谷氨酸发酵过程菌体浓度软测量的研究.pdf

第十七届中国过程控制会议论文集 谷氨酸发酵过程菌体浓度软测量的研究 1,2 1,2 1 2 王贵成 ，李凌 ，徐心和 ，姜长洪 （1.东北大学信息科学与工程学院 辽宁 沈阳 110004； 2. 沈阳化工学院信息工程学院 辽宁 沈阳 110142） 摘要：针对菌体细胞浓度是影响谷氨酸发酵过程重要的生物参数，而其在线实时检测难以实现的状况， 提出用人工神经网络方法对其进行软测量。通过对谷氨酸生产工艺过程的分析，找到影响菌体细胞浓度 的参数，从现场历史数据中选取样本，建立软测量模型。仿真结果表明对谷氨酸发酵过程菌体浓度的软 测量是可行的。 关键词：谷氨酸；菌体浓度；发酵过程；软测量；神经网络 0 引 言 在工业过程中，为了保证产品质量的连续平稳，需要对与产品质量密切相关的过程变量进行实时 监视和控制。然而在实际过程中存在一类变量无法或难以用传感器直接检测，只能通过采样离线人工 化验的方法得到，如分馏塔组分浓度、化学反应器的反应物浓度和产品组分等。这些参数直接或间接 地反映了生产过程的状态和产品质量，是工业生产过程中必须加以严格监视和控制的参数。为了解决 这类变量的测量问题，产生了软测量技术，这是一门有着广阔发展前景的新兴工业技术。软测量技术 作为一种解决不可测或难测量的产品质量指标的估计方法，成为目前和将来过程控制研究的一个重点 方向。 微生物发酵过程，如谷氨酸发酵，是一种复杂的、不确定的非线性动态过程，其影响因素繁多， 机理十分复杂。其中菌体细胞浓度是影响发酵过程的一个重要的生物参数，但目前尚无可行的实时在 线检测方法。本文采用软测量技术，利用可在线测量的过程参数，建立菌体细胞浓度的软测量模型， 以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，它将对提高产物的 质量，降低产物的成本，提高生产效率有着不可估计的作用。 [1] １ 谷氨酸发酵的工艺过程 谷氨酸发酵过程为间歇过程，是将碳源、氮源、无机盐等加入发酵罐内，接入一定数量的菌种， 菌种在合适的培养基、PH、温度和通风搅拌等发酵条件下，进行生长和合成谷氨酸的代谢活动。具体 过程：消毒后的谷氨酸培养液在流量监控下进入谷氨酸发酵罐，经过罐内冷却蛇管换热器将其温度冷 却至 32oC，置入菌种，通入消毒空气，经一段时间适应后，发酵过程即开始缓慢进行。谷氨酸菌摄取 原料的营养，并通过体内特定的酶进行复杂的生化反应。培养液中的反应物透过细胞壁和细胞膜进入 细胞体内，将反应物转化为产物。整个发酵过程一般要经历三个时期，即适应期、对数增长期和衰亡 期。每个时期对培养液浓度、温度、PH 值及供风量都有不同的要求。因此，在发酵过程中，必须为菌 体的生长代谢提供适宜的生长环境。经过大约 37 个小时的培养，当产酸、残糖、菌体光密度 OD 值等 指标均达到一定要求时即可放罐。 根据谷氨酸发酵的一般规律，整个过程分为长菌、过渡、产酸和接近放罐四个阶段。 （1）长菌阶段需时约 12 小时。用 X 表示菌体浓度，此时菌体经历调整适应、生长加速、对数增 长、生长减速和生长平衡等变化。这五阶段的溶解氧、排气中含 O 、CO 的值和它们的变化速率是随时 2 2 间变化的。例如，发酵到了 6 小时以后，菌体的加速期基本结束，进入对数增长期。这时六个参数为： 溶解氧的变化速率达每小时 5ppm 以上；溶解氧的绝对值降到 13ppm 以下；排出氧量的变化速率达每小 时 2%以上；排出氧含量的绝对值在 14%以下；排出 CO 的变化速率达每小时 2%以上；排出 CO 的绝对 2 2 值达 8%以上。 根据了解到的菌体生长各段情况，及时提拉风量。当发酵进行到 7 小时且 PH 值继续下跌至 7 左右 时，开始加氨水或尿素。 （2）过度阶段约占 4 小时。菌体光密度 OD 值逐渐趋于稳定