分析关键技术计算机控制与数据处理软件包计算机控制与数据处理软件包适应多种反应器特点，融合多种过程理论和控制理论适应多种反应器特点，融合多种过程理论和控制理论适应多种反应器特点，融合多种过程理论和控制理论适应多种反应器特点，融合多种过程理论和控制理论，便于发酵过程工艺分析和优化操作。便于发酵过程工艺分析和优化操作。便于发酵过程工艺分析和优化操作。便于发酵过程工艺分析和优化操作。代谢曲线对照