张嗣同 发酵工程第九章：发酵过程优化与放大概论(精品课程)6-1

发酵过程优化与放大概论华东理工大学国家生化工程技术研究中心（上海）庄英萍本章提要►生物反应器过程的多尺度理论──发酵过程优化与放大基础►发酵过程优化控制中的方法和手段►发酵过程优化控制举例第一部分生物反应器过程的多尺度理论──发酵过程优化与放大基础•仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度、pH、DO等•缺乏微观的实时的代谢调控代谢调控研究代谢工程研究发酵过程酶学研究的困难过程数据采集和处理的困难发酵工艺优化研究的基本思路发酵罐单一生理调控机制，缺乏全局性的概念•测量参数及其变化的意义缺乏理解•最佳工艺控制点为依据的静态操作方法，只是化学工程宏观动力学概念在发酵工程上的简单延伸•缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容背景和原理不同尺度的网络状态关系►生命所特有的信息流、物质流、能量流►具有“变化着的结构”不仅是线性或动力学因素►跨尺度测量与控制往往以各自研究的技术背景从单一尺度去理解和分析研究生物过程的特点呈网络多输入多输出关系•不是简单的统计热力学关系•网络结构表现在不同尺度的网络状态的互动关系───多输入多输出关系•信息流、物质流和能量流，•生命属性所特有的时空串联反应关系•微生物代谢流───网络研究的的核心问题具有“变化着的结构”当生物反应器尺寸或操作条件变化时，发生的结果变化不是简单的用线性关系或平均统计方法所能描述的物质状态的变化。导致过程变化的原因除了线性或动力学因素之外，往往还发生在系统结构性的突变。跨尺度观察与操作•工业规模的生物过程只能在反应器尺度上进行测量与操作•可以从低一尺度层次的规律或性质，来预测研究另一尺度层次的规律或性质•多尺度综合与各子过程的相互量化关系，澄清不同尺度间相互作用和耦合的原则和条件•跨尺度操作是难题，分析跨尺度问题往往需要纳入跨学科和跨技术的手段第二部分发酵过程优化控制中的方法和手段数据驱动型方法复杂性多容量过程高度非线性线性或拟线性关系的数学摸型发酵生产完整过程发酵过程参数趋势曲线相关数学模型、静态和动态优化、系统识别、自适应控制、专家系统、模糊控制、神经元网络、各种混沌现象的研究困难动态性不可预测性跨尺度观察方法和装备技术研究基本方法●基于参数相关的发酵过程多水平(尺度)问题研究的优化技术●发酵过程多参数调整的放大技术多参数趋势曲线相关区分三个水平(尺度)问题生物反应器的传递与混和细胞代谢流的迁移不同环境条件下的代谢动力学特征基因水平的启动与表达…用于发酵过程数据优化与放大的专用装置以生物反应器中的观点，在实验室规模发酵罐，具有十四个以上发酵过程在线参数检测或控制。在原理上与现有国内外生物反应器有重大区别。物料流检测专门用于发酵过程优化与放大研究用的FUS-50L(A)发酵罐软件设计数据处理功能BlORADAR。•在线检测参数•实验室手工测定参数•间接参数(代谢流特征或工程特征)•适应多种反应器特点•融合多种过程理论和控制理论•工艺分析与操作•远程通讯与异地数据传送和分析关键技术计算机控制与数据处理软件包适应多种反应器特点，融合多种过程理论和控制理论，便于发酵过程工艺分析和优化操作。代谢曲线对照