反应器与传感器

1、生化工程生化工程Biochemical EngineeringAir-lift internal cross-flow bioreactor(30,150L)pilot plant工业规模的气升式反应器工业规模的气升式反应器Sensors and probespH probeMettler ToledoMETTLER TOLEDO Process Analytics is specialized on the parameters pH, DO, conductivity, turbidity and CO2 with a wide range of high quality products

2、 as sensors.http:/Biomass monitor 220(Aber, UK)不分光红外不分光红外CO2分析仪分析仪 磁压氧分析仪磁压氧分析仪 发酵过程检测的参数发酵过程检测的参数温度温度. .细胞生长细胞生长罐压罐压. .溶解氧溶解氧 正压正压空气流量空气流量. .供养供养搅拌转速搅拌转速. .混合传质混合传质黏度黏度 . .菌体生长菌体生长装液量装液量. .发酵液性质发酵液性质浊度浊度 . .细胞生长细胞生长物理常数物理常数泡沫，加消泡剂速率，加酸碱速率，补料速率泡沫，加消泡剂速率，加酸碱速率，补料速率发酵过程化学常数发酵过程化学常数酸碱度酸碱度溶解氧溶解氧尾气尾气O2尾气

3、尾气CO2氧化还原电位氧化还原电位总糖，葡萄糖，蔗糖总糖，葡萄糖，蔗糖前体浓度前体浓度发酵过程生物学常数发酵过程生物学常数 菌体浓度菌体浓度 菌体菌体RNA DNA 菌体菌体ATP ADM AMP 菌体菌体NADH 产物浓度产物浓度 细胞形态细胞形态 pH传感器传感器能够进行原位灭菌的复合能够进行原位灭菌的复合pH传感器传感器 （梅特勒）（梅特勒）探头：探头： 产生电压型号的电产生电压型号的电化学原件，玻璃膜化学原件，玻璃膜 DO 溶解氧传感器溶解氧传感器一般采用覆膜式溶氧探头，测定氧分压一般采用覆膜式溶氧探头，测定氧分压特点：特点：不锈钢探头不锈钢探头透气性膜透气性膜电解液电解液生物反应过程

4、上游加工过程加工过程下游成本经济学原料的生物具有应用价值传统育种基因工程细胞工程目的产物大规模工艺开发设计思想遗传学生理学工业发酵过程：承上启下发酵过程控制与最优化技术在发酵工程中的重要地位发酵过程控制与最优化技术在发酵工程中的重要地位发酵技术研究过程：关键工程技术发酵过程的检测、控制、与最优化系统GlucosePyruvateNAD+NADHADPATPethanolAnaerobicAerobicMitochondrionATP微生物细胞在发酵过程中生长和代谢始终处于最佳状态发酵过程控制与最优化的目标发酵过程控制与最优化的目标稀溶液特征 高产量 便于下游处理粮食原料为底物 高转化率 降低原

5、料成本分批操作为主 高生产强度 缩短生产周期发酵过程经济性、科学性显著提高！高产量高底物转化率高生产强度相对统一 发酵过程控制的特征发酵过程控制的特征生物的自我调节、环境压力下的适应能力生物的自我调节、环境压力下的适应能力发酵过程的易受控制特征是其相当长的时间常数发酵过程的易受控制特征是其相当长的时间常数 前馈控制策略前馈控制策略 发酵监测仪器发酵监测仪器 （RQ, 黏度。）黏度。）补料分批培养补料分批培养葡萄糖生物传感器，在线葡萄糖葡萄糖生物传感器，在线葡萄糖FIA法监测，近红外测法监测，近红外测定甘油，定甘油， 在线气相色谱监测甲醇在线气相色谱监测甲醇 发酵过程控制的主要常数发酵过程控制的

6、主要常数1. 生理特性数据生理特性数据 （RQ 呼吸商）呼吸商）酵母 RQ代谢途径1.0以上积累乙醇10.9氧化生长0.80.7内源呼吸0.6一下乙醇被利用酵母呼吸商与代谢途径关系酵母呼吸商与代谢途径关系计算机对发酵过程生理特征测定与控制图计算机对发酵过程生理特征测定与控制图2. 发酵过程的生化特性数据发酵过程的生化特性数据3. 发酵过程的物理数据发酵过程的物理数据 发酵过程的主要控制策略发酵过程的主要控制策略1、发酵过程的、发酵过程的PID控制控制PID控制：控制： 调节器控制调节器控制 比例积分微分控制比例积分微分控制2、发酵过程的推理控制、发酵过程的推理控制利用过程模型由可测输出变量将不

7、可测的被控制过程利用过程模型由可测输出变量将不可测的被控制过程的输出变量推算出来，实现反馈控制，或者将不可测的输出变量推算出来，实现反馈控制，或者将不可测扰动推算出来，以实现前馈控制的一种控制系统。扰动推算出来，以实现前馈控制的一种控制系统。S 系统设定值，系统设定值， u 控制动作控制动作 v 系统次级输出系统次级输出 y 系统初级输出系统初级输出3、发酵过程的适应性（预估）控制、发酵过程的适应性（预估）控制利用适应性控制器替代利用适应性控制器替代 PID回路，但是比较复杂回路，但是比较复杂4. 发酵过程非线性控制发酵过程非线性控制Bastin： 输入输出线性化控制法则输入输出线性化控制法则

8、LIU： 基于神经网络的非线性自适应控制策略基于神经网络的非线性自适应控制策略 用于发酵监督与控制的知识库系统（专家库）用于发酵监督与控制的知识库系统（专家库）特点：能应付不确定的事务，以启发式方法，给定量和定特点：能应付不确定的事务，以启发式方法，给定量和定性或符号表达来再现训练有素的过程操作人员的操作。性或符号表达来再现训练有素的过程操作人员的操作。实时专家系统软件实时专家系统软件: BioSCAN (bioprocess supervision control and analysis)实例-丙酮酸发酵的分阶段溶解氧控制策略 0 4 8 12 16 t / h (DCW) / (g/L)

9、 A 0 20 40 60 80 100 120 140 t / h (Glucose) / (g/L) B 0 0.2 0.4 0.6 0.8 t / h / h-1 1 2 3 0 20 40 60 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t / h (Pyruvate) / (g/L) C 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 t / h 1 2 3 E 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 10 20 30 40 50 60 t / h 1 2 3 F qs / h-1 qp / h-1 D 不同不同kLa下发酵过程动力学曲线下发酵过程动力学曲线 高高kLa

10、下，下，丙酮酸产率丙酮酸产率较高较高，但葡但葡萄糖消耗速萄糖消耗速度较慢度较慢。 低低kLa 下，下，葡萄糖消耗葡萄糖消耗速度加快速度加快，然而丙酮酸然而丙酮酸产率却明显产率却明显下降。下降。恒定恒定kLa发酵过程中不同阶段的碳平衡发酵过程中不同阶段的碳平衡分阶段供氧控制模式分阶段供氧控制模式发酵0-16 h控制kLa为450 h-1，16 h后将kLa降低至200 h-1 实现了实现了高产量高产量(69.4 g/L)、高产率高产率(0.636 g/g)和高葡萄糖消耗速和高葡萄糖消耗速度度(1.95 g/(L h)的的相对统一相对统一。 生产强度生产强度(1.24 g/(L h)比比kLa恒定

11、为恒定为450、300和和200 h-1的的分批发酵过程分别分批发酵过程分别提高了提高了36%、23%和和31%。分阶段供氧控制模式下的发酵研究分阶段供氧控制模式下的发酵研究不同供氧控制模式下发酵过程参数比较不同供氧控制模式下发酵过程参数比较2基于代谢网络模型的发酵过程在线控制和优化基于代谢网络模型的发酵过程在线控制和优化利用现存的生物化学理论，确立特利用现存的生物化学理论，确立特定发酵过程的代谢网络模型定发酵过程的代谢网络模型依据在线推定的结果，对发酵过程进行在线控制和优化求解（在线推定）不同操作条件下不可求解（在线推定）不同操作条件下不可测、着眼物质的浓度和生成模式测、着眼物质的浓度和生成

12、模式在线测定常见、易测的状态变量的在线测定常见、易测的状态变量的速度参数（如速度参数（如CO2生成速度）生成速度）通用性强、模型意义明确、建通用性强、模型意义明确、建模相对容易。全新的控制模式模相对容易。全新的控制模式通用于主要代谢途径已为人们所知、通用于主要代谢途径已为人们所知、以氨基酸、有机酸等为代表的、大以氨基酸、有机酸等为代表的、大宗发酵产品的生产宗发酵产品的生产实例基于代谢网络模型的谷氨酸发酵在线状态预测谷氨酸发酵产酸期代谢网络和反应谷氨酸发酵产酸期代谢网络和反应GlucoseATPADPGlu6PFru6Pr1r2G3PATPADPADPATPNADNADHr3r5PYRRespi

13、ratory Chain &Oxidative PhosphorylationADPATPO2NADHr18Pir19ADPLactateNADHNADNADPNADPHr4r9EMPPP PathwayCO2NADNADHCO2Ac-CoACO2r6PEPATPNADPHNADHIsocit KGSucMalOaANADCO2NH3NADPHGlutamateADPATPNADNADHCO2FAD2/3NADHNADNADHGlyoxyr10r11r13r14r16r17r17r15r7r8r12r20TCAADPADPATPO2NADHEMP Glycolysis Pathwayr

14、1: Glucose + ATP = Glu6P + ADPr2: Glu6P = Fru6Pr3: Fru6P + ATP = 2 G3P + ADPr5: G3P + NAD +ADP = PEP + ATP + NADHr6: PEP + ADP = PYR + ATP PP Pentose Phosphate Pathway r4: 3 Glu6P + 6 NADP = 2 Fru6P + G3P + 6 NADPH + 3 CO2 TCA Cycler7: PEP + CO2 + ATP = OaA + ADPr9: PYR + NAD = Ac-CoA + NADH + CO210

15、: Ac-CoA + OaA = Isocitr11: Isocit + NAD = KG + NADH + CO2r13: KG + NAD + ADP = Suc + NADH + ATP +CO2r14: Suc + FAD = Mal + 2/3 NADHr15: Mal + NAD = OaA + NADH Glyoxylate Shuntr16: Isocit = Suc + Glyoxyr17: Ac-CoA + Glyoxy =Mal Metabolic Products Formationr8: PYR + NADH = Lactate + NADr12: KG + NH3

16、+ NADPH = Glutamate + NADP Respiratory Chain & Oxidative Phosphorylationr18: O2 + 2 NADH + 2(P/O) ADP = 2(P/O) ATP + 2 NAD + 2 H2Or19: ATP = ADP + Pir20: O2 + 2(1+) NADPH + 2 NAD = 2 NADH + 2(1+) NADP + 2H2O研究实例基于代谢网络模型的谷氨酸发酵在线状态预测代谢网络模型有效性和通用性在谷氨酸发酵中的验证0204060010203040Time (h)Glutamate Conc. (g

17、/L)0510NH4+ & KetoglutarateConc. (g/L)(c)0204060800102030Time (h)Glutamate Conc. (g/l)0306090DO (%)(b)020406080010203040Time (h)Glutamate Conc. (g/l)DO=10%DO=30%(a)020406005101520Time (h)Glutamate & LactateConc. (g/L)03060DO (%)(a)谷氨酸谷氨酸乳酸乳酸谷氨酸谷氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸NH4-基于代谢网络模型的发酵过程在线控制和最优化技术在线最优化控制策

18、略01020304050010203040Time (h)Lactate Conc. (g/L)(b)020406080010203040Time (h)Glutamate Conc. (g/l)050100150200OUR (mol/m3h)OUR, DO10%OUR, DO50%谷氨酸谷氨酸乳酸乳酸DO=50%DO=10%DO=50%DO=10%LLsetsetsetDODOLKRkDOkDO)()() 1(*物理意义物理意义尽量降低尽量降低DO水平，保持细胞产谷氨酸的生理活性；而当水平，保持细胞产谷氨酸的生理活性；而当DO对对乳酸积累的增益乳酸积累的增益K的值过大时（乳酸严重积累），则

19、提高的值过大时（乳酸严重积累），则提高DO的控制水平。的控制水平。*增益增益K可以利用可以利用DO和（在线推定得到的）乳酸浓度时间序列数据，用最小和（在线推定得到的）乳酸浓度时间序列数据，用最小二乘回归迭代法加以确定二乘回归迭代法加以确定自回归移动平均模型（自回归移动平均模型（ARMA） 。3 3基于智能识别模型的流加培养过程在线控制基于智能识别模型的流加培养过程在线控制在线测定培养液中在线测定培养液中DODO、pHpH等最易等最易测量的状态变量的时间变化测量的状态变量的时间变化依据在线生理状态的识别结果确定基质最优流加策略、实依据在线生理状态的识别结果确定基质最优流加策略、实现微生物高密度培

20、养、和相应遗传产物的高效表达。现微生物高密度培养、和相应遗传产物的高效表达。 利用人工神经网络（利用人工神经网络（ANN）技术在线识别培养过程所处的生理状态技术在线识别培养过程所处的生理状态DODO和和pHpH时间变化模式与流加培养时间变化模式与流加培养过程生理状态存在一一对应关系过程生理状态存在一一对应关系通用性强、生理意义明确、通用性强、生理意义明确、仅需测定仅需测定DO和和pH（或（或RQ）。）。全新的控制模式全新的控制模式通用于基因重组大肠杆菌、酵母等微生物通用于基因重组大肠杆菌、酵母等微生物高密度流加培养系统，表达生产具有高附高密度流加培养系统，表达生产具有高附加值的医药品或生物酶的

21、发酵过程加值的医药品或生物酶的发酵过程大肠杆菌流加培养过程中大肠杆菌流加培养过程中DODO和和pHpH变化模式与生理状态的对应关系变化模式与生理状态的对应关系02550751000510时间（h）溶解氧浓度（%）8.20510时间（h）pH（-）212 12 121bca cacac03060901201500510时间(h)OD620(-)/葡萄糖浓度(g/L)010203050070090011000510时间(h)基质罐重量(g)图-2，使用原生大肠杆菌 k12 的基础实验。1：DO 振动；2：DO 非振动。a：pH 下限振动；b：pH 不振动；c：pH 上限振动。：细

22、胞浓度（OD620）：葡萄糖浓度。 DODO变化模式：变化模式：1 1）振动）振动2 2）非振动）非振动pHpH变化模式：变化模式：1 1）“高位高位”振动振动2 2）“低位低位”振动振动3 3）不振动）不振动状态状态I I：基质过量；状态基质过量；状态IIII：基质匮乏；基质匮乏； 状态状态IIIIII：基质浓度适中；基质浓度适中；状态状态IVIV：矛盾状矛盾状态。态。不同的DO和pH的变化模式组合代表了不同的生理状态实例实例DODO时间变化模式的人工神经网络在线识别模型时间变化模式的人工神经网络在线识别模型以以DO-Stat法为手段，生成法为手段，生成DO时间变化的基本模式时间变化的基本模

23、式的实验数据，并在此基础上刻意地施加一定规模的的实验数据，并在此基础上刻意地施加一定规模的人工模拟信号。得到可覆盖所有可能出现的模式、人工模拟信号。得到可覆盖所有可能出现的模式、通用型的通用型的ANN在线识别模型。在线识别模型。将所有时间变将所有时间变化模式数据提化模式数据提供给供给ANN进行进行大规模的学习大规模的学习训练。输出层训练。输出层输出单元输出单元O(3)=O1(3),O2(3)为为1,0时代时代表振动，表振动，0,1代表非振动。代表非振动。实例实例人工神经网络人工神经网络(ANN)在线识别模型的识别结果在线识别模型的识别结果利用利用ANN模型的模型的E.coli B流加培养溶氧浓

24、度时间变化模式识别的结果流加培养溶氧浓度时间变化模式识别的结果 实例实例依据在线识别结果的基质最优流加控制策略依据在线识别结果的基质最优流加控制策略E.coli 流加培养中、依据流加培养中、依据DO和和pH时间变化模式的状态判定和基质流加控制策略时间变化模式的状态判定和基质流加控制策略 DO 振动振动 MaxFkFkFkFkFTkFkF)(0)()()()1 () 1()(*流加主泵的调节方式流加主泵的调节方式基质浓度调节的控制框图基质浓度调节的控制框图依据模式识别结果确定过程所处的生理状态，并确定主泵调节方向反馈控制器反馈控制器（辅流加泵）（辅流加泵）主流加泵主流加泵发酵罐发酵罐(过程）过程

25、）DO, pHDO,pH设定值设定值DO, pHDO模式识别器模式识别器pH模式识别器模式识别器过程状态识别器过程状态识别器F* FF5在某些生物反应过程中，仅对反应单元进行优化难以取得理想效果。将生物反应视为一个系统，从优化系统内部各要素的功能和相互间的关系、系统与环境的关系入手使系统的结构、性能和状态达到最优 CO2+H2O +Organic acid(Ethanol) Precursor ATP ADP or AMP Glucose Product Regenerate ATP Demand ATP E.coliBrevibacterium ammoniagenesS.cerevisia

26、e计算机模拟的主要计算机模拟的主要结论：结论：*提高基质流加浓度是提高基质流加浓度是增强丁醇增强丁醇-丙酮生产强丙酮生产强度的最优途径；度的最优途径；*提高萃取相流速可以提高萃取相流速可以加大生产强度，但必加大生产强度，但必须要以大量增加能耗须要以大量增加能耗为代价；为代价；*采用两塔闪蒸的方法采用两塔闪蒸的方法不可能满足产品纯度不可能满足产品纯度要求（纯度要求（纯度 95%），），塔塔1必须要使用必须要使用2块塔块塔板以上的真空蒸馏；板以上的真空蒸馏；塔塔1的塔板数和回流比的塔板数和回流比控制在控制在2-3和和1.0-3.0间间为佳。为佳。6发酵过程在线检测关键技术的研究与开发发酵过程在线检

27、测关键技术的研究与开发乳酸葡萄糖谷氨酸尿素？两者间的连两者间的连接是关键接是关键1 1、高温灭菌、高温灭菌2 2、多参数时变性多相反应过程、多参数时变性多相反应过程体系体系1 1、线性范围窄、线性范围窄2 2、检测环境条件苛求稳、检测环境条件苛求稳定定3 3、稳定性较差，易受干、稳定性较差，易受干扰和失活扰和失活原位微量取样器的研制原位微量取样器的研制取样探头由探头园柱体（1）、膜过滤件（2）、膜外导流夹套（3）、导流接插件（4）、引出管（5）、套管（6）组成。 膜过滤件（2）采用陶瓷膜件，膜件为管状，膜层在内壁，支撑层在外，内径为6-10mm，外径为10-14mm。膜件长8-12mm，膜孔径0.1-0.2m。 在夹套（3）内壁做成螺纹状，用于导流，螺纹大径和小径之差小于2mm。 V =0.358ml2V =0.059ml1V=