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生物反应器过程的多尺度理论 ── 发酵过程优化与放大基础

第八章 发酵过程优化与放大

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

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发酵罐的比拟放大 p298 一、比拟放大的内容： 二、比拟放大的依据： 1 、单位体积液体的搅拌消耗功率 2 、搅拌雷诺准数 3 、溶氧系数 4 、搅拌桨末端线速度 5 、混合时间 6 、通过反馈控制条件，尽可能使重要环境因子一致。

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三、比拟放大和它的基本方法

比拟放大 : 是把小型设备中进行科学实验所获得的成果在大生产设备中予以再现的手段，它不是等比例放大， 而是以相似论的方法进行放大。

发酵工程中所用的比拟放大方法有：等 KLa, 等 πDN, 等 Pg/V, 等 Re 或动量因子 , 相似的混合时间等。

生物反应器 —— 典型的具有时空多尺度结构的复杂系统

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经典的以动力学为基础的工程学概念

系统结构性变化的非线性特征

具有“变化着的结构” 由于不同尺寸的边界条件难以区分，甚至还未能发

现，就造成系统结果的差异或最优过程的严重偏离

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不同尺度的网络状态关系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 以往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，现在跨尺度测量与控制

第一部分第一部分 生物反应器过程的多尺度理论

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生物反应器过程的多尺度理论

呈网络多输入多输出关系

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─── 网络研究的核心问题

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第二部分 第二部分 发酵过程优化控制中的方法和手段

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

动态性不可预测性

数据驱动型方法

复杂性多容量过程高度非线性

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发酵过程的参数相关分析

参数曲线相关分析的优势参数曲线相关分析的优势

参数相关耦合的定义参数相关耦合的定义

发酵过程参数检测的意义发酵过程参数检测的意义

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参数相关基本特性参数相关基本特性

各种直接参数、间接参数以及手工测定的实验室参数随着发酵过程的进行而变化，并且参数间发生某种耦合相关，这种参数相关反映了发酵过程多尺度（水平）的问题特征。

发酵过程参数相关分类

理化相关 纯属物质理化性质变化所引起的参数相关生物相关 生物相关是指通过生物细胞的生命活动所引起的参数之间耦合相关

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DO

OUR

CLC

Rpm ↓ DO ↓

当ＤＯ低于临界氧浓度（Ｃ

Ｌｃ ) 时，ＯＵＲ下降，细胞

代谢由好氧向厌氧途径迁移。分子水平基因工程血红蛋白 hemoglobin (VHB)对氧的亲和力提高（由图所示），临界氧下降。

VHB

不同尺度问题相关的举例不同尺度问题相关的举例

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• Study on Industrial Fermentation Process

on Multi-scale and Its Optimization , Advan

ce Biochemical Engineering/ Biotechnology ,

2003 Volume （ 87 ） : Biomanufacturin

g 2004 年 3 月出版

多尺度微生物过程优化 化学工业出版社

第三部分 发酵过程优化控制举例

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本 章 要 点

1 目前发酵罐放大的主要依据；2 发酵过程放大与优化的关键之处；生

物反应器多尺度理论的主要内容及依据。