发酵过程的参数检测和自动控制精.ppt

发酵过程的参数检测和自动控制第1页，本讲稿共26页提纲提纲一、发酵过程的参数检测一、发酵过程的参数检测 1、物理参数检测、物理参数检测 2、化学参数检测、化学参数检测 3、间接参数检测、间接参数检测二、发酵过程的自动控制二、发酵过程的自动控制 1、基本的自动控制系统、基本的自动控制系统 2、发酵自动控制系统的硬件组成、发酵自动控制系统的硬件组成第2页，本讲稿共26页一、发酵过程的参数检测一、发酵过程的参数检测微生物工程的基本任务微生物工程的基本任务：通过对发酵过程的有效控制，高效利用微生物内在能力，通过对发酵过程的有效控制，高效利用微生物内在能力，低能耗、低物耗地最大限度生产生物产品。低能耗、低物耗地最大限度生产生物产品。方法方法：发酵过程的参数检测，定性、定量描述，有效控制。：发酵过程的参数检测，定性、定量描述，有效控制。微生物的生长代谢过程是微生物的生长代谢过程是动态动态变化过程，属于开放系统。变化过程，属于开放系统。根据参数的性质特点可分为：根据参数的性质特点可分为：物理参数、化学参数、间接参数三类。物理参数、化学参数、间接参数三类。测参数的测量形式分为测参数的测量形式分为：就地信号系统，在线测量系统和离线测量。就地信号系统，在线测量系统和离线测量。测量难度测量难度：传感器须耐高温；固形物附着传感器；气泡干扰；：传感器须耐高温；固形物附着传感器；气泡干扰；产生灭菌死角；成分分析难转电信号。产生灭菌死角；成分分析难转电信号。第3页，本讲稿共26页第4页，本讲稿共26页一、发酵过程的参数检测一、发酵过程的参数检测1、物理参数检测物理参数检测1）温度测量温度测量 感温元件：铂电阻（精、稳但贵）；感温元件：铂电阻（精、稳但贵）；铜电阻（便宜、但需长、大，易氧化）；铜电阻（便宜、但需长、大，易氧化）；半导体（精、小、简、耐腐蚀但非线形）。半导体（精、小、简、耐腐蚀但非线形）。二次仪表：温度，二次仪表：温度，0150，与热电阻型号匹配。与热电阻型号匹配。第5页，本讲稿共26页1、物理参数检测、物理参数检测2）热量测量（属热量测量（属“微热量微热量”）利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度（影响因素较多口温度（影响因素较多Q散散Q显显Q搅搅，只能定性和估计），只能定性和估计）利用温度变化率利用温度变化率S（/h）：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量）：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量S；热力学方法：热力学方法：根据盖斯定律：根据盖斯定律：“在恒压和恒容条件下，一个反应不论是在恒压和恒容条件下，一个反应不论是一步完成或几步完成，其反应热是相同的一步完成或几步完成，其反应热是相同的”。这实际上是热力。这实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓（学第一定律的必然推论，因为焓（H）是状态函数，过程的焓变与途）是状态函数，过程的焓变与途径无关，只决定于过程的始态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准径无关，只决定于过程的始态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计算。生成热来计算。第6页，本讲稿共26页1、物理参数检测、物理参数检测3）搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速：磁感应式，光感应式，搅拌转速：磁感应式，光感应式，测速电机；测速电机；搅拌功率：搅拌功率：（影响因素：菌丝浓度、黏度、泡沫）（影响因素：菌丝浓度、黏度、泡沫）方法：功率表，测定力矩求功率法。方法：功率表，测定力矩求功率法。第7页，本讲稿共26页1、物理参数检测、物理参数检测4）空气流量测定空气流量测定体积流量型：体积流量型：会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；同心孔板压差式流量计；同心孔板压差式流量计；转子流量计。转子流量计。质量流量型：质量流量型：根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。的流量计。第8页，本讲稿共26页1、物理参数检测、物理参数检测 5）罐压测量罐压测量 就地指示；就地指示；转变为电信号（远传）。转变为电信号（远传）。选测、控点时，要避免死角，防止染菌。选测、控点时，要避免死角，防止染菌。第9页，本讲稿共26页1、物理参数检测、物理参数检测6）料液计量与液位控制料液计量与液位控制 压差法：压差法：H=（P2/P1）H 直接重量测量法：直接重量测量法：直接称重直接称重 体积计量法：体积计量法：计算进出料液计算进出料液 流量计量法：流量计量法：计算流量和时间计算流量和时间 液位探针液位探针第10页，本讲稿共26页1、物理参数检测、物理参数检测7）发酵液粘度测定发酵液粘度测定 毛细管粘度计毛细管粘度计 回转式粘度计回转式粘度计 涡轮旋转粘度计涡轮旋转粘度计第11页，本讲稿共26页2、化学参数检测、化学参数检测1）PH测量测量 复合复合PH电极电极 （灭菌、稳定、流通、耐压）（灭菌、稳定、流通、耐压）PH测量仪器测量仪器第12页，本讲稿共26页2、化学参数检测、化学参数检测2）溶解氧的测量溶解氧的测量 溶氧电极法：溶氧电极法：这是一种参量变换器：把溶氧浓度变成一个与之呈线性关系这是一种参量变换器：把溶氧浓度变成一个与之呈线性关系的电流量，进行测量，这种溶氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温，可的电流量，进行测量，这种溶氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温，可以固定装在发酵罐上，连续地测量培养液中溶氧浓度。以固定装在发酵罐上，连续地测量培养液中溶氧浓度。亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法 取样极普法取样极普法 排气法排气法第13页，本讲稿共26页2、化学参数检测、化学参数检测3）溶解二氧化碳测量溶解二氧化碳测量 复膜式电极法复膜式电极法 渗透膜渗透膜碳酸氢钠法碳酸氢钠法4）发酵尾气的在线分析发酵尾气的在线分析 CO2分析分析 氧浓度测量（如质谱分析仪）氧浓度测量（如质谱分析仪）第14页，本讲稿共26页2、化学参数检测、化学参数检测5）菌浓度的测量菌浓度的测量 浊度法浊度法 荧光测量荧光测量 排气分析法排气分析法 粘度测定法粘度测定法 热量恒算法热量恒算法 酶电极法酶电极法 恒电位电极法恒电位电极法第15页，本讲稿共26页3、间接参数检测、间接参数检测1）数据处理数据处理2）间接数据的获得间接数据的获得 质量传递速率质量传递速率:OTROUR(氧吸收率氧吸收率)=QO2X 组分比率组分比率 （呼吸商（呼吸商RQ：形成的：形成的CO2与耗与耗O2之比）之比）质量传递系数：质量传递系数：如氧：如氧：W=OTR=KL（C*-CL）热传递系数：热传递系数：QC=Fin H0in-FoutH0out 其他间接参数其他间接参数:如搅拌功率、叶尖速度、发酵液体如搅拌功率、叶尖速度、发酵液体积等。积等。第16页，本讲稿共26页二、发酵过程的自动控制二、发酵过程的自动控制 变量测量和变化规律的认识变量测量和变化规律的认识控制器控制器(自动化仪自动化仪表、计算机组成表、计算机组成)控制关键变量控制关键变量控制发酵过程控制发酵过程1、基本的自动控制系统基本的自动控制系统 前馈控制前馈控制 反馈控制反馈控制 自适应控制自适应控制2、发酵自动控制系统的硬件组成发酵自动控制系统的硬件组成第17页，本讲稿共26页1、基本的自动控制系统、基本的自动控制系统前馈控制前馈控制：通过动态反应快的变量测量来预测通过动态反应快的变量测量来预测反应慢、易干扰的被控对象的变化，并反应慢、易干扰的被控对象的变化，并提前实施控制。提前实施控制。如：通过冷却水压力（控制阀）控制温度如：通过冷却水压力（控制阀）控制温度变化。变化。第18页，本讲稿共26页1、基本的自动控制系统、基本的自动控制系统反馈控制反馈控制 反馈控制是自动控制的主要方式反馈控制是自动控制的主要方式控制器被控对象传感器第19页，本讲稿共26页1、基本的自、基本的自动控制系统动控制系统反馈控制反馈控制 溶解氧的串联溶解氧的串联 反馈控制反馈控制第20页，本讲稿共26页1、基本的自动控制系统、基本的自动控制系统反馈控制反馈控制 开关控制：控制阀门的全开全关；开关控制：控制阀门的全开全关；PID控制：采用比例、积分、微分控制算法；控制：采用比例、积分、微分控制算法；串联反馈控制：串联反馈控制：两个以上控制器对一变量实施联合控制；两个以上控制器对一变量实施联合控制；前馈前馈/反馈控制：反馈控制：前馈控制与反馈控制相结合。前馈控制与反馈控制相结合。第21页，本讲稿共26页1、基本的自动控制系统、基本的自动控制系统自适应控制自适应控制：提取有关输入、输出信息，对模型提取有关输入、输出信息，对模型和参数不断进行辩识，使模型逐渐完善；和参数不断进行辩识，使模型逐渐完善；同时自动修改控制器的动作，适应实际同时自动修改控制器的动作，适应实际过程。过程。自适应控制系统。自适应控制系统。第22页，本讲稿共26页2、发酵自动控制系统的硬件组成、发酵自动控制系统的硬件组成传感器传感器变送器变送器执行机构执行机构 电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、正位移泵、蠕动泵。正位移泵、蠕动泵。转换器转换器过程接口过程接口监控计算机监控计算机第23页，本讲稿共26页第24页，本讲稿共26页本章知识结构本章知识结构发酵过程的参数检测方法发酵过程的参数检测方法溶解氧（溶解氧（DO）的测量）的测量发酵过程的自动控制方法发酵过程的自动控制方法前馈控制和反馈控制前馈控制和反馈控制第25页，本讲稿共26页预习内容预习内容微生物反应动力学微生物反应动力学 分批培养中细胞的生长动力学分批培养中细胞的生长动力学细胞循环使用的单级连续培养动力学细胞循环使用的单级连续培养动力学 第26页，本讲稿共26页