第六章 发酵过程检测与自控
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发酵过程现代自动化控制技术
可能的过程外部干扰？对控制与优化的影响？ 实现控制与优化的有效算法是？如何利用算法求 解最优控制条件？ 控制与优化算法能否及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， 实现过程的在线最优化？
4. 发酵过程控制概论
定义：把发酵过程的某些状态变量控制在某一期 望的恒定水平上或时间轨道上。分为离线控制和 在线控制 离线控制：典型的开回路-前馈控制方式，利用已 知非构造式动力学模型或其他已知方式计算和确 定控制变量。 在线控制：典型的闭回路-反馈方式，至少有一个 状态必须可在线测量。
2. 黑箱性质模型：
完全基于生物过程状态变量和操作变量时间序 列数据。含 1）回归模型：用于构建在线自适应控制系统 和在线最优化控制系统； 2）人工神经网络：用于过程状态预测、模式 识别、过程输入和输出变量的非线性回归。
3. 非构造式数学模型
把生物过程的理论定量与经验公式相结合的 统合形式的模型；建模相对简单，为基于 Pontryagin最大原理、格林定理、动态规 划法和遗传算法的最优化控制与计算的基础
5. 发酵过程的状态变量、操作变量和可测量 变量
状态变量（State variables）：显示过程状态及其特 征的参数，生物浓度、活性及反应速率；菌体浓度、 DO、μ等 操作变量（Input variables ）：环境因子或操作条件， 其改变导致状态变量改变；温度、压力、pH等 测量变量（Measurement variables）：可测量的状 态变量。包括直接测量（一级）变量和间接测量（二 级）变量。后者可根据前者利用公式计算得到
生物传感器在发酵过程检测中的应用
《发酵过程工艺》PPT课件
第六章 发酵工艺过程控制
• 发酵，原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程 。 在广义的工艺上，则把发酵看做是微生物把一些原料养分在合适的条件下（通常是 需氧）经特定的代谢转变成产物的过程。
• 发酵是一种很复杂的生化过程，发酵生产受许多因素的影响和工艺条件的制约。需要 多年的经验才能掌握。
第二节 发酵过程的主要控制参 数
• 在发酵工艺中，要想控制发酵，使其按人的意志转移，是很难办到的。因为影响发 酵的因素太多，有些因素还是未知的，但了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反 映菌的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助人们有效地控制微生物的生长和 生产。
第二节 发酵过程的主要控制参
数 1. pH值（酸碱度）
以溶氧、pH值、呼吸商、排气中CO2分 压及代谢产物浓度等作为控制参数
３、半连续发酵
是指在补料－分批发酵的基础上，间歇地放掉部分发酵液 （行业中称为带放）的培养方法。
优点：
① 可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当 的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；
② 克服养分的不足，避免发酵过早结束； 缺点
（Yx/s）和产物得率系数（Yp/s），分别定义为消耗1g营养物质生成的细胞的克数和生成产物 的克数。
工业生产中可通过测定一定时间内细胞和产物的生成量及营养物质的消耗量来进行计算。
在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同 步的关系，将微生物产物形成动力学分为① 生长关 联型 和② 非生长关联型。
二、pH值对发酵的影响及控制
• 发酵液pH对菌体生长、繁殖和产物积累影响较大 。生产前应进行试验和研究。
• 菌体生长、繁殖和产物积累的最适pH不一定相同 。
• 整个发酵过程的pH是变化的。 1、 pH对发酵的影响 2、影响发酵pH的因素 3、最适pH的选择和调节
• 发酵，原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程 。 在广义的工艺上，则把发酵看做是微生物把一些原料养分在合适的条件下（通常是 需氧）经特定的代谢转变成产物的过程。
• 发酵是一种很复杂的生化过程，发酵生产受许多因素的影响和工艺条件的制约。需要 多年的经验才能掌握。
第二节 发酵过程的主要控制参 数
• 在发酵工艺中，要想控制发酵，使其按人的意志转移，是很难办到的。因为影响发 酵的因素太多，有些因素还是未知的，但了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反 映菌的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助人们有效地控制微生物的生长和 生产。
第二节 发酵过程的主要控制参
数 1. pH值（酸碱度）
以溶氧、pH值、呼吸商、排气中CO2分 压及代谢产物浓度等作为控制参数
３、半连续发酵
是指在补料－分批发酵的基础上，间歇地放掉部分发酵液 （行业中称为带放）的培养方法。
优点：
① 可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当 的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；
② 克服养分的不足，避免发酵过早结束； 缺点
（Yx/s）和产物得率系数（Yp/s），分别定义为消耗1g营养物质生成的细胞的克数和生成产物 的克数。
工业生产中可通过测定一定时间内细胞和产物的生成量及营养物质的消耗量来进行计算。
在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同 步的关系，将微生物产物形成动力学分为① 生长关 联型 和② 非生长关联型。
二、pH值对发酵的影响及控制
• 发酵液pH对菌体生长、繁殖和产物积累影响较大 。生产前应进行试验和研究。
• 菌体生长、繁殖和产物积累的最适pH不一定相同 。
• 整个发酵过程的pH是变化的。 1、 pH对发酵的影响 2、影响发酵pH的因素 3、最适pH的选择和调节
发酵工程第六章发酵动力学
∴ 减速期， µ ↓
ms
Ks s
1949年Monod发现，细菌的比生长速率 与单一限制性底物之间存在这样的关 系：
max
S Ks
S
比 生
Monod方程：
பைடு நூலகம்
mSt Ks St
长
素 率
表征μ 与培养基中残留的
生长限制性底物St的关系
μ
限制性底物残留浓度St
残留的限制性底物浓度对微生物 比生长率的影响
Lag Phase ：x无净生长，μ ＝0 ； 加速生长期：x增加，μ2＞μ1 ； Exponential Phase ：x对数增加，μ＝常数； 减速生长期：x增加缓慢，μ4＜μ3 ； Stationary Phase：x无净生长，μ＝0 ； Death Phase：x减少，μ＜0。
在分批发酵体系中，可以通过探究在一定底物 浓度范围内的微生物生长情况，来了解微生物 生长受底物浓度限值的特性。
相关型
部分相关型
非相关型
产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图
分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长相关→生长偶联型：乙醇发酵
dP dt
YP / X
dx dt
1/ x qP
YP/ X
产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直 接结果，菌体生长速率的变化与产物生成速率的 变化相平行。
本章主要内容
分批发酵动力学 连续发酵动力学 补料分批发酵动力学
6.1 分批发酵动力学
分批发酵动力学主要研究微生物在分批发酵过 程中生长动力学、基质消耗动力学和代谢产物 生产动力学。
什么是分批发酵？
分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接 种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。
第六章 发酵工程
第六章发酵工程与食品产业1、发酵工程概述1.1 发酵的定义传统发酵用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。
生理学上的发酵指微生物的有氧呼吸和无氧呼吸以外的一种生物氧化作用，通过底物水平磷酸化来获得代谢能ATP，同时将内源的有机化合物还原成发酵产物。
工业上的发酵泛指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。
1.2发酵工程的应用范围1.3发酵工业的发展历史天然发酵时代发酵工业第一个转折期：纯培养技术发酵工业第二个转折期：通风搅拌技术发酵工业第三个转折期：代谢控制发酵技术发酵工业第四个转折期：发酵原料的转变发酵工业第五个转折期：遗传工程技术1.4 发酵过程的组成部分2、发酵设备与基本工艺过程2.1 生物反应器发酵罐是供微生物在灭菌后的培养基中进行生命活动和代谢的设备。
要求：能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现，从而获得高产。
2.1.1厌氧发酵设备对这类发酵罐的要求：能封闭；能承受一定压力；罐内应尽量减少死角；有冷却设备2.1.2好氧发酵设备2.1.2.1机械搅拌式发酵罐原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。
典型类型：通用式发酵罐和自吸式发酵罐。
1）通用式发酵罐通用式发酵罐是指既具有机械搅拌，又有压缩空气分布装置的发酵罐。
它是利用机械搅拌器的作用使通入的无菌空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，满足微生物生长繁殖和发酵所需要的氧气，同时强化热量的传递。
通用式发酵罐的基本要求：发酵罐罐体各部分的尺寸应具有适宜的比例；发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧；发酵罐应具足够冷却面积；搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
发酵罐的结构：（1）罐体的尺寸比例（2）搅拌器作用：使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中。
类型：轴向式和径向式。
轴向式搅拌器：桨叶式、螺旋桨式径向式（涡轮式）搅拌器：平直叶、弯叶、箭叶（3）挡板作用：改变液流的方向，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。
第六章发酵工程与食品产业
2.1 生物反应器
发酵罐是供微生物在灭菌后的培养基中 进行生命活动和代谢的设备。它必须能 够提供微生物生命活动和代谢所要求的 条件，并便于操作和控制，保证工艺条 件的实现，从而获得高产。
厌氧性发酵
厌氧发酵罐 机械搅拌式发酵罐
发酵 好氧性发酵
通风发酵罐
气升式发酵罐
……
机械搅拌式发酵罐是 利用机械搅拌器的作 用，使空气和发酵液 充分混合，促使氧在 发酵液中溶解，以保 证供给微生物生长繁 殖、发酵所需要的氧 气。
分批发酵是一种准封闭培养的例子，是指一次性投料 、接种直到发酵结束，此过程中发酵液始终留在发酵 罐内。因此分批发酵过程属于典型的非稳态过程，随 着发酵初期接入微生物细胞对培养环境的适应和生长 ，基质将逐渐消耗，代谢产物不断积累。
2.2.2 工业微生物菌种的扩大培养
2.2.2.1发酵工业的种子制备
1.4 发酵过程的组成部分
典型的发酵生产过程包括：
确定菌种繁殖和发酵生产所用的培养基； 对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌； 菌种经逐级扩大培养后，作为生产种子接种于发酵 罐中； 控制发酵罐中微生物的生长条件，最大程度地获得 预期的代谢产物； 产物萃取和精制； 发酵过程中废弃物的处理与回收。
发酵工程的研究内容
了解的前提下，从生物化学和生化工程原理出发来推断和计
算出来。但是目前还无法实现这一点
因此确定最佳培养基还是通过，单因子实验、正交试验和均 匀设计等实验方法来确定最佳配比和组成
2.2.2.2 培养基灭菌
培养基的灭菌有分批法和连续法两种。 分批灭菌是将配制好的培养基放入发酵罐中，通入蒸 汽，使培养基和所有设备一起灭菌。这一过程也称为 实罐灭菌。 连续灭菌是在配制好的培养基向发酵罐输送的同时加 热、保温和冷却，完成整个灭菌过程。连续灭菌时间 短，灭菌温度一般高于分批灭菌，所以可减少对营养 物质的破坏，灭菌效果优于分批式，但灭菌设备较复 杂，投资大，而且所有设备须事先进行空罐灭菌，如 发酵罐、加热器、维持罐、冷却器等。
6、发酵过程参数检测与计算机监控
④ 黑箱或输入－输出模型可用于发酵控制，其主要 模型变量（输出变量）是有关过程输入（控制或操纵） 变量的函数。这种模型的参数无需任何生物方面的信 息。
从定量角度理解生化代谢网络，使产物的代谢物 流最大化，代谢调控理论不再停留在经验型的艺术、 工艺水平上，真正走上理性、科学的轨道。
人们已认识到，新生物系统的改造只有用新的数 学，非线性系统分析和建模才有可能做到。数学与 计算方法的结合已变成生物学的新前沿。此新前沿 的任务要求综合功能实体的思路；系统，网络和模 型的思路。 这是基于一些理论和严密分析的数值计算法。 它具有这样的优点，不具各高深数学背景的科学家 也能理解。此数学结构称为正则建模。 现有的结构模型和分块参数模型难以应用，原因 在于结构模型涉及的参数过多，而分块参数模型不 能准确预测过程的动态性质。
6.1.2 状态参数 状态参数是指能反映过程中菌的生理代谢状况的 参数，如pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2、 黏度、菌浓等。 现有的监测状态参数的传感器除了必需耐高温蒸 汽反复灭菌，还需避免探头表面被微生物堵塞，使测 量失败的危险。 最有价值的状态参数或许是尾气分析和空气流量 的在线测量。用红外和热磁氧分析仪可分别测定尾气 CO2和O2含量，也可以用一种快速、不连续的、能同 时测多种组分的质谱仪测定。 尽管得到的数据是不连续的，但这种仪器的速度 相当快，可用于过程控制。
6.3 用于控制的生物过程建模 从控制过程的观点出发，密切跟踪和运行生物反 应器的先决条件是了解发酵过程的性质。 要想将发酵的环境控制从纯物理的方式转变为生 物控制，需要对错综复杂的生产过程有一定的了解， 建立一些能准确关联所有重要的过程输入和过程输出 的模型。 充分描述性数学模型的建立将有助于揭示发酵状 态变量的性质，从而改进过程的控制。 一般，用于控制目的的过程模型有4种不同的形式。
生物发酵过程的在线检测及控制
生物发酵过程的在线检测及控制1.发酵技术发酵技术是最贴近人们生活的技术之一，因为我们平时所用到的酵母以及所饮用的啤酒等等都是和发酵离不开的，而随着生物科学技术的不断发展，使得发酵工业逐渐的被人们重视起来。
对于发酵工业来说，我们大致将其分为五个阶段，第一个阶段是在19世纪之前，当时的发酵工业还比较浅显，只是用于含有酒精的饮料和醋的生产。
第二个阶段是在1900年到1940年这一时间段内，这个时候就出现了分批补料的技术，这一阶段主要是生产酵母、柠檬酸、乳酸。
第三个阶段我们是按照低二次世界大战的时间而定的，因为这一阶段发酵工业的发展是根据第二次世界大战的需求，逐渐培育出来的以深层培养生产的青霉素，也是在这一阶段发酵工业有了巨大的变化，其中就包括其他不同抗生素、氨基酸的转化。
第四个阶段是在20世纪60年代初期，这一时期的发酵工业普遍采用了分批培养技术和分批补料培养法。
而最后一个阶段是以基因工程为基础开始的，也是从这个时候开始形成了一个新的发酵过程，比如说胰岛素的生产。
从我国目前的发酵水平来看，我国的生物发酵技术不管是从工艺上，还是从自动化控制技术方面，都和其他发达国家的发酵技术有很大的差距。
所以我们在对发酵工艺进行相关研究的同时，还要不断的提高发酵自动化控制技术。
2.发酵过程控制生物的发酵过程是指在合适的培养基、温度等条件下进行的培养发酵，它会利用微生物的某种功能，运用现代的工程技术手段产生对人类有益的物质，有时会直接把微生物运用到工业化的生产技术体系之中。
生物发酵的主要内容包括工业生产菌株的选择培育、发酵最佳条件的选择和控制、发酵罐的设计以及产品的分离等过程。
如果想要真正的去控制生物的发酵过程，就要先了解其特性，现阶段对微生物的认知已经逐渐进入到了分子生物学方面的研究阶段，而生物的细胞是非常复杂的，但是现在的生物技术已经将这种复杂的生物细胞变得规矩，这也是就是所说的对发酵的控制，我们曾采用控制发酵技术的氨基酸、核酸发酵的出现就是最好的体现。