微生物發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制技術(shù)進(jìn)展

劉順

摘 要：微生物發(fā)酵過(guò)程控制技術(shù)的優(yōu)化決定著發(fā)酵工程的質(zhì)量與效益，文章對(duì)近年來(lái)微生物發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制技術(shù)的進(jìn)展做出了闡述，討論了發(fā)酵過(guò)程中主要的建模方法研究成果如機(jī)理分析建模、黑箱建模、混合建模等，并對(duì)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制的策略進(jìn)行了說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵過(guò)程；建模方法；優(yōu)化控制；策略；技術(shù)

1 概述

傳統(tǒng)的發(fā)酵工程過(guò)程為了快速提高發(fā)酵生產(chǎn)率與發(fā)酵水平，發(fā)酵過(guò)程更側(cè)重于菌種的篩選和改造上。隨著生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基因工程與代謝工程研究領(lǐng)域都出現(xiàn)了長(zhǎng)足的進(jìn)步與發(fā)展，利用基因重組與誘發(fā)等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)菌株普遍生產(chǎn)。但只有通過(guò)發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量最高、生產(chǎn)力最大、成本消耗最低的生產(chǎn)過(guò)程，因此對(duì)微生物發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制成為發(fā)酵工程中研究人員日益關(guān)注的焦點(diǎn)。

微生物發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制可以分為過(guò)程模型和控制策略。發(fā)酵過(guò)程建模如機(jī)理分析建模、黑箱建模和混合建模近年來(lái)都得到了快速的發(fā)展，而優(yōu)化控制策略方面的研究?jī)?nèi)容與成果有：基于線(xiàn)性化近似的經(jīng)典優(yōu)化控制、基于非線(xiàn)性系統(tǒng)理論的優(yōu)化控制以及基于人工智能技術(shù)的優(yōu)化控制等。

2 微生物發(fā)酵過(guò)程建模

2.1 基于過(guò)程機(jī)理分析的建模

發(fā)酵過(guò)程機(jī)理分析建模是利用各種生物方程以及基因尺度層面的模型，主要是根據(jù)回歸的方法確定模型參數(shù)。張嗣良等[1]從基因與細(xì)胞特性等方面進(jìn)行了發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的研究，對(duì)模型過(guò)程與本質(zhì)有了新的認(rèn)識(shí)，并得到發(fā)酵工程的限制條件；研究人員對(duì)畢赤酵母[3]的代謝過(guò)程進(jìn)行了研究，建立了相關(guān)結(jié)構(gòu)模型，為描述蛋白質(zhì)生成提供了有效途徑；還有相關(guān)的微生物發(fā)酵過(guò)程研究中，對(duì)賴(lài)氨酸進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模型的建立與數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過(guò)程仿真。機(jī)理建模僅僅包含了生物量與產(chǎn)物等狀態(tài)變量[2]，但由于發(fā)酵過(guò)程的復(fù)雜性，機(jī)理建模不能充分表達(dá)微生物發(fā)酵過(guò)程，還具有很大的局限性。

2.2 黑箱建模

黑箱建模是以最小二乘為基礎(chǔ)的回歸辨識(shí)為基礎(chǔ)建立的發(fā)酵過(guò)程模型，適應(yīng)性較高。以最小二乘回歸獲取[4]的過(guò)程建模，吸納了經(jīng)典控制方法的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)簡(jiǎn)單易操作，具有診斷功能。非線(xiàn)性函數(shù)研究廣泛應(yīng)用于過(guò)程建模，主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和支持向量機(jī)技術(shù)（SVM）。

2.2.1 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建模

ANN技術(shù)基于風(fēng)險(xiǎn)最小化研究被引入發(fā)酵過(guò)程，廣泛應(yīng)用于發(fā)酵過(guò)程建模。ANN在線(xiàn)校正能力強(qiáng)、適用于多變量非線(xiàn)性問(wèn)題的處理。L-色氨酸的發(fā)酵過(guò)程建模中，用標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法[5]模擬菌體的發(fā)酵產(chǎn)酸，但需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋，因此改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是提高ANN建模質(zhì)量的有效途徑。徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與BP網(wǎng)絡(luò)相比，可以達(dá)到最佳建模精度。自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、級(jí)聯(lián)再生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法也成功用于發(fā)酵過(guò)程建模。利用優(yōu)化算法可以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)優(yōu)化，避免網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法反饋慢，局限性小的缺點(diǎn)。

2.2.2 基于支持向量機(jī)技術(shù)的建模

SVM方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化，有效地解決了非線(xiàn)性以及局部極小等問(wèn)題。研究機(jī)構(gòu)對(duì)SVM方法的應(yīng)用越來(lái)越普及，SVM方法也廣泛應(yīng)用于圖像處[6]和生物學(xué)等方面。SVM方法相比ANN方法對(duì)發(fā)酵過(guò)程的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差降低，因此SVM具有穩(wěn)定性與安全性。張本法等對(duì)青霉素發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行基于SVM的建模，保證了建模的精度，還很大程度地節(jié)約了時(shí)間。SVM對(duì)樣本沒(méi)有較高的依賴(lài)性，它由向量決定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使模型結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的黑箱建模方法很容易受數(shù)據(jù)量和建模原理的影響，對(duì)于復(fù)雜的發(fā)酵過(guò)程在模型表達(dá)能力上有很大的制約。黑箱建模方法對(duì)于物理過(guò)程方程不夠重視，導(dǎo)致其不能表達(dá)發(fā)酵過(guò)程的物理意義。

2.3 混合建模

近年來(lái)，基于辨識(shí)方法估計(jì)參數(shù)的混合模型得到了發(fā)展，將機(jī)理建模與ANN建模結(jié)合起來(lái)，利用算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型的修正與簡(jiǎn)化，很大程度提高了模型精度。實(shí)驗(yàn)表明，混合模型比黑箱模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)性能更好，也具有更高的泛化能力，但混合建模屬于機(jī)理參數(shù)模型，描述發(fā)酵過(guò)程的功能仍不夠完善。

3 微生物發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制策略

3.1 基于線(xiàn)性化近似的經(jīng)典優(yōu)化控制

基于“極大值原理”經(jīng)典的優(yōu)化控制方法在早期發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制中應(yīng)用較為廣泛。在發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)空間描述中利用極大值原理以及迭代法可以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵的最優(yōu)實(shí)施效果。極大值原理方法適用于比較復(fù)雜的發(fā)酵過(guò)程控制對(duì)象，但極大值原理只能得到開(kāi)環(huán)控制，當(dāng)發(fā)酵過(guò)程中的計(jì)算量較大時(shí)，僅能對(duì)少數(shù)過(guò)程制定出優(yōu)化曲線(xiàn)，忽視了環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)的干擾。相關(guān)研究人員后來(lái)將極大值原方法融入理變量方法，得到最佳的變量?jī)?yōu)化曲線(xiàn)，控制效果較好，但是還沒(méi)有達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)精度與簡(jiǎn)便性；發(fā)酵過(guò)程的建模質(zhì)量對(duì)經(jīng)典優(yōu)化控制的發(fā)展產(chǎn)生了很大程度的影響。

3.2 基于非線(xiàn)性系統(tǒng)理論的優(yōu)化控制

20世紀(jì)60年代微分幾何方法的提出使非線(xiàn)性系統(tǒng)理論的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段，基于非線(xiàn)性?xún)?yōu)化控制器的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性，它在發(fā)酵領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛與普及。相關(guān)研究人員建立了非線(xiàn)性發(fā)酵空間模型，利用微分方法設(shè)計(jì)出來(lái)的控制器在發(fā)酵過(guò)程中展現(xiàn)出優(yōu)良的控制效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了非線(xiàn)性系統(tǒng)與線(xiàn)性系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，對(duì)控制器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了發(fā)酵控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)性。但數(shù)學(xué)幾何方法對(duì)系統(tǒng)的精度要求較高，由于發(fā)酵過(guò)程的復(fù)雜性，該方法不利于保證發(fā)酵控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 基于人工智能技術(shù)的優(yōu)化控制

利用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)結(jié)合人工智能理論對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制成為近幾年的發(fā)酵過(guò)程研究的熱點(diǎn)，人工智能技術(shù)能突破很多復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，主要包括專(zhuān)家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。利用智能方法對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制，在研究與仿真中呈現(xiàn)出優(yōu)良的效果。研究人員建立了基于乙醇生產(chǎn)的專(zhuān)家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了乙醇發(fā)酵過(guò)程的發(fā)酵單元的檢測(cè)，系統(tǒng)的誤差非常小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了提高。但智能控制方法在模擬活動(dòng)時(shí)仍存在局限性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的確定具有不可控性，因此智能方法交叉成為目前急需研究的發(fā)酵控制的技術(shù)問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)酵過(guò)程機(jī)理較為復(fù)雜，由于沒(méi)有對(duì)發(fā)酵過(guò)程的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)，“黑箱”模型不能很好的描述及表達(dá)整個(gè)發(fā)酵過(guò)程，利用辨識(shí)方法對(duì)參數(shù)的估計(jì)也沒(méi)有起到全面描述的作用；單目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制也無(wú)法滿(mǎn)足發(fā)酵過(guò)程最優(yōu)化。我們應(yīng)充分考慮模型辨識(shí)，利用智能理論完善各種機(jī)理的混合模型，研究出多目標(biāo)動(dòng)態(tài)性的優(yōu)化策略，真正解決微生物發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制。

參考文獻(xiàn)

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