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发酵工程发酵过程控制1. 引言发酵工程是利用微生物的生理代谢过程来生产有机化合物的一种工程技术。
而发酵过程控制则是在发酵工程中对发酵过程进行调控和监控，以确保发酵过程能够稳定进行，并获得高产率和良好的产品质量。
发酵过程控制通过对微生物与培养基、发酵设备和操作条件等方面进行控制，研究微生物的生长规律和代谢产物的生成规律，实现对发酵过程的调控，以实现最佳的发酵效果。
本文将介绍发酵工程发酵过程控制的主要内容和方法。
2. 发酵过程控制的目标发酵过程控制的主要目标是实现以下几个方面的调控：1.生物量的控制：调控微生物的生长速率和生物量，使其在适宜的培养基和环境条件下获得最佳生长，提高产酶或产物的产量；2.代谢产物的控制：调控微生物代谢过程中的关键反应步骤，实现选择性产物的生成，并提高产量；3.溶氧的控制：调控发酵过程中的溶氧浓度，提高氧传递效率，防止氧的限制性产物的堆积；4.pH的控制：调控发酵过程中的pH值，维持合适的酸碱环境，促进微生物的生长和代谢；5.温度的控制：调控发酵过程中的温度，提供适宜的环境条件，促进微生物的生长和代谢。
3. 发酵过程控制的方法发酵过程控制主要采用以下几种方法：3.1 反馈控制反馈控制是一种基于对发酵过程变量的测量和反馈，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的反馈控制方法包括：•温度控制：通过测量发酵容器内的温度，控制加热或降温设备的输出，以维持适宜的温度；•pH控制：通过测量发酵液的pH值，控制酸碱调节器的输出，以维持适宜的酸碱环境；•溶氧控制：通过测量发酵液中的溶氧浓度，控制气体供应设备的输出，以维持适宜的溶氧浓度。
3.2 前馈控制前馈控制是一种基于对发酵过程中外部输入变量的预测，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的前馈控制方法包括：•溶氧前馈控制：根据发酵微生物对溶氧需求的特性，通过对气体供应设备输出的调节，提前调整溶氧浓度，以满足微生物的需求；•pH前馈控制：根据发酵产物对酸碱环境的敏感性，通过对酸碱调节器输出的调节，提前调整pH值，以维持合适的酸碱环境。
发酵工艺过程控制发酵工艺过程控制是指在发酵过程中，通过合理控制发酵的条件和参数，使发酵过程达到预期的目标，达到最佳的产品质量和产量。
发酵工艺过程控制包括发酵条件的选择、发酵参数的控制和数据采集、分析等内容。
下面将详细介绍发酵工艺过程控制的一些关键点。
首先，在发酵工艺过程控制中，发酵条件的选择非常重要。
发酵条件包括温度、pH值、氧气供应和搅拌速度等。
不同的微生物和发酵产物有其适宜的发酵条件。
一般来说，温度是一个非常关键的参数。
适宜的温度可以提高微生物的生长速率和代谢活性，从而提高产物的产量和质量。
同时，pH值也会影响微生物的生长和代谢。
合适的pH值可以提供一个适宜的酶活性和物质转运环境。
氧气供应和搅拌速度对于需要氧气的微生物来说非常重要。
合适的氧气供应和搅拌速度可以提高微生物的通气效果和溶氧量，从而提高产量和代谢产物的选择性。
其次，在发酵工艺过程控制中，对发酵参数的控制和数据采集、分析也是至关重要的。
发酵参数包括微生物的接种量、培养基成分比例、培养基的初始pH值等。
合理的微生物接种量和培养基成分比例可以提高产物的产量和质量。
同时，初始pH值的控制可以提供一个合适的环境供微生物生长和代谢。
在发酵过程中，需要对各个参数进行实时的数据采集和分析，以便及时调整和优化发酵条件。
通过数据采集和分析，可以有效地监测发酵过程的进展，及时发现并解决问题，从而提高发酵工艺的稳定性和可控性。
另外，在发酵工艺过程控制中，发酵的时间也是需要考虑的一个因素。
发酵的时间过短可能导致微生物的生长和代谢不完全，从而影响产物的产量和质量；发酵的时间过长则可能导致微生物的过度生长和细胞死亡，影响发酵过程的稳定性和可控性。
因此，需要通过实验和经验来确定合适的发酵时间，以达到最佳的产物质量和产量。
综上所述，发酵工艺过程控制是一个非常重要的领域。
通过合理选择发酵条件和控制发酵参数，以及进行数据采集和分析，可以实现对发酵过程的有效控制，提高产品的产量和质量。
生物发酵过程及其控制生物发酵是指微生物在一定的环境下利用有机物质发生代谢过程，通过酶的作用产生各种有用的代谢产物。
发酵技术在生产上有着极为广泛的应用，包括食品、药品、生物质能源等领域。
本文将就生物发酵的过程及其控制进行探讨。
一、发酵的基本过程发酵的基本过程包括微生物菌种的培养、基质的制备和发酵过程。
培养微生物菌种需要选用适合的培养基和合适的培养条件。
可以在实验室中进行人工培养，也可在自然界中选择自然发酵菌株。
基质的制备需要考虑到基质成分、PH值、温度等因素，以保证微生物菌种的正常生长和代谢活动。
发酵过程则包括发酵容器的选择，如罐式、槽式、筒式等多种类型。
同时还需要控制发酵过程中的参数，包括温度、PH值、通气量、搅拌速度等因素。
二、发酵过程中的微生物代谢微生物通过营养需求和代谢途径的不同将基质转化为各种代谢产物。
举一个例子，以酿酒菌为代表的酵母菌在经过葡萄糖酵解的过程中，首先将葡萄糖分解成酒精和二氧化碳。
随后，将酒精进一步代谢，转化为较为稳定的乙醇。
同时，微生物在代谢过程中也会产生产物外流问题，例如在生产酸奶的过程中，乳酸细菌代谢产物的堆积会导致形成酸味。
三、发酵过程的控制发酵过程的控制是实现生产效益最大化的重要手段。
发酵过程的控制需要根据具体的微生物代谢特征和反应条件进行调节。
常用的调节手段包括温度控制、PH值调节、通气控制和搅拌速率调节等。
其中，PH值控制的重要性越来越受到重视。
由于微生物的代谢过程对PH值非常敏感，过高或过低的PH值会导致微生物代谢异常，严重时甚至会导致微生物死亡。
四、发酵技术的应用发酵技术的应用范围非常广泛，具有极为广阔的前景。
其中，食品工业应用最为广泛，如发酵豆腐、酿酒、面包等。
药品工业中，通过发酵生产出多糖、激素、维生素等高附加值产品。
此外，发酵技术在清洁能源、生物肥料、环境工程等领域也有着广泛的应用。
综上所述，生物发酵是一种非常重要的生产技术，拥有广阔的应用前景。
发酵过程中，微生物的代谢途径和控制参数的调节，能够最大程度地提高发酵工艺的效益。
发酵工艺过程及控制介绍1. 引言发酵是一种常见的生物过程，广泛应用于食品、饮料、药品等行业。
掌握发酵工艺的相关知识和控制方法对于提高产品品质、减少生产成本具有重要意义。
本文将介绍发酵工艺的基本过程和常见的控制方法，希望能为读者提供一些有用的信息。
2. 发酵工艺的基本过程发酵工艺是利用微生物在一定条件下进行生物代谢产生有用产物的过程。
其基本过程可以分为以下几个阶段：2.1 发酵前处理发酵前处理包括原料准备、消毒灭菌和接种等步骤。
原料准备是根据产品的不同需求选择合适的原料，并进行加工处理，如研磨、过滤等。
消毒灭菌是为了杀死微生物，防止杂菌污染。
接种是将合适的微生物菌种引入到发酵系统中，以促进发酵的进行。
2.2 发酵主过程发酵主过程是指微生物在适宜的环境条件下，利用碳源、氮源和能源进行代谢活动。
这个阶段主要包括菌种适应期、生长期和产物积累期。
在菌种适应期，微生物适应新的环境条件，准备进入生长期。
在生长期，微生物通过吸收和利用外部营养物质，进行生物合成和生长增殖。
在产物积累期，微生物代谢产物开始积累，并趋于稳定。
2.3 发酵后处理发酵后处理主要包括产物分离、精制、贮存等步骤。
产物分离是将发酵液中的固体和液体分离开来，常用的分离方法包括离心、膜分离等。
精制是对分离得到的产物进行纯化和提纯，以满足产品的要求。
贮存是将产物储存起来，以便日后销售和使用。
3. 发酵工艺的控制方法为了保证发酵工艺的顺利进行和产物的高质量，需要采用一些控制方法。
以下是常见的发酵工艺控制方法的介绍：3.1 温度控制温度是影响微生物生长和代谢的重要因素之一。
合适的温度可以提高微生物代谢活性，促进产物的积累。
过高或过低的温度都会对发酵产物的质量和产量产生不良影响。
因此，在发酵过程中，需要对发酵系统进行温度控制，保持适宜的温度范围。
3.2 pH控制pH是微生物生长和代谢的另一个重要因素。
微生物对不同pH值的适应能力有所不同，因此，在发酵过程中，需要控制发酵液的pH值，使其保持在适宜的范围内。
生物发酵过程中的控制策略生物发酵是一种特殊的化学过程，可以利用微生物代谢产生有用的产物。
这种过程可以用来生产酸、酒精、乳酸、酶、抗生素等。
然而，控制生物发酵过程是非常重要的，因为微生物有种种生长条件和代谢路径选择，必须用适当的控制策略才能达到良好的产量和质量。
下面本文将探讨关于生物发酵过程中的控制策略的几个关键方面。
1. 控制发酵物质的转变在生物发酵中，生物体内代谢反应产生的中间产物和代谢产物会相互影响，对发酵过程的产出、时间和质量等产生重要影响。
因此，在生物发酵过程中，必须掌握好反应条件，以使其达到理想的产出效果。
首先，要做到微生物菌群环境的控制，例如调节发酵器PH、温度等参数，保持一个理想的生长环境和代谢环境。
因此，选择合适的补料、减少氧气供应等。
同时，还应注意对发酵液的持续监测，了解每一时刻的发酵状态，及时修改发酵参数。
这一系列的控制措施旨在确保微生物体内的代谢产物在适宜的转化途径上进行转变，从而达到更高的产量和品质。
2. 控制细胞的生长和分裂在生物发酵过程中，发酵液中的微生物并不是一开始就处于快速增长的状态。
这是因为微生物需要适应环境，进行代谢调整和新基因的表达等过程。
在这个过程中，要注意调整发酵液环境，控制生长速率。
此外，还需防止微生物体积过多和细胞死亡过快等问题。
最后，要在适当的时候终止发酵反应，对细胞完成生长周期和生物代谢途径。
3. 控制气体输送生物发酵过程中，气体输送也是一个需注意控制的方面。
在空气或其他气体的供应中，氧气、二氧化碳、氮气等气体的流动性直接影响微生物代谢。
控制气体输送方式和速度，能够降低二氧化碳累积或氧气不足的情况，使微生物代谢通畅并确保良好地发酵效果。
此外，在输送气体的同时还要注意识别微生物产生的气体，学习和处理产生的微生物氣體处理和管理方式。
4.优化和选择合适的微生物结构生物体内代谢能力是产生发酵产品的关键，而微生物的菌株和菌群的选择能够对发酵产率造成重要影响。
发酵过程中控制杂菌的方法
1.设备与环境消毒：
-在发酵前，应对所有接触发酵物料的设备，如发酵罐、管道、过滤器、阀门等进行全面、彻底的清洁和消毒，可使用高温蒸汽灭菌、化学消毒剂浸泡等方式进行消毒处理。
2.培养基灭菌：
-制备的发酵培养基必须在严格的无菌条件下操作，通过高压蒸汽灭菌或其它适用方式彻底灭菌，确保无任何杂菌存在。
3.无菌操作技术：
-接种、转接、取样等操作应在无菌操作台上进行，操作人员需要穿戴无菌防护装备，遵循无菌操作规程，避免引入杂菌。
4.种子纯化：
-使用纯净、活性良好的种子进行接种，必要时对种子进行多次传代净化，剔除可能携带的杂菌。
5.温度与pH控制：
-发酵过程中适当调整和控制温度、pH值等参数，创造有利于目标菌株生长而不利于杂菌滋生的条件。
6.监控与检测：
-定期对发酵过程进行监测，包括pH值、溶解氧、浊度等指标的变化，及时发现异常。
并对发酵液进行微生物检测，一旦发现杂菌污染，立即采取相应措施。
7.添加抑菌剂：
-在某些情况下，可在发酵过程中添加适量的抑菌剂或抗生素来抑制杂菌生长，但这需要考虑对目标菌株的影响。
8.应急措施：
-若发现早期染菌，可通过降低培养温度、调整补料策略、补充杀菌剂或抗生素等手段尝试挽救；若中后期染菌且不影响产品质量，则可考虑提前终止发酵。
9.优化工艺流程：
-改进工艺流程，如采用一次性使用系统、密闭连续流发酵技术等，减少人为操作带来的污染风险。
发酵过程控制和优化技术的有关知识发酵的生产水平高低除了取决于生产菌种本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺的影响。
只有深入了解生产菌种在生长和合成产物的过程中的代谢和调控机制以及可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求，掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，有效控制各种工艺条件和参数，使生产菌种始终处于生长和产物合成的优化环境中，从而最大限度地发挥生产菌种的生产能力，取得最大的经济效益。
一．发酵过程进行优化控制的意义随着生物和基因工程技术在各工业行业中的应用，发酵产品生产规模和品种不断增加，对发酵过程进行控制和优化也显得越来越重要。
作为发酵中游技术的发酵过程控制和优化技术，既关系到能否发挥菌种的最大生产能力，又会影响到下游处理的难易程度，在整个发酵过程中是一项承上启下的关键技术。
与物理和化学反应过程不同，生物过程的反应速率比较慢，目的产物的浓度、生产强度、反应物质（底物或基质）向目的产物的转化率也比较底。
工业微生物学从两个方面解决上述问题，一方面通过菌种选育和改良获得高产的发酵菌种；另一方面，通过控制培养条件使微生物最大限度地生产目标产物。
相对来讲，通过发酵过程控制和优化，将生物过程准确地控制在最优的环境或操作条件下，是提高整体生产水平的一个捷径或者说是一种更容易的方法，其重要性也绝不亚于利用分子生物学和基因工程进行菌种改良的方法。
二．生化过程的特征与物理和化学反应过程相比，生化反应过程有以下不同特征：①动力学模型高度非线性；②动力学模型参数的时变性；③除简单的物理和化学状态变量（温度、pH、压力、气体分压、DO外，绝大多数生物状态变量（生物量、营养物浓度、代谢产物浓度、生物活性等）很难在线测量；④过程参数的滞后性，一个生物过程可能涉及成千上万个小的物理和化学反应，其相互间的作用和影响造成了生物过程的响应速率慢。
生物过程的控制和优化还具有以下特点：①不需要太高的控制精度；②各状态变量之间存在一定的连带关系；③由于没有合适的定量的数学模型可循，其控制与优化操作还必须完全依靠操作人员的经验和知识来进行。
三．生物过程控制和优化的目的和研究内容生物过程控制和优化的目的就是以生物反映工程、发酵工程、生物化学、微生物学等学科的原理和知识为基础，以自动控制理论、过程控制和优化理论、工程数学以及人工智能技术为手段，将目的生物过程控制在最优的操作环境之下，以实现提高生物过程生产水平的目的。
一般来说，生物过程控制和优化的目的最基本的目标函数有3个：①浓度，即目的产物的最终浓度或总活性；②生产强度或生产效率，即目的产物在单位时间内单位生物反应器体积下的产量；③转化率，即基质或反应底物向目的产物的转化比例。
通过优化发酵过程的环境因子、操作条件和操作方式，可以得到所期望的最大产物浓度、最大生产效率、最大原料转化率。
但是，通常情况下这3项优化指标是不可能同时取得最大的，提高某一项优化指标，往往需要牺牲其他优化指标。
实现发酵过程的控制和优化，首先需要确立过程的目标函数（优化指标），确定过程的状态变量、操作变量和可测量变量，然后建立描述状态变量与独立变量（时间）、操作变量间关系的动力学模型。
数学模型可以是有明确物理和化学意义的模型，也可以是仅仅反映状态变量与操作变量之间关系的黑箱模型。
如果确实没有描述过程动力学的数学模型可用，则经验型的定性模型也可以用来进行过程的优化和控制。
生物过程控制和优化的研究内容就是要回答和解决以下几个方面的问题：①过程控制和优化的目标函数是什么？②有没有能够描述过程动力学特征的数学模型可以利用？如何建立上述模型？③为实现优化目标，需要掌握什么样的情报？需要计测（在线或离线）哪些状态变量？④用来实现优化与控制的操作变量是什么？⑤可以在线计量的状态变量是什么？并据此可以推定什么样的不可测状态变量、过程特性或模型参数和环境条件？⑥过程的外部干扰可能有哪些？它们对过程控制和优化的影响是什么？⑦实现优化与控制的有效算法是什么？如何利用选定的算法求解最优控制条件？⑧控制和优化算法能否适时解决由于环境因子或细胞生理状态的变化而造成的最优控制条件的偏移，从而实现过程的在线最优化？四．状态变量、操作变量和可测量变量发酵过程的状态变量是指那些显示过程状态及其特征的参数，一般是反映生物浓度、生物活性和反应速率的参数，如菌体浓度、基质浓度、代谢产物浓度、DO、生物酶活性、细胞的比增殖速率、CO2生成速率等。
过程的操作变量指环境因子和操作条件，而改变这些环境因子和操作条件，可以造成发酵过程的状态变量的改变。
典型的操作变量包括温度、压力、pH、基质流加速率、稀释率、搅拌速率、通气量等。
测量变量是指那些可以测量的状态变量。
包括直接测量（一级）变量和间接测量（二级）变量。
直接测量变量有pH、DO、电导率、黏度、电脉冲信号、化学电位、发酵罐进出口的气体分压、发酵液的浊度或颜色、基质和营养物质的添加量、菌体浓度、基质浓度、代谢产物浓度等。
间接测量变量有CO2生成速率、产酸速率、转化率、发酵罐传质系数K L a等。
间接测量变量一般是利用直接测量变量按照一定的公式计算得到的。
五．用于发酵过程控制和优化的数学模型构造性模型这类模型几乎考虑了参与生物过程的所有反应网络，可以最真实可靠的把握过程的内在本质和特征。
但是，这类模型涉及到过多的状态方程和模型参数，另外还由于胞内物质的难于测量，难以直接将这类模型用于实际生产的控制和优化。
黑箱模型黑箱模型是完全基于生物过程状态变量和操作变量时间序列数据的模型，考虑的是发酵过程某一时段内状态变量和操作变量之间的表观动力学特性，而根本不考虑过程的本质和各类反应的机理和机制，模型本身不具有明确的物理和化学意义。
非构造式模型非构造式模型是把生物过程的理论定量与经验公式结合起来的统合形式的模型。
六．发酵过程最优化控制方法通过改变操作条件或控制变量，使得过程的目标函数取得最大，这是过程的最优化控制。
提高改变和调整控制变量，将过程的一个或多个状态变量控制在某一水平或时间轨道上，则称为控制。
控制和最优化是两个不同的概念，但是彼此间又是紧密关联的。
很多情况下，过程的最优化就是靠把某些状态变量定值控制在某一水平或者程序控制在某一时间轨道上才得以实现的。
例如，青霉素发酵可以通过调节加糖和通气量，将溶氧控制在30%的水平来实现发酵过程的最优化控制；在酵母菌和大肠杆菌的流加培养中，通过将底物浓度控制在葡萄糖效应的临界值附近就可以实现对发酵过程的最优化控制，因为此时细胞的增殖速率最大、生产强度最高、代谢副产物的生成水平也最低。
1．基于非构造式动力学模型的最优化控制方法基于非构造式动力学模型的最优化控制问题，一般来说，就是求解操作变量的时变函数集合的问题，如求解诸如温度、pH、基质流加速率、发酵罐搅拌速率等控制变量随时间变化的曲线或轨道。
其中用到的数学方法和原理主要有最大原理、格林定理、动态规划法、遗传算法等。
一般来说，基于非构造式动力学模型的最优化控制是一种离线式的控制方法，只要按照计算好的最优控制轨道，随时间变更操作变量即可。
一般并不需要测定如何状态变量和进行反馈控制。
但是，由于生物过程特有的模型参数的漂移性和不确定性，一旦模型参数发生变化，计算得到的操作轨道就偏离了真正的最优控制轨道，造成最优化控制性能的恶化。
2．基于可实时测定的过程输入输出时间序列数据和黑箱模型的最优化控制方法基于可实时测定的过程输入输出时间序列数据和黑箱模型的在线最优化控制是一种分级递阶型的控制系统。
上位的在线优化机构不断地在线探索能使整个过程目标函数最大的最优条件，并向下位的定值控制系统实时发出新的设定值。
在线最优化控制一般只适用于连续发酵、使用固定化酶和固定化细胞的生物过程。
对于间歇发酵和流加发酵可以对过程的目标函数和被控状态变量进行离线测量和计算，得到目标函数对于被控状态变量的梯度，在利用反复迭代的方法得到被控状态变量的最优设定值，实际生产控制就是使受控的状态变量尽量靠近最优设定值。
七．发酵过程最优化控制的实现发酵过程最优化控制的实现，包含从明确目标到目标值实施等全部内容。
1．明确控制目标工业过程的目标有产量、质量、单一指标、综合指标等。
发酵过程是一个发酵液的物理性质和组分随时间的变化而不断发生变化的不稳定的动态过程，生产的主要目的是获得最大量、最佳质量的发酵产物，最优化控制的目标应该是得到最大比产物生成速率，其次才是最短的生产周期，并由此获得最佳的经济效益。
2．明确影响因素为了最优化控制发酵过程，必须充分地了解影响目标值的各种因素，并通过动力学关系获得发酵过程的各项最佳参数。
影响比产物生成速率的因素主要有营养物质的浓度、种类、比例、溶解氧浓度、氧化还原电位、溶解二氧化碳浓度、发酵液黏度、温度、pH值、泡沫、促进剂、前体、酶、代谢产物等理化因素和菌体浓度、生长速率、死亡速率、细胞状态等生物因素。
3．确定实现目标值的方法实际生产过程中，由于发酵产物不易瞬时测定，比比产物生成速率不易算出，基于产物的生成与营养物质的消耗之间有着平行关系，因此可用营养物质转化成产物的得率或效率、转化率作为目标值。
通过大量试验，比较不同浓度下某一营养物质的最大转化率，再从这些数值中找出最大值，与此最大值对应的浓度便是该营养物质应该控制的最佳浓度。
由于发酵过程可以分为以生长为主的生长阶段和以产物生成为主的生产阶段，因此目标值还应包括最大比生长速率。
在生长阶段需提供获得最大比生长速率的条件，而在产物生成阶段、菌体衰老前需提供获得最大转化率的条件，分别确定和控制各阶段的最佳参数。
4．确定最佳工艺由实验得到的最佳营养条件和环境条件，需要变成工艺控制条件，才能对发酵过程进行最优控制。
例如，营养物质的种类、浓度和比例需转化成培养基原材料的种类、浓度、比例和流加补料的方式和速率；溶解氧浓度需转化为搅拌转速和通气量。
5．实施最佳工艺实施最佳工艺就是通过执行发酵工艺、优化管理，将发酵控制在最佳状态，从而最终实现目标值，达到最大的比产物生成速率。
需要说明的是任何发酵工艺的稳定都是相对的，往往是一个优化——提高——稳定——再优化——再提高——再稳定动态过程。
