第九章 发酵过程的检测优秀课件.ppt

第九章 发酵过程的检测第1页，本讲稿共61页一、发酵过程检测的意义 工业生产中的机械化和自动化是实现高产优质、改善劳动条件、保障生产安全和降低生产成本的一项重要措施。发酵过程复杂，要求严格，因此在生产中应尽可能采用有关检测及显示仪表以指示或记录生产中有关参数并通过调节器和执行机构对生产中有关参数进行自动控制或调节，使生产过程能在规定条件或最适条件下进行。第2页，本讲稿共61页 在工程上要实现在线分析并自控，只有通过各种参数检测，对生产过程进行定性和定量的描述，才能进而对过程进行控制，并在工业生产上推广应用。体地说发酵过程的检测具有以下六方面意义：1、了解发酵过程变量变化是否与预期目标值相符合；2、决定种子罐的移种和发酵罐的放罐时间；3、对不可测变量进行间接估计；4、对发酵过程变量，按给定值进行动控制或自动控制；5、通过过程模型实施计算机控制；6、收集所需实验数据。第3页，本讲稿共61页二、发酵过程的检测的主要内容1、物理测定：温度、压力、体积、空气流量、搅拌转速、培养基的粘度等;2、物理化学测定：pH值、溶氧浓度、溶二氧化碳浓度、氧化还原电位等3、化学测定：培养基基质、前体物质、产物等的浓度；4、生物学及生物化学测定：生物量、细胞形态、酶活性、胞内成分等。上述检测内容，在发酵过程中，可以通过传感器来进行自动检测。第4页，本讲稿共61页空气流量 通入发酵罐中的无菌空气的流量常用转子流量计测定。流量计中浮动转子的位置可以通过电容或电阻原理转换为电信号，经过加大之后启动控制器便可实现空气流量控制的自动化。转子流量计单位：M3/mim，控制在范围0.51.0 v/v min 第5页，本讲稿共61页 1)pH值:发酵过程中，pH值的测定已不成问题，如将由玻璃电极、甘汞电极组成的电极组插入有关容器或管路中，并用能进行速续测定的pH计加以指示或记录，即可完成pH的连续测定。在连续测定发酵罐中发酸液的pH值时，必需考虑电极能经受蒸汽灭菌的问题。目前发酵工业中连续测定pH值所使用的是银氯化银参比电极。一只质量好的电极至少应能在1210C蒸汽下灭菌20次(每次1小时)。第6页，本讲稿共61页2)溶解氧 溶解氧浓度是发酵过程中的一个重要参数，近年来，已广泛地采用复膜电极测定溶解氧浓度，直接插入发酵罐内的复膜溶解氧测定电极可分为两大类即电解型(极谱型)电极及原电池型电极，前者工作时需外加直流电源，后者则不需加任何电源。第7页，本讲稿共61页复膜电极(探头)示意图，由薄膜及电极两部分组成第8页，本讲稿共61页三、发酵过程检测仪器：传感器 发酵过程的许多检测参数是通过传感器来 完成的。传感器又称探测器或变换器，是利用物理、化学和生物学某些效应和原理，按照一定制造 工艺研制出来和获取信息的器件。它不受环境的影响。第9页，本讲稿共61页工作原理 将所感受到的物理量转换成便于测量的量（一般是电学量）。第10页，本讲稿共61页敏感元件 物理量等 非电量传感元件信号调节转换电路记录，显示，执行机构等输出传感器工作原理图第1 1页，本讲稿共61页传感器的分类 一般可分为光敏、热敏、声音（话筒）、力学、电磁、生物等类元件。第12页，本讲稿共61页四、发酵用传感器 1、发酵用传感器的作用：将发酵过程变量变化的信息,通过安装在发酵罐内的传感器检知,然后由变送器把非电信号转换为标准电信号,让仪表显示、记录或传送给电子计算机进行处理，可达到对发酵过程自动控制。第13页，本讲稿共61页 2、发酵用传感器的组成：传感器一般有两个组成部分：其一是识别元件(感受器)；其二是信号转换器(换能器)，主要为电化学或光学检测元件。当待测物与识别元件结触后，所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器转变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析监测目的 第14页，本讲稿共61页 3、发酵过程对传感器的要求(1)可靠性 这是传感器最重要的特性,它包括物理 强度、出现故障的频率及故障发生的方式。提高传感器的可靠性可通过最佳工程实践 来达到。首先要有一个好的设计,其次要有适 当的规格,同时要按生产厂的要求安装和维护第15页，本讲稿共61页(2)准确性 指测量值与己知值或实际值之差的量度，或称之为误差。一般以一段时间内(一批或一 天)测量指示值的平均值与己知值之差或测量 指示值与已知值之间的标准差表示。为了提高 测量的准确性,传感器必须定期(每天或每批)进行校准。第16页，本讲稿共61页(3)精确度 指重复测量的概率,它受测量方法、所用 仪器、操作人员、实验室条件等因素的影响,一般以实际值不发生变化的某一段时间内测 量指示值的标准差来表示。(4)响应时间 在测量位点,指示值与真值之间显示的时 间有滞后现象,它是由于反应滞后与传递滞后 所造成。第17页，本讲稿共61页(5)分辨能力 又称识别能力,是指测量中所能分辨的最 小变化值。对于模拟量,它主要是一个刻度 的观察问题;对于数字量,是有意义的最小 数字的单位变化。(6)灵敏度 对灵敏度有各种各样的描述方式,一般指 的是传感器所能反应的最小测量单位。第18页，本讲稿共61页(7)测量范围 传感器所能感受的最大值与最小值之差。但在实际应用中，一般只取测量范围的一部 分,称为设计跨度。如电阻温度计测量范围 是：-200+850,但在发酵工业中的设计 跨度为：0150或050。第19页，本讲稿共61页(8)特异性 指传感器只与被测变量反应，而不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力。影响特异性的因素除传感器本身外,还有对传感器信号的干扰如电噪声等。第20页，本讲稿共61页(9)可维修性 指的是传感器发生故障或失效后进行修 理和校准的可能性及难易程度。这对于任何 传感器来说都是非常重要的，除非那种一次 性使用的产品。第21页，本讲稿共61页(10)发酵过程对传感器的特殊要求 传感器与发酵液直接接触，因而首先面 临灭菌问题。一般要求传感器能与发酵液同时进行高 压蒸汽灭菌,这对于大部分物理和物理化学 传感器来说都没有问题,但有的传感器(如pH 和溶氧)传感器在灭菌后需要重新校准。不能 耐受蒸汽灭菌的传感器可在罐外用其他方法 灭菌后无菌装入。第22页，本讲稿共61页 4、发酵用传感器的分类（1）按测量方式分为 离线传感器传感器和在线传感器两类 1)离线传感器传感器不安装在发酵罐内,由人工取样进行手动或自动测量操作,测量数 据通过人机对话输入计算机。这种传感器不能 直接作为控制回路的一部分,但测量精度一般 较高,可用来对同类在线传感器进行校准。第23页，本讲稿共61页