[發明專利]使產物收率最大化的補料-分批發酵設備的在線優化方法

無效

• 申請號: 200680055346.5
• 申請日: 2006-07-14
• 公開（公告）號: CN101484572A
• 公開（公告）日: 2009-07-15
• 發明（設計）人: B·巴迪斯里尼瓦薩;J·莫達克莫雷施沃
• 申請（專利權）人: ABB研究有限公司
• 主分類號: C12N1/00
• 分類號: C12N1/00;C12P1/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 劉 冬;劉 玥

發明背景

發明領域

本發明涉及補料-分批發酵設備的在線優化。該發酵設備具有基于計算機的數據采集和控制系統，以最佳方式控制底物補料速率曲線(profile)，以使發酵罐的產物收率最大化。

先有技術的描述

發酵工藝廣泛地用于食品和制藥工業中，以生產各種產品如酒精、酶、抗生素、維生素等。這些過程包含微生物的生長、使用供給的底物和/或營養素和期望的產品的形成。在精確控制的工藝條件如溫度、pH和溶解的氧下，在攪拌罐或其它類型的生物反應器中進行這些過程。由于在細胞內發生復雜的生化反應，將底物和/或營養素控制在合適的水平對于產品的形成是必需的。許多發酵過程以補料-分批方式進行，其中在整個發酵時期將底物連續補料進入反應器，而不取出任何發酵發酵液。已發現了該類型的底物補料克服了效應例如底物對產率的抑制。通常的工業實踐是基于操作經驗發展底物補料速率的參考曲線，在裝置中通過合適的調節實施它，以說明發酵罐的實際條件。該方法在本質上完全根據經驗和依賴操作者，導致產率的變化。或者，將發酵過程的數學模型用于離線計算最佳底物流速曲線，在實際發酵設備中實施它以使產物收率最大化。

文獻報導了用于使補料-分批工藝的產率最大化的許多不同的優化方法和策略。依靠計算最佳補料曲線的詳細數學模型的優化方法和考慮發酵過程中存在的動力學和傳送現象的模型已經用于發酵設備的優化。用來使產率最大化的控制變量一般為在恒定底物濃度時的底物(如糖)補料速率。

Modak和Lim[1]闡明了基于奇異控制理論的用于補料-分批發酵工藝的補料速率的反饋優化，并在簡化的發酵罐模型上試驗。因為發酵過程表現出時變行為，所以反饋控制方案的成功取決于模型參數的可靠性，參數的不確定性導致優化方案的性能退化。

Cuthrell和Biegler，[9]提出了基于在有限元件上的SQP(分段二次編程)和正交配置的同步優化和解決策略，得到的結果與用于模擬的補料-分批發酵罐模型的基于變分法的傳統方法得到的結果類似。該考慮的模型不包括溶解的氧對生物量生長和產物形成速率的影響。

Kurtanjek[6]提出了基于正交配置技術的方法，將其應用于最佳補料速率、進料底物濃度和溫度的計算，并將約束賦予控制變量和狀態變量。該考慮的發酵罐模型包括溫度對比生長速率常數的影響。

Foss等，[10]遵循基于操作者制度的建模方法，以在幾個局部線性模型中表達發酵罐模型，使用SQP以優化平均產物形成速率。該方法在局部線性模型的闡明方面需要相當大的努力，參數的估算所需的數據大約幾百個，比非線性模型的識別所需的數據明顯的多很多。Hilaly等，[11]通過執行得自龐特里雅金氏最大原則的優化策略，證實了實驗室補料-分批發酵罐設備的實時優化。報導了與常規補料-分批發酵相比改善的產率和生產力。用于優化計算的發酵罐模型為簡化模型，其中假定底物的比消耗速率和產物的比形成速率和生物量的比生長速率成線性關系，獨立于發酵液中的溶解的氧濃度。該假定在實際裝置環境中是無效的。Van?Impe和Bastin，[4]提出了用于最佳適應控制的方法論，并在補料-分批發酵罐的模擬模型上試驗。然而，該方法僅適用于特征為在生物量生長和產物形成之間去耦的發酵過程。

Banga等，[7]使用隨機直接搜索法，以計算用于補料-分批發酵工藝的最佳補料速率，并報導了在模擬研究中改善了的性能。然而，由于干擾的存在和發酵過程的時變行為，這樣的開環最佳控制策略在實際情況中是不夠的。在這樣的情況下，模型參數需要在線更新，最佳路線需要基于最新模型和狀態信息重新計算。

Mahadevan等，[12]提出了基于平面的優化方案，并通過在簡化的補料-分批發酵罐模型上模擬而試驗該優化方案。在真的發酵罐上實施這樣的優化方案需要進一步的工作，因為模型比在他們的研究中考慮的模型更復雜。