基于呼吸商在线检测的谷氨酸发酵过程控制研究

论文摘要

本论文以谷氨酸发酵为研究对象,在实验的基础上运用数学建模和计算机仿真对其发酵过程的优化和控制进行了研究。在利用谷氨酸棒杆菌S9114进行谷氨酸发酵过程中,通过代谢网络模型计算发现,控制不同的RQ(呼吸商)水平与代谢通量在谷氨酸、乳酸和TCA循环三者之间的分配有密切的关系。因此,确立了基于RQ在线测量的平衡代谢控制策略,以达到调节TCA循环代谢通量,从而实现提高谷氨酸浓度、抑制代谢产物的目标。通过分析RQ对于搅拌速度大辐阶跃式变化的时间响应,我们发现对RQ的控制可以通过调节转速来实现。为此我们通过转速的PI反馈控制器来实现对RQ的控制,从而使TCA循环的代谢通量保持在一个合适的水平以实现谷氨酸发酵过程的优化,但是,由于RQ和搅拌转速之间存在着响应滞后,RQ的控制性能还有待进一步提高。为此,在取得基本数据后,在RQ与搅拌转速有响应关系的前提下,建立了搅拌转速与RQ之间的动力学模型,并用Matlab软件Simplex(单纯型法)法确定了方程参数。由于在发酵实验中传统的PI反馈控制对RQ的控制性能较差,因此我们建立了一个基于自回归移动平均模型的在线自适应PI反馈控制器,试图对发酵过程控制中的反馈控制器的控制参数进行实时调节,以适应发酵过程时变性特征。通过计算机仿真发现,在不考虑滞后时,无论模型结构是否发生变化,自适应PI控制比传统的PI控制的控制性能要好,并有不需要进行人工整定PI控制参数的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 发酵过程控制概述
• 1.1.3 发酵过程控制和优化的研究现状及发展趋势
• 1.1.4 发酵过程建模概述
• 1.1.5 计算机仿真概述
• 1.2 立题意义
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第二章 基于RQ 反馈的谷氨酸发酵的在线优化与控制
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 培养方法及条件
• 2.2.3 分析方法
• 2.2.4 实验设备
• 2.3 以RQ 为反馈指标的发酵过程控制策略
• 2.3.1 谷氨酸的代谢网络简图及不同操作条件下谷氨酸的代谢情况
• 2.3.2 基于RQ 反馈控制的谷氨酸发酵平衡代谢控制策略
• 2.4 以RQ 为反馈的PI 控制系统的建立
• 2.4.1 谷氨酸发酵过程 RQ 的可控性
• 2.4.2 以RQ 为反馈指标的PI 反馈控制系统的设计和参数调整
• 2.4.3 PI 控制器参数的整定
• 2.5 利用PI 控制器在线控制RQ
• 2.5.1 PI 控制器的实现
• 2.5.2 以RQ 为反馈指标的PI 反馈控制实验及结果
• 2.6 本章小结
• 第三章 以RQ 为控制对象的发酵过程建模及PI 控制仿真
• 3.1 引言
• 3.2 建模方法
• 3.2.1 过程建模方法
• 3.2.2 模型参数辩识方法
• 3.3 微分方程模型建立及参数优化结果
• 3.3.1 过程模型的形式
• 3.3.2 模型参数辨识
• 3.4 不考虑滞后情况时不同PI 控制参数的仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于自回归平均移动模型的自适应PI 控制发酵仿真
• 4.1 引言
• 4.2 自适应PI 控制系统原理与方法
• 4.2.1 自回归平均移动模型
• 4.2.2 自回归模型参数的确定
• 4.2.3 不考虑滞后时自适应PI 控制参数调节
• 4.3 基于自回归移动模型自适应控制系统实验仿真
• 4.3.1 基于自回归移动模型自适应控制系统
• 4.3.2 无滞后时基于自回归移动模型自适应控制仿真实验
• 4.3.3 无滞后时模型参数较大幅度变化时控制仿真实验
• 4.3.4 考虑滞后时基于自回归移动模型自适应控制仿真实验
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文