面向最优调度的2-KGA发酵动力学和气升反应器模型化研究

我国是维生素C的全球供应方。然而，迄今维生素C生产过程的关键工段（2-KGA发酵）的控制和调度仍处于半经验操作水平。其结果是产量波动大、资源和能源综合利用率低。针对这一现状，最优调度是挖掘现有生产潜力的有力手段，为此，产量预报是问题的关键。本课题将从维生素C发酵过程动力学和反应器流动模型入手解决这一问题。在研究方法上，本课题将结合发酵过程代谢途径分析和产物生成机理，建立基于化学计量关系的关键反应速率（菌体生长、基质消耗、产物生成速率）模型。气升式发酵罐反应器模型建模时，将采用两相三维CFD仿真和冷模验证相结合的方法研究流体力学变量（气含率、循环液速等）的动态分布，确定不同流动特性区域的边界、返混程度等，进而为简化的反应器模型提供支持。由动力学模型和反应器模型构成的模型系统将采用工业气升发酵数据进行验证。进一步，辅以参数滚动更新算法，将研究基于模型的产量预报。理论研究意义和工业应用价值重大。

虽然中国提供了世界80%的维生素C原料药（2-酮基-L-古龙酸，即2-KGA），但国内大部分2-KGA生产厂的控制和调度仍处于半经验操作水平。其结果是产量波动大、资源和能源综合利用率低。针对这一现状，本课题将从三个方面展开了应用基础研究。一是基于两相三维计算流体力学仿真，研究了主流生产设备内循环气升式生物反应器的结构参数优化问题，包括内外筒直径比、喷嘴结构等的优化。仿真结果得到了自主设计的冷模实验装置的验证，并形成了合作单位气升式发酵罐的结构参数设计企业标准。而是开发了基于代谢途径分析和动态化学计量平衡的2-KGA混菌发酵动力学宏观动力学模型，并完成了模型的实验验证。进行了旨在提高2-KGA产率的流加补料实验研究，比较了流加方式（恒速流加和灌注式流加）的影响，得到了恒速流加为最适补料方式的结论。三是研究了基于支持向量机技术的2-KGA混菌发酵产量预报问题。采用滚动学习-预报技术使超前4-8小时的产量和产物浓度的预报进度达到了3-4%。进一步，基于投入产出衡算建立了2-KGA发酵过程创利能力的评估指标—效益函数。采用多反应器并行发酵车间效益函数分析结果表明，现有2-KGA生产的发酵周期和二次补料存在优化潜力。拟在线测试结果表明，发酵周期调度和二次补料优化能产生2-3%的经济效益增量。基于上述研究成果已经申请专利3项、软件著作权4项、气升罐设计企业标准1项。受项目资助，发表研究论文21篇，其中SCI影响因子超过2.0的论文6篇，培养博士后1名、博士3名、硕士2名，2013年还将毕业博士3名、2014年毕业硕士1名。