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1、发酵过程控制与优化史老师2014模拟考试一.选择题（正确打7、错误打X。多选可。每一心打对得X分，共XX分）1）下列说法哪一（几）种是正确的？A）被控变量的控制水平（设定值）发生变化后，被控变量的响应速度要尽可能地快。7B）PID反馈控制系统中的积分动作I可以消除过程的定常偏差（tT8的偏差），因此，I动作是PID反馈控制系统的最基本要素。XC）PID反馈控制系统中的比例动作K可以在改变控制水平（设定值）后、改善被控变量的响应速度，其取值越大越好。XD）控制发酵过程的某一状态变量于某一预先恒定水平，就是为了提高发酵过程整体性能（目标产物生产效率、最终浓度、转化率等）。只有发酵性能可以得到提高，
2、上述状态变量能否准确地控制在设定水平上并不十分重要。72）“葡萄糖效应”指的是：A）葡萄糖或其他碳底物的浓度过高，导致培养基渗透压增加、细胞无法正常生长。XB）葡萄糖或其他碳底物的浓度太低，细胞无法正常生长和代谢，导致溶解氧无法消耗、其浓度居高不下。XC）葡萄糖或其他碳底物的浓度超过某临界水平，即使供氧、保持好氧环境、溶解氧浓度得到控制，厌氧代谢副产物也会生成积累。7D）溶解氧浓度太低，使得好氧型的细胞/微生物无法正常代谢葡萄糖或其他碳底物。X3）以下哪些控制措施可以在一定程度上防止“葡萄糖效应”的发生？A）将溶解氧浓度控制于某一恒定水平。XB）适度限制碳底物的流加速度，使过程处于“碳底物律速
3、”状态。7C）使用指数法流加法、以较高的细胞比生长速度（卩）流加底物。XD）使用pH-Stat法流加底物。74）以下变量哪些是纯粹的过程控制变量（操作变量），而不能同时看作是过程的状态变量？A）溶解氧浓度。XB）通气速度和搅拌速度。7c）底物流加浓度。7D）细胞比生长速度。X5）以下哪一（几）种说法是正确的？A）前馈控制不需要测量任何状态变量、简单实用。但是，能不能真正改善发酵过程性能完全取决于相关动力学模型是否准确可靠。7B）反馈控制系统的可（在线）测量变量只能有1个。Xc）反馈控制系统的输出、也就是（发酵）过程的输入，即控制变量（操作变量）只能有1个。XD）一般（通常）情况下，反馈控制系统
4、考虑的是单输入单输出（SISO）系统。76）下列说法哪一（几）种是正确的？A）DO-Stat基质流加法是依靠DO的连续不断的振动来实现的。VB）衡量反馈控制器性能指标的最重要标准就是要看它是否稳定。7c）模糊控制是一种特殊和有效的反馈控制系统。7D）发酵过程反馈控制系统的控制精度很重要。X7）下列说法哪一（几）种是正确的？A）在细胞培养期产生出现的代谢副产物对发酵后期目标产物（如外源蛋白等）的表达没影响。XB）只要用某种手段将发酵前期（培养期）产生的代谢副产物除掉，则发酵后期目标产物（如外源蛋白等）的表达就一定安然无事。Xc）保持发酵产物的浓度/活性一直稳定在某一水平之上比偶尔大幅度提高该浓度
5、/活性更重要。7D）确保发酵性能的稳定单靠使用在线反馈控制是解决不了的。78）有关模糊推理和模糊控制器，以下说法哪一（几）种是正确的？A）模糊推理（解模糊规则）的结论一定要是确定的（确定值）。7B）模糊规则条件部分（IF后）的内容不同，则结论部分（THEN后）的结论也一定不同。XC）一般情况下，模糊规则条件部分（IF后）的变量是状态变量。7D）在构建模糊规则时，要尽可能地细化条件部分（IF后）变量的类别（中、高、低等）、进而得到更多的模糊规则，提高控制精度。X9）在构建模糊反馈控制系统过程时：A）将基于人工神经网络的模式识别模型与模糊控制系统相结合，可以自动添加必要的模糊规贝U、删除/修改错误
6、的规则，提高控制性能。XB）将基于人工神经网络的模式识别模型与模糊控制系统相结合，可以自动调整相关的模糊成员函数，改善控制性能。7C）如果对某前置部（IF后，条件变量）成员函数只划分“高”和“低”两个类别，则一般认为不需要对于该（条件）变量进行控制。7D）构建模糊控制系统，除了计算机软件知识外，对发酵过程没有深厚的感性认知和长年的操作经验也是不行的。710）以下说法哪一（几）种是正确的？A）如果对某前置部（IF后，条件变量）成员函数划分“适中”这样一个类别，则该成员函数隶属度=1的最高点或范围就是理想中的控制水平或范围。7B）无法对模糊反馈控制系统的稳定性进行理论探讨。7C）模糊推理/控制中的
7、MIN-MAX解模糊规则是普适方法。XD）模糊控制系统不太适合处理多输出（多可测状态变量）和单输入变量（单操作变量）的过程。X11）有向线图理论/模型是研究探讨发酵过程的一个方法。A）该模型可以直接用于确定发酵过程的控制变量。XB）该模型的特点是，输入点到输出点的路径有多条、路径有方向性、存在复杂闭环回路。C）该模型可以用于提出改善发酵性能的有效优化手段。D）该模型可以预测目标产物的得率。12）使用有向线图模型时，以下操作处理很重要：A）按Mason定理计算所有输出点和所有输入点之间的总传递函数。XB）找到有关的、全部向前路径和所有闭环回路，确定它们的个数。7c）确定某节点与其相临节点间、以及
8、各闭环回路的传递函数。7D）确定各闭环回路间有无接触即可。X13）代谢网络模型中的“超定系统”是指：A）代谢模型方程式的个数比未知变量的个数少。XB）代谢模型方程式的个数比未知变量的个数多。7C）代谢模型方程式的个数等于未知变量的个数。XD）可测量的速度参数超量，需要利用“最小二乘法”确定最优解。714）下列变量可以作为代谢网络模型输出的有：A）代谢产物浓度。XB）CO2释放速度CER。7C）O2消耗速度OUR。XD）葡萄糖消耗速度。X15）以下哪些参数是发酵过程真正的性能指标？A）目标代谢产物的浓度或效价。7B）溶解氧浓度DO。XC）CO2释放速度CER。XD）目标产物对底物的转化率。7二填
9、空题（每1空答对XX分，共计XX分）1）将代谢网络转化成为有向线图网络，就形成了有向线图模型。之后，中间分流点走向相应后续节点间的传递函数（系数）,要么由形成竞争关系的、催化分流支路的生物酶对的活性配比来决定，要么通过比对最终代谢产物的比例、使其与公认的数值相一致来确定。没有分叉的节点与其相临节点间的传递系数，一般由两点间的化学计量系数所决定。2）反馈控制器的3个主要性能指标包括：定常偏差（tTm时的控制偏差），响应速度（设定值变化后，被控变量追踪新设定值的速度），和稳定性。对于具有高度非线性和时变性特征的发酵过程，反馈控制器的稳定性和响应特性指标比较重要。3）发酵过程中，2级状态参数的控制比
10、较困难。它既要求在线测量与其相对应的1级状态参数，还要考虑如何处理测量杂音的问题。一般来说，细胞比生长速度和碳底物比消耗速度等2级状态参数还可以凑合、将就地控制，但OUR和CER等2级状态参数则基本无法控制。4）发酵过程中的状态参数测量杂音很大。因此，在实际的发酵过程控制中，PID反馈控制器中的微分（D）动作，一般很少使用或不使用。5）模糊控制多用于可在线测量的状态变量有多个，而控制变量（操作变量）仅有1个的所谓多输出单输入（SIMO）体系。此时，隐含在多个可测量状态变量中的有用信息情报可以得到充分利用，控制系统的一比较强。6）发酵过程优化控制的目标就是改善发酵生产的性能和指标，而性能指标主要
11、包括：目标产物浓度效价、目标产物的生产效率、碳底物对目标产物的转化率、和生产稳定性和无故障。7）利用甲醇营养型毕赤酵母生产表达外源蛋白、流加甲醇时，常常出现甲醇“中毒”现象。从过程控制角度来看，甲醇“中毒”现象的出现有两个原因：1）甲醇浓度的测量值存在对甲醇流加的响应时间滞后，2）甲醇浓度在线反馈控制系统（如比例常数K、积分常数t等）设置不当，存在控制系统稳定性差或被控变量过头量过大等问题。8）耗02速度OUR、CO2释放速度CER属于2级测量或状态变量。上述速度通常取决于细胞浓度的变化，以及接种时和发酵前期的细胞生理状态。靠调节搅拌速度或底物浓度来控制OUR和CER是基本不可能的。9）当代谢
12、网络模型的代谢方程式的个数小于未知代谢反应速度的个数时，该模型属于未定系统。理论上，在不课加任何限制条件的前提下，代谢网络模型无法求解，未知代谢反应速度算不出来。这时，可以规定.适当的线性目标函数（如r，.最小等），以NADH代谢方程式本身为.限制条件，利用线性规划法对模型进行求解。10）典型的流加发酵/培养过程前馈（开环）控制系统有：指数流力口、恒速流加、和按预先设定的最优轨道进行流加，等。保证发酵过程前馈（开环）控制系统性能优良的最基本条件描述发酵过程的动力学模型足够精准可靠。问答题（XX分）利用甲醇快速利用型重组毕赤酵母生产某外源蛋白。假定甲醇浓度决定诱导水平，利用可在线监测的溶解氧浓度
13、（DO）和耗O2速度（OUR）可判断甲醇浓度不足/适中/过量。在此基础上建立一个合理的模糊控制系统来调节甲醇流加速度、控制甲醇浓度，实现外源蛋白诱导表达系统的优化、提高外源蛋白的浓度。同时再假定：1）以某一恒定速度流加纯甲醇，该速度为基准甲醇流加速率F*;2）DO和OUR在线可测；3）甲醇浓度过高对细胞代谢和蛋白合成有毒性作用，细胞有迅速死亡的危险，表观体现在DO居高不下、OUR低；甲醇浓度过低也不能进行有效的蛋白诱导，也表观体现在DO居高不下、OUR低这个问题上。4）OUR高则间接体现甲醇浓度适中或还有（诱导强度）进一步提高的余地；5）模糊控制系统的条件部（IF）变量是DO和OUR，结论部（
14、THEN-）变量是对基准甲醇流加速率F*的修正量4F。总甲醇流加速度为F=F*+AF。6）将条件变量（测量变量）DO（0-100%）划分成“HIGH、MEDIUM、LOW”3个档次，OUR分成“HIGH和LOW”两个档次。将结论变量（操作变量）甲醇流加速度修正量AF（-F*F2F*）划分成“NL（大减）、NS（小减）、ZE（不变）、PS（小增）、PL（大增）”5个档次。问题：1）提出你认为相对比较合理的、所有全部模糊控制规则；2）粗略画出前置部（IF，DO和OUR）和后置部（THEN，甲醇流加速度修正量AF（-F*AF2F*）模糊成员函数的大致形状。回答：1）Rule#1:IFDOisLOW&
15、OURisLOW,THENAFisPLRule#2:IFDOisLOW&OURisHIGH,THENAFisPSRule#3:IFDOisMEDIUM&OURisLOW,THENAFisPSRule#4:IFDOisMEDIUM&OURisHIGH,THENAFisZERule#5:IFDOisHIGH&OURisLOW,THENAFisNLorAF=-F*（F=0）Rule#6:IFDOisHIGH&OURisHIGH,THENAFisNS2）隶属度A隶彳，度隶属度LOWMEDIUMHIGHLOWPL1.0八/!i.orOUR,AF0.0DO(%)0.0(Mol/h/L)0.0(g/L/h)0200-F*0F*2F*计算题（XX分）在重组酿酒酵母或毕赤酵母流加培养中，使用高浓度葡萄糖或甘油进行底物流加，尽可能地提高细胞比生长速度、使细胞短时间达到高密度，同时抑制对后期蛋白表达过程有害的代谢副产物-乙醇的生成积累。假定此时有两个状态变量、乙醇（E）和溶解氧（DO）的浓度可以在线测量，发酵（培养）过程可以用以下的线性状态方程式描述，即：dxdt=Ax+Bu=dE、dtdDOIdt丿11a21a12a22丿IDO丿(b1,b2(E)x=IDO丿(1、0（b）1,b丿
