谷氨酸发酵过程先进控制

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1、化工自动化及仪表，2004,31(2):28-30过程控制ControlandInstmmentsinChemiralIndustry谷氨酸发酵过程先进控制姜长洪，，姜楠“，王贵成，，蔡庆春(I沈阳化工学院信息工程学院.辽宁沈阳110142;2.沈阳化!学院计算机科学与技术学院，辽宁沈阳110142)摘要:阐述基于工业过程计算机和PLC的谷氛酸发酵过程控制，在若干生化过程理论模型的实际应用具有一定困难的情况下，研究了在发酵过程中对某些生化过程变童的估界方法及相应的先进过程控制策略，对谷氛酸发醉过程的主要拉制回

2、路作了介绍。通过对50耐发酵雄实时拉制，表明本文所述拉制系统的有效性关抽词:谷氮酸;发酵;PLC;发酵过程模型;发酵过程控制中图分类号:TP273文献标识码:B文章编号:1000-3932(2004)(02)-0028-031谷氮酸发酵工艺特征及其控制中存在的问题虽然也有文献报道过一些生化反应过程的钾能或优1.1工艺特征化控制，但就其全局来讲，关于这一发酵过程完整的谷氨酸发酵是典型的生化反应过程。谷氨酸菌工程知识尚不够完善，对基于模型或专家知识的各既是反应过程的主体，又是反应过程的生物催化荆，种优化控制还要作

3、深人的工作。它摄取原料的营养，通过细胞内特定的酶系列进行2谷氮酸发酵过程的动力学模型复杂的生化反应。底物中的反应物透过细胞壁和细发酵过程一般包括细胞生长、底物消耗及产物胞膜进人细胞体内，在酶的作用下进行催化反应，将的生成。描述发酵过程的主要变量有菌体浓度、底反应物转化为产物并释放出来，细胞的内在特性及物浓度和产物浓度等，在不同的条件下，由于代谢途其代谢规律是影响生化反应的关键因素。因此，发径不同会得到不同的产物，因此对模型精度要求较酵是一个比其它工业过程更为复杂的动态过程。对高。理论上谷氨酸发酵过程模型可表示

4、为‘’}:发酵过程控制的研究还没有从微生物代谢的本质上菌体生长模型:去考虑，生化过程控制仅限于为菌体生长代谢提供ddXt二，.X(1(1)基本的物理环境，发酵过程动力学模型在发酵控制产物生成模型:的实际应用中还有一定的困难。vSx1.2存在问题ddPt人.+S。ddXt(2)由于工业发酵过程的固有特性及人们生产习惯基质消耗模型:﹃﹂的影响，国内谷氨酸发酵装置普遍存在下列问题:IdX协daSt二(3)刃de+(1)自动化程度低，生产设备陈旧，生产中多数式中:X-菌体浓度，以光密度表示;Xm—最采用常规仪表控制温

5、度、罐压、通风量等几个基本物大菌体浓度;拜二—菌体最大比生长速度;尸—理参数，有些发醉罐甚至连pH自动控制也没有。产物谷氨酸的浓度;S—底物浓度;Vm—谷氨(2)缺乏对生化参数的自动检测与控制手段，酸的最大生长比速率;a—常数;K=—产物对对于表征发酵过程状态的主要生化指标，如菌体浓底物5的饱和常数;Yc—生成菌体与对应糖耗比度、糖酸转化率、产酸率、残糖等，基本上由人工在现例常数;Y=—生成产物与对应糖耗的比例常数。场采样再到化验室分析。对溶解氧(DO)值、尾气上述模型虽然有一定的理论依据，但由于工艺COs,

6、02、呼吸商、耗氧速率、氧利用率等更很少进行的变化，应用中经常会遇到一些困难。这是由于:在线检测或计算。(1)为了克服间歇发酵反应中底物浓度过高对(3)优化控制处于起步阶段。但是由于间歇发菌体生长的抑制作用，提高菌体生长速率，很多间歇酵过程的批量特点及流加操作的影响，模型参数的发酵过程采取降低初糖浓度，然后辅以流加补料的分散性、非线性、时变性、相关性、滞后性以及不可避生产工艺。这类生产过程已不是传统意义的间歇发免的人为干预等扰动，使若干关于底物消耗、菌体生长、产物生成的数学模型付诸实施的可能性较小。收稿日期:

7、2004-03-09(修改稿)万方数据第2期姜长洪等.谷氨酸发酵过程先进控制酵，而是介于问歇和半连续给料之间的流加操作体积浓度，mol/1由于流加物料数量较大，对菌体浓度产生的稀释作Q-.可以按下式得到:用严重地影响r原有的浓度变化规律，使发酵液体(CPR)(Q.n〔二二1,2,-,-.N)(6)凡-p(wl)积及浓度等成为时变参数，很难适用于伴有流加操式中:。—取样数据序号;拼—比生长率，可根作的发酵过程补制。据连续测量的CPR及其变化速率求得。(2)由于谷氨酸发酵是批量过程，原料来源与配制、菌种活性与数量

8、、干扰的介人及人为因素的影Qco，可用平均值Qc。代替，按下式计算:响，不仅会对一些生化参数产生影响，甚至会改变微P一‘泰)E(CPR)exp(一AO生物的代谢途径。同时，由于微生物生长各阶段的式中:N估算Qcn,时的取样总数。物理、生化特性及变化规律差异较大，很难满足机理采用上述方法进行在线菌量估计，还应考虑菌建模时的假设条件因此，在整个发酵过程中这些体在不同生长时期的生理活性。由于菌体生理活性变