青霉素发酵过程优化控制问题及方法研究

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1、于乃功。阮晓纲．青霉素发酵过程优化控制问题及方法研究青霉素发酵过程优化控制问题及方法研究”于乃功阮晓钢(北京工业大学电子信息与控制工程学院北京100022)摘要：本文总结了各种过程优化控制方法的特点及其在青霉素发酵过程优化控制中的应用情况，指出了目前青霉素发酵过程建模和优化控制中存在的主要问题，并在对青霉素发酵过程复杂性进行分析的基础上提出了解决方法。关键词：青霉素发醇逦融建模方法，优化控制—1f／OptimizingcontrolproblemandmethodsofPenicillinFermentationProcessYuNaigongRuanXiaoga

2、ng(ElectronicInformation＆ControlEngineeringCollege,Beg_}ngUniwrs时ofTechnology,Be讲ng．100022lAbstract：ThispapersununarizedthedifferencesofSOIPmprocessoptimizingmethodsandtheirapplicationinpenicillinfermvntmionprocessopdmizingcontrol，pointedoutthemainproblemsofpenicillinfermentationproce

3、ssmodelingandoptimizingconffo

4、，thenpresented$011"1esolvingmethodsbyanalyzingpenicillinfermentationprocesscomplexity．Keywords：penicillinfermentationprocess；modelingmethod；optimizingcontrol1引言表现出的动态行为复杂多变，使得目前的各种研究仍存在很大的局限性。近年来，过程优化控制方法目前，青霉素是世界各国需求量最大的抗生得到了较快的发展。其在各个生产领域的应用也越素，主要是通过微生物

5、发酵法进行生产。高成本和来越广泛。为了更好地对青霉素发酵过程进行优化高能耗是其生产的特征，生产成本中，发酵部分占控制，下面对各种优化控制方法的特点及其在青霉80％以上。青霉素发酵过程的控制是在对生产菌的素发酵过程中的应用情况作一介绍，在此基础上指环境条件和代谢变化参数测量的基础上，结合代谢出目前青霉素发酵过程建模和优化控制中存在的主调控的基础理论进行，使产生菌的代谢变化沿着最要问题，最后结合对青霉素发酵过程复杂性的分析佳的轨迹进行i以较低的能量和物料消耗生产更多指出解决途径。的青霉素IlJ。因此，为了提高青霉素的产量，降低生产成本，对青霉索发酵过程进行优化控制就显

6、得2青霉素发酵生产中的优化控制问题格外重要。间歇补料批处理方式是目前我国青霉素生产为了对青霉素发酵过程进行优化控制，提高产最主要的生产方式，它在发酵开始时一次加入基础物产率，研究人员进行了大量的研究，并取得了很料，在发酵过程中不断流加营养物质，发酵终止时好的效果。与青霉素生产初期相比，青霉素发酵的一次移走产物。在青霉索分批发酵过程中，分泌期效价提高了1000多倍，平均生产率提高了40多倍，产生的青霉素约占总量的70％～80％。可见提高青成本下降了90％121。但由于青霉素是微生物的次级霉素产量的关键是缩短菌体生长期、延长青霉素分代谢产物，微生物发酵的生化反应过程机

7、理复杂，泌期并保持青霉素生产的最大增长率。因此，我)基金项目：国家自然科学基金(60274060)资助项目141们不仅要按照产生菌的生理特性选择合适的发酵培j(f)=^l(x，s)x—x矿“养基和发酵条件，而且必须根据发酵过程中的代谢变化对培养基和发酵条件进行控制，使菌体生长既户(f)=h2(X㈣一舻一軎”(3)迅速义不易衰老．且能保持青霉素的最大生产速率。基质是产生菌代谢的物质基础，控制基质的种类和j(牡一岛(以s)x+曼喾“数量是补料控制的手段，其中最主要的是碳源的控矿(f)=“法控制碳源。补糖的数量应该使发酵液中的糖含量”叭-赤制。在青霉素发酵过程中主要采取

8、流加葡萄糖的方产能力的衰退。因此．在优化工作中一般也是以补一：=。．。。ss；i靠1f41既能维持菌体的正常生理代谢，又能防止青霉素生∥l+JL+u6)1料速率作为控制变量，即间歇补料过程的补料优化^，：且+兰+o．029i问题是：以补料速率作为控制变量，求取最优补料l。0．471．2／l"．+S轨线．使得发酵终

9、土=时青霉素浓度最高。该问题的优化问题在数学上称为静态优化问题。这类优化问数学描述如(1)式和(2)式所示”】。题常常是有约束的非线性规划问题。目前求解非线目标函数：性规划问题的方法主要有三类：一类是将条件极值J阻(f)】_一p(t，)V(ty)(1)问

10、题转化为无