神经网络逆系统软测量方法与其在红霉素发酵过程中的应用

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1、绪论0．1发酵过程控制问题简介发酵过程是一种既古老又年轻的生化过程。在这里的“古老”指的是其历史悠久，而所谓的“年轻”指的是我们对生产过程知其然而不知其所以然，要彻底了解和掌握其微生物生产机理、规律，则相距甚远，目前的工作只是起步而已。20世纪40年代初抗生素工业的兴起，标志着发酵工业进入了一个新阶段。20世纪50年代中后期以来．有关微生物反应动力学的研究已经成为生化工程的一个重要分支一一生物反应工程(BioreactionEngineering)。1973年在法国举行了第一次“计算机应用于发酵技术国际会议”可看近代技术研究

2、的里程碑，并且从79年起每隔三年举行一次计算机在发酵过程中应用世界大会。国际自控联(IFAC)在1982年于赫尔辛基召开了第一届生物技术过程建模与控制讨论会(1stIFACWorkshoponModelingandControlofBiotechnicalProcesses，Helsinki)，到1985年，就扩大为第一届学术会议，在N00rdwijkerhout举行。在国内．发酵工业生产技术水平相对较为落后，以手_[操作为主，生产效率较低，对发酵过程地机理、模型化和优化控制的研究相对较晚。1987年在上海华东化工学院举办了

3、首届全国生化过程模型化与控制学术讨论会，并在1989年和1995举办了第二届和第三届全国生化过程模型化与控制学术讨论会。其中值得一提的是在第二届全国生化过程模型化与控制学术讨论会期间，正式成立了中国微生物学会生物技术过程模型化与控制学会。学会的成立可以更好地联络国内外从事这一学科领域里的专家、教授和科技人员，加强国际间的联系，从而加速推动我国生物技术工程的发展。“七五”期问“发酵过程控制”被列为国家重点科技攻关项目，并在接下来的“八五”、“九五”和“十五”继续加大投入进行研究，取得了不小的成绩，强有力的指导了工程实际生产。虽

4、然在世界范围内来看，生化过程控制的研究已有不小的进展，但并没有达到成熟的程度。产生这样的原因主要在于我们对生化反应的本质问题研究得还不够深入，离根本彻底了解和掌握其微生物生产机理规律还相距甚远。还有一个原因就是很多研究者把发酵过程等同于普通的化工过程，完全按照对普通化工过程控制的研究方法去研究发酵控制问题。发酵过程和化：[过程最主要的不同之处在于发酵过程有微生物参与进行。微生物作为有生命的一种物质，其行为与化学催化剂相比更加难以控制，因而导致某些发酵过程参数难以检测，过程可控性也比化]二过程有所下降。因此如何把发酵过程模型化

5、的概念和一些微生物生理学的基本问题结合起来已经成为生化工程学者在进行发酵过程控制研究时的主要问题之一。因为只有了解了微生物的生理生化特性，才能更好的驾驭微生物使之造福于人类。发酵过程通常在一个特定的反应器中进行，由于微生物反应是自催化反应，故而其自身也是反应器，所有要从这个微生物反应器中出来的物质必须经过细胞和环境之间的边界线，使得所在细胞体内(即生物相)所发生的反应都与环境状况(即非生物相)密切联系在一起。实际的生物反应系统是一个非常复杂的三相系统．即气相、液相和固相的混合体，且三相间的浓度梯度相差很大，达到几个数量级。要

6、对如此复杂的系统进行研究，必须作大量的假设使得问题得到简化。值得庆幸的是，对于有关生物反应的单个步骤、进／出细胞物质的传递以及反应器内的混和等问题的研究已经相当成熟，所阻通过适当的假设就能够进行定量的讨论，实现发酵工程的优化控制。发酵过程控制主要涉及下面四个方面的问题⋯：第一：细胞生长过程研究。如果不了解微生物的生理特性和细胞内的生化反应，研究反应动力学是没有意义的，更谈不上发酵过程的优化控制。研究细胞的生氏反应，不仅要清楚地了解微生物东南大学硕士学位论文从{F生物培养液中摄取营养物质地情况和营养物质通过代谢途经转化后的去向

7、，还要确定不同环境条件下微生物的代谢产物分布。第二：生物反应动力学。生物反应动力学是发酵过程优化控制研究的核心内容，主要研究生物反应速率及其影响因素。发酵过程的生物反应动力学一般指微生物的本征动力学或微观动力学，即在没有反应器结构、形式及传递过程等工程因素的影响时，微生物反应固有的反应速率。发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立。如果把细胞视为单组分，则环境的变化对细胞的组成的影响可以忽略，在此基础上建立的模型称为非结构模型。非结构模型是在实验研究的基础上，通过物料衡算建立起经验或者半经验的关联模型。它是原始数据的拟合，

8、可以体现主要底物浓度的影响．大多数稳态微生物反应都能用相当简单的非结构模型来描述。但只有当细胞内各种成分均已相同的比例增加．即所谓平衡生长状态时才能这样处理。如果由于细胞各组分的合成速率不同而使各组分的增加比例不同，即细胞生长处于非均衡状态时，非结构模型对外推范围可能有所出入，此时就必须运