[發明專利]一種發酵生產過程控制方法及應用

有效

• 申請號: 201010207208.2
• 申請日: 2010-06-23
• 公開（公告）號: CN101859106A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 王偉;陳峰;王海清
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于工業控制領域，具體涉及發酵生產過程控制方法及應用。

背景技術

發酵過程廣泛應用于生物制藥、食品加工等行業。發酵過程優化是發酵工程生產中的主要問題，是在已提供菌種和放罐條件的基礎上，尋求使產能/成本比最大，產品質量最好的操作工藝。發酵過程優化是一個動態優化問題：沒有穩定的工作點、時變和非線性的動力學特性、存在生產約束。

隨著提高產品質量的需求和市場競爭的加劇，發酵過程的優化與控制受到廣泛重視。發酵過程優化的關鍵在于最優補料曲線的確定與調整。由于發酵過程的復雜性，目前發酵生產過程基本是通過人工分析實驗數據得到可行的操作工藝，經放大進行工業生產，但該工藝并不是最優的，控制不同的操作條件，基本相同的投料量也會得到完全不同的產量，而且整個生產過程處于開環狀態，過程擾動和參數變化等不確定因素對最終的產品質量影響很大。

發明內容

本發明提供了一種能夠有效補償發酵生產過程中的不確定性對產品性能指標的影響，實現對發酵生產過程產量的閉環優化控制的發酵生產過程控制方法。

一種發酵生產過程控制方法，包括以下步驟：

(1)以發酵生產過程中產量最大化為目標，從離線發酵過程模型解析得到離線發酵生產過程中的最優補料曲線的解析表達式；其中，所述的從離線發酵過程模型解析得到的離線發酵生產過程中的最優補料曲線由最大極值弧、最小極值弧和奇異弧組成，與其對應的所述的解析表達式為三段表達式；

以發酵生產過程中產量最大化為目標，從離線發酵過程模型計算得到離線發酵生產過程中的最優補料曲線的數值解和最優狀態變量的數值解；

將離線發酵生產過程中的最優補料曲線的解析表達式與數值解相結合，確定離線發酵生產過程中的最優補料曲線的實際表達式；

其中，所述的從離線發酵過程模型解析得到發酵生產過程中的最優補料曲線的解析表達式，是基于極大值原理，利用最優性必要條件，對離線發酵過程模型求解實現的。離線計算時，不考慮實際發酵生產過程中的不確定性因素，此時的離線發酵生產過程模型為標稱模型。

其中，所述的從離線發酵過程模型計算得到離線發酵生產過程中的最優補料曲線的數值解和最優狀態變量的數值解，包括以下步驟：

將補料速率離散化，利用離線發酵過程模型的最優性必要條件，采用數值優化方法求解離散后補料速率的非線性規劃問題，得到離線發酵生產過程中的最優補料曲線的數值解和最優狀態變量的數值解。

其中，所述的離線發酵生產過程中的最優補料曲線的實際表達式，包括：所述的最優補料曲線的解析表達式的實際組成、組成順序以及切換條件。所述的狀態變量為底物濃度、微生物濃度或產物濃度。

所述的基于數值優化方法、極大值原理及最優性必要條件，確定保證產量最大化的最優輸入曲線分段表示形式、所需跟蹤的最優狀態變量及分段之間的切換條件；該方法既是一種定性分析，得到最優輸入曲線的結構及所需跟蹤的狀態變量；也是一種定量分析，得到狀態變量的最優值作為跟蹤控制的目標值。

(2)將步驟(1)計算出的最優狀態變量作為目標值，采用通用模型控制算法，建立實際發酵生產過程的反饋控制回路，在狀態變量偏離最優值時，通過實時調節補料速率，使得狀態變量趨近于最優值，從而通過對狀態變量最優值的實時跟蹤來實現發酵生產過程中產量最大化。

所述的通用模型控制算法，詳見P.L.Lee，等.在題名為“Genericmodel?control(GMC)”(Comp.Chem.Eng.，1988，vol.6，573-580)中所公開的內容。

以優化過程中經一次離線計算得到的最優狀態值最為目標值進行跟蹤控制，閉環反饋回路保證過程的最優性及魯棒性，將無穩定狀態的間歇過程的優化問題轉化為控制問題，以消除實際發酵生產過程中的不確定因素對生產產量的影響。

本發明還提供了所述的發酵生產過程控制方法在釀酒酵母酶的發酵生產過程中的應用，包括以下步驟：

(1)以釀酒酵母酶的發酵生產過程中產量最大化為目標，從離線發酵過程模型解析得到離線發酵生產過程中的最優補料曲線的解析表達式；

以釀酒酵母酶的發酵生產過程中產量最大化為目標，從離線發酵過程模型計算得到離線發酵生產過程中的最優補料曲線的數值解和葡萄糖濃度的最優數值解；

將離線發酵生產過程中的最優補料曲線的解析表達式與數值解相結合，確定離線發酵生產過程中的最優補料曲線的實際表達式；