谷氨酸发酵过程菌体浓度监测系统的设计

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1、发酵科技通讯39卷谷氨酸发酵过程菌体浓度监测系统的设计赵起王贵成王晓健韩瑜张占胜王兰刚(1．沈阳红梅企业集团有限责任公司沈阳1100262．沈阳化工学院信息工程学院沈阳110142)摘要：谷氨酸发酵过程菌体浓度是影响发酵转化率的重要参数。监测系统是将训练好的软测量模型用程序实现在计算机控制系统中，将现场采集到的工艺数据作为软测量模型的输入，菌体浓度作为输出，软测量模型程序-．aJ-v；t实现对菌体浓度的在线估计，从而提高谷氨酸产量，降低生产成本，提高经济效益。关键字：发酵过程软测量菌体浓度神经网络它将对提高产物的质量，降低产物的成本，提高生1引言产效率有着

2、不可估计的作用。谷氨酸发酵过程是一个复杂的、不确定的、非近年来软测量技术得到了突飞猛进的发展，线性的动态过程，其影响因素很多，机理十分复杂，它已涉及到自动控制理论中的建模、系统辨识和其中菌体浓度是影响发酵过程及产品质量的重要数据处理等许多重要领域，对其的研究已经历了的生物量参数，但目前尚无满足要求的在线检测仪从线性到非线性，从静态到动态，从无校正功能到表。菌体浓度传统的检测方法是离线的，而离线测有校正功能的发展过程。量带来两个问题：一方面取样过程容易染菌；另一2软测量技术方面是给发酵自动控制带来困难。因此，研究一种菌体浓度实时在线检测的新技术是非常必要的。

3、软测量技术就是选择与被估计变量相关的一随着现代控制理论水平和计算机技术的不断组可测变量，构造某种以可测变量为输入、被估计提高，使得采用软测量技术获取一些生产过程参数变量为输出的数学模型，用计算机软件实现重要成为可能。软测量技术是根据某种最优准则，选择过程变量的估计。软测量估计值可作为控制系统一组既与主导变量有密切联系又易检测的变量，即的被控变量或反映过程特征的工艺参数，为优化二次变量，通过构造某种数学关系，用计算机软件控制与决策提供重要信息。这种方法响应迅速，能实现对主导变量的估计。它是对传统测量手段的补够连续给出主导变量信息，且具有投资低、维护保充，可以

4、解决有关产品质量、生产效益等关键性生养简单等优点。产参数无法直接测量的问题，并且相对于硬件检测软测量模型如图1所示。设备，软仪表开发成本低，配置较灵活，维护相对容d1易，各种变量检测可以集中于一台工业控制计算机r上，无需为每个待测变量配置新的硬件，因此软测d2y量技术成为过程控制应用中的一个热点口】。r软测最模犁采用软测量技术l2l，利用可在线测量的过程参U数，如温度、压力、pH值等，建立菌体细胞浓度的软测量模型，进而实现对其的在线估计。生物发酵软测量技术的发展无疑是生物界的又一次革命，图1软测量的数学模型第39卷第2期2010年4月发酵科技通讯图中d1表

5、示可测扰动，d2表示不可测扰动，时后，发酵过程结束。u表示控制量输入，y表示主导变量估计值，各变谷氨酸发酵是一个复杂的微生物生长过程，量之间的关系可以用如下函数表示要使菌体生长迅速、代谢正常、多出产物，必须为y=dl，d2，U)其提供良好的生长环境。一般主要控制参数有通由此可见，软测量模型主要反映了在线可测风量或溶解氧、发酵液pH值、发酵温度、罐压、补参量和不可直接测量参量之间的关系。料等。而菌体浓度的监测尤为重要。3谷氨酸发酵工艺过程介绍4谷氨酸发酵过程菌体浓度的软测量谷氨酸发酵过程为间歇过程，是将碳源、氮检测发酵过程中菌体生长状态至关重要，它源、无机盐

6、等加入发酵罐内，接人一定数量的菌将决定整个发酵的产酸水平。生化反应过程一般种，菌种在合适的培养基、pH、温度和通风搅拌等可以描述为：菌种在合适的环境及底物组分的条发酵条件下，进行生长和合成谷氨酸的代谢活动。件下，先是利用底物中的营养物质进行菌体的大来自连消塔的谷氨酸培养基(糖液等)在流量量生长和繁殖，并维持在一个较高的浓度上，然后的监控下进入灭菌后的谷氨酸发酵罐，经罐内蛇是菌体的产物的分泌期。细胞体除了利用一定量管换热器将培养基冷却至34度，接入菌种，通入底物来维持自身的活力和浓度以外，绝大部分底无菌空气，谷氨酸发酵过程逐渐开始。发酵前期为物中的营养成分被

7、用于产物的生成，这往往也是长菌阶段，为了形成有利于谷氨酸向外渗透的细生产的目的，即获取尽可能多的菌体代谢产物。正胞膜，需使磷脂合成不充分，因而必须要控制生物是因为有了大量的活细胞的参与，使生化过程的素亚适量。谷氨酸发酵刚刚开始时，因菌体数量非线性、确定性尤为明显。少，释放的热量少；而当菌种进入生长旺盛时期，神经网络建模主要以BP网络的应用最为广呼吸加强，放出大量热量，温度上升，可利用蛇管泛。它利用前向网络的结构特点，随着“模式顺传内的冷水使罐内温度保持在34度。同时，在菌体播”与“误差逆传播”过程的反复进行，网络的实际生长期，供氧必须满足菌体呼吸的需氧量，

8、否则将输出逐渐向各自所对应的希望输出逼近，它是建抑制菌体生长，所以