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近年来随着基因工程技术的飞速发展，重组蛋白和生物酶的商业化生产逐步地形成和完善。目前生物制药行业成为我国重点扶持发展的高科技行业之一。而外源重组蛋白表达量偏低，成为制约基因工程菌株应用的关键因素。重组蛋白生产能力的不足会导致生产成本的提高，在一定程度上制约了生物制药行业的产业化程度。高密度培养技术就是为提高重组蛋白的生产能力而发展起来的一门新兴技术。而高密度培养的核心技术就是如何在控制代谢副产物的积累下，让菌体以最佳的比生长速率增长。而避免代谢副产物积累的重要途径之一就是寻求最优的补料控制策略，设计性能最佳的补料控制系统。因此，在基因工程菌高密度培养过程中营养物质的流加控制策略及相应控制系统的研究就显得非常重要。
针对基因工程菌的高密度培养，AkessonM等人提出了脉冲补料控制策略，即利用补料速率的脉冲增加或脉冲减小来识别基因工程菌的比摄糖速率与临界值之间的关系，进而达到在避免副代谢产物积累的同时提高基因工程菌培养密度的目的。由于对脉冲补料控制策略认识的不足，国内对该补料控制策略的研究几乎为零，更没有基于脉冲补料控制策略的补料控制系统。本论文主要研究脉冲补料控制策略在基因工程菌高密度培养过程中的应用，并设计实现基于脉冲补料控制策略的补料控制系统。
为了研究脉冲补料控制策略，本文首先利用MATLAB软件构建了基因工程菌的动力学模型，并对脉冲补料控制策略的原理、算法进行了深入的分析及研究。利用MATLAB软件结合已构建的基因工程菌动力学模型，本文对脉冲补料控制策略进行了软件仿真。通过仿真优化确定了脉冲补料控制策略中的一些关键性参数，为脉冲补料控制策略的实际应用奠定了理论基础。
同时本文基于脉冲补料控制策略设计实现了基因工程菌高密度培养的补料控制系统。补料控制硬件系统以PCI802型数据采集卡为核心，还包括用于控制搅拌器转速的直流无刷电机控制器和用于控制蠕动泵转速的步进电机控制器。该补料控制系统可以独立于原有的自动化控制系统，使用方便，具有良好的实用性。补料控制系统的上位机软件是基于LabVIEW和MATLAB的混合编程开发的。LabVIEW作为实验室虚拟仪器开发的主要应用软件，被广泛的应用在工业测控领域。LabVIEW软件主要完成发酵过程中相关过程参数的采集、搅拌器转速和蠕动泵转速的控制等，而脉冲补料控制算法有MATLAB软件实现。利用LabVIEW软件开发的上位机控制软件具有良好的交互性。
本文详细的分析了脉冲补料控制策略，并利用MATLAB软件构建了基因工程菌的动力学模型，然后基于该动力学模型对脉冲补料控制策略进行了软件仿真。最后基于脉冲补料控制策略设计实现了基因工程菌高密度培养的补料控制系统。该补料控制系统软件基于LabVIEW模块化设计，具有良好的扩展性，在该补料控制系统的基础上可以迅速的实现其他补料控制策略。该补料控制系统的设计和实现为今后基因工程菌高密度培养的研究奠定了基础，并提供了硬件保障，具有十分重要的学术意义和应用价值。