利用数字孪生技术实现3马力发酵过程中的实时进料速率优化

《Industrial & Engineering Chemistry Research》：Real-Time Feed-Rate Optimization in 3-HP Fermentation Using Digital Twin Technology

实时进料控制算法优化3-HP发酵过程，通过近红外光谱（NIR）与偏最小二乘法（PLS）实现甘油和3-HP浓度动态监测，结合Monod方程与酶抑制动力学模型指导参数调整，降低甘油水平12.7%，提升3-HP产率至8.3%g/L，减少下游纯化时间成本35%。该策略增强工业生物加工可持续性与经济性。

　　

在这项研究中，我们开发并验证了一种实时进料速率控制算法，旨在优化连续发酵过程中3-羟基丙酸（3-HP）的产量。通过将原位近红外（NIR）光谱技术与偏最小二乘（PLS）模型相结合，我们实现了对甘油和3-HP浓度的精确实时监测。我们采用了包含Monod方程和酶抑制动力学的动力学模型来描述发酵过程，并据此指导进料速率的调整。该算法引入了批次特定参数，以考虑细胞条件的变化，从而在整个发酵过程中实现准确的预测和控制。优化的进料策略显著降低了甘油含量，提高了3-HP的产量，并改善了下游纯化过程，进而缩短了处理时间和降低了成本。这一策略提升了3-HP生产的效率和可扩展性，为工业生物加工提供了一种可持续且经济可行的解决方案。