发酵罐温度单回路控制系统.docx

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1、1. 概述发酵工程是应用生物主要是微生物为工业大规模生产效劳的一门工程技术，也称微生物工程。发酵工程是包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但应用于生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且还可以生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，自然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。发酵反响器发酵罐是发酵企业中最重要的设备。发酵罐式必需具有适宜于微生物生 长和形成产物的各种条件，促进微生物的陈代谢，使之能在低消耗下获得较高产量。例如， 发酵罐的构造

2、应尽可能简洁，便于灭菌和清洗；循环冷却装置维持适宜的培育温度；由于发 酵时承受的菌种不同、产物不同或发酵类型不同，培育或发酵条件又各有不同，还要依据发 酵工程的特点和要求来设计和选择发酵罐的类型和构造。通风发酵设备要将空气不断通入发酵液中，供给微生物所需的氧，气泡越小，气泡的外表积越大，氧的溶解速率越快，氧的利用率也越高，产品的产率就越高。通风发酵罐有鼓泡式、气升式、机械搅拌式、溢流喷射自吸式等多种类型。机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂常用的类型之一，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和賿液充分混合促使氧在賿液中溶解，以保证供给微生物生长生殖、发酵所需要的氧气，同时强化热量传递。无论是微生物发酵、酶

3、催化或动物植物细胞培育的微生物工程工厂都应用此类设备，占目前发酵罐总数的 70%80%，常用语抗生素、氨基酸、有机酸和酶的发酵生产。机械搅拌通风发酵罐是属于一种搅拌釜式反响器，除用作化学反响和生物反响器外搅拌反响器还大量用于混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸取或解吸传热等操作。搅拌反响器由搅拌容器和搅拌机两大局部组成。加班容器包括筒体、换热原件及内构件、搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。1.1 温度对发酵的影响微生物药品发酵所用的菌体绝大多数十中温菌，如丝状真菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在 2040 摄氏度。在发酵过程中，应维持适当温度，以使微生物生长代谢顺当进

4、展。由于微生物的种类不同，所具有的酶系及其性质也不同，因此所要求的温度也不同，如细菌的生长温度大多比霉菌高。有些微生物在生长、生殖和合成代谢产物等各个阶段的最适温度是不同的。因此，要想获得最高的发酵单位，在发酵的各个阶段要调整发酵温度。处于缓慢期的菌体对温度格外敏感，因此，最好在其最适生长温度范围内对其进展培育， 这样可以缩短延滞期和包子萌发时间。通常状况下，在最适温度范围内提高对数生长期的温 度，有利于菌体的生长。例如，提高枯草杆菌前期的最适温度，对该菌的生长产生了明显的 促进作用。温度变化对发酵过程可产生两方面的影响：一方面是影响各种酶反响的速率和蛋白质的性质；另一方面是影响发酵液的物理性

5、质。温度对化学反响速度的影响常用温度系数 Q 10每增加 10 摄氏度，化学反响速度增加的倍数来表示，在不同温度范围内，Q10的数值是不同的，一般是 23，而酶反响速度与温度变化的关系也完全符合此规律，也就是说，在肯定范围内，随着温度的上升，酶反响速率也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的催化活力就下降。温度对菌体生长的酶反响和代谢产物合成的酶反响的影响往往是不同的。1.2 发酵热的产生发酵热的产生是产生热能的散失热能的综合结果，是引起发酵温度变化的缘由。发酵过程中产生的净热量称为发酵热。发酵过程中的菌体对培育基德利用，氧化分解有机物质，机械搅拌，发酵罐壁向外散热，水分蒸发等都会产生热量

6、交换，综合起来就是发酵热。现将这些产热和放热的因素分述如下。1. 生物热产生菌在生长生殖过程中产生的热量，称为生物热。这些产生的生物热一局部用来合成 高能化合物，供微生物合成和代谢活动需要，一局部用来合成代谢产物，其余局部已热量形 式，散发出来。生物热的大小随培育基成分和菌种的变化而变化；随培育时间的不同而不同； 与菌体的呼吸强度有对应关系，呼吸强度越大产生的生物热越大。2. 搅拌热搅拌器转动锁引起的液体之间、液体与设备之间的摩擦所产生的热量，即搅拌热。3.蒸发热空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，引起水分蒸发所需的热能，称为蒸发热。这局部热量在发酵过程中先以蒸汽形式散发到发酵罐液面，再由排气管

7、带走。4.辐射热由于管外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的局部热能通过罐体向大气辐射的能量， 即辐射热。辐射热的大小取决于罐内外温度差。发酵热在整个发酵过程中随时间而变化，引起发酵温度发生波动，为了使发酵能在肯定温度下进展，肯定要掌握发酵温度。1.3 发酵罐的动态数学模型机械搅拌通风发酵罐的动态数学模型与根本的化学反响器的动态数学模型根本一样，所以在此将以如图 1 所示的非绝热连续搅拌釜式液相反响器为例，来说明反响器鼓励模型的建模思路。图 1 非绝热连续反响器（1） 根本动态方程式（1） 根本假设两侧流体均呈活塞流状流淌，无轴向混合；径向热传导可用集中参数表示，即同一截面上各点温度一样；传热系

8、数 U 和比热 Ca、Cb 恒定不变；管壁热容无视不计；外部绝热良好，即不考虑热损失。（2） 系统根本方程式的建立对内管流体 A 列写微元 d的热量衡算式：M C dtaaT (t , t)tA= UAdt TB(t , t ) - TA(t , t ) + w C TaaA(t , t )- w CT (t , t) + T(t , t) dt Ataa AT TA(t , t) + T(t , t)= a T(t , t) - T(t , t)tAt11BAwaMUA式中：T =a =w C11aaa同理可得外管流体 B 的热量衡算式：TT (t , t)TtBtB+2(t , t)= a

9、 T2A(t , t) - TB(t , t)式中：T = Mwb2a = UAw C2bbb（2） 偏微分方程的求解：在化工过程中，有很多典型操作单元如套管式和列管式换热器、填充式精馏塔和吸取塔、管式和固定床式反响器等都属于分布参数对象，它们的动态方程为偏微分方程。偏微分方程的求解方法主要有传递函数法、分段集总化处理方法、正交配置法和数值解法。对于较简洁的自变量不大于两个，线性定常偏微分方程，一般可以通过传递函数法求解。首先进展由时间域 t 到复域 S 的拉氏变换，在 TA、TB 取增量形式时，初始条件为 0，由式可得：T ST(t , S ) + dT(t , S) = a T(t , S

10、 ) - T(t , S)1 AT ST2 BAdt(t , S) +dT (t , S)1 B= a T2 AA(t , S) - TB(t , S)Bdt进展由距离域到复域的拉氏变换，边界条件如下：T (t , S)AT (t , S)Bt =0t =0= T(S)A1= T(S)B1T (t , S)AT (t , S)B= Tt =1A0= Tt =1B 0(S)(S)1T ST(P, S ) + PT(P, S ) - T(S) = a T(P, S) - T(P, S)1AT ST2BA(P, S ) + PTBA1(P, S ) - TB1B(S) = a T2AA(P, S)

11、- TB(P, S)令 AP=(1-2)2+4a1a2，则式(4.42)右端分母可写为：P 2 + P(F + F ) + F F - a a1212124F + FF2 + F2+ 2F FF2 + F2- 2F F+ 4a a24= P 2 + 2 1F + F2 P +12AP2212 -1212122= P +12 - 2T(S)APAPcosh+ (FAP- F )sinh2aAPsinhe-(F +F ) 212AP= A0221212T(S)AP A1T(S) T(S)B02asinhcosh+ (F- F )sinhB1APAPAP2221222.非线性模型的线性化有此整理得被

12、控对象传函为：G(s) =KetpsP1G(s) =KD 22. 系统设计P1TP1s +1 ； D 2Ts +1D 22.1 被控变量和掌握变量的选择1. 被控变量的选择如前面所说，温度对化学反响速度的影响常用温度系数Q每增加 10 摄氏度，化学反响速度增加的倍数来表示，在不同温度范围内，Q1010的数值是不同的，一般是 23，而酶反响速度与温度变化的关系也完全符合此规律。而机械搅拌通风发酵罐是一种通用化学反响器，所以把化学反响器的普遍特性来代表发酵罐的特性。化学反响器的掌握指标主要是反响的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等，用这些变量直接作为被控变量，反响要求就能够直接得到保证

13、。但是，这些指标大多数是综合性指标，还是无法测量。有些是成分指标，也缺少测量手段，或者测量滞后大、精度差，不宜作为被控变量。目前，化学反响器的过程掌握中，由于温度和上述指标关系亲热，又简洁测量，所以大多用温度作为反响器掌握中的被控变量。2. 操纵变量的选择温度作为反响质量的掌握指标是有肯定条件的，只有在其他很多参数不变的条件下，才能正确地反映反响状况。因此，在温度作为反响器掌握指标时，要尽可能保证物料量、进料浓度等其他参数的恒定。所以选择冷却剂流量为操纵变量。2.2 掌握方案在保证物料量、进料浓度等其他参数肯定的条件下，发酵罐内温度作为被控变量，冷却剂流量为操纵变量，组建一单回路掌握系统，掌握

14、系统流程图如下。图 2 系统掌握流程图2.3 现场仪表选型1. 测温元件及变送器被控温度在 100以下，选用代号为 WZC,分度号为 Cu100 铜电阻温度计，量程为-50150，并配用 DDZ型热电阻温度变送器，信号为 DC420mA 或 DC15V，温度测量环K节可用以下的一阶环节来近似GT(s) =T，(惯性环节)T s + 111式中，K TM 与测量仪表的量程有关；测量环节的时间常数T =1min，仪表经输出归一后均为 0100，。因而有KTQ=M ,maxQmaxQ- QM ,min= 1/，式中， Qmin和QM,maxM,min分别为测量仪表输出信号的上下限；Q2. 执行器ma

15、x和Qmin分别为测量仪表 量程的上下限。依据工艺要求安全考虑，执行器选 DDZ型电动调整阀，假设调整阀为近似线性阀，其动态滞后无视不计，而且，G (s) = f (s) = K ，式中， 为调整阀的流通面积，V通常Vu(s )V在肯定范围内变，这里假设=0.51.0/(即掌握器的输出变化 1，调整阀的相对流通面积变化 0.51.0)。2.4 掌握系统方框图图 3 掌握系统方框图2.5 分析被控对象特性及选择掌握算法1. 被控对象特性依据动态模型公式12可知，假设除 T 和F 之外，其他参数稳定，公式12简化为cdT KA F_KA T_- T_= dtVrT +e- +e cico F，依照

16、此式可看出，掌握通道动态特性为cpK e -t ptVV rc Vc ccpc cK e -tdtG =ppT s + 1，同理，可得扰动通道动态特性Gd=d。T s + 1pd2. 选择掌握算法依据被控对象的特性和掌握的需要，选择 PID 算法。2.6 系统参数整定和仿真假设对象模型参数分别取值为 K V =1 / ， KT =1 / ， T 1 =1min ， K p =2 /(T/hr),T p=4min，t p =1.5min，K d =3/(T/hr), Td =3min, t d =2min。在此承受阅历试凑法来整定调整器参数。图 4 发酵罐温度掌握单回路掌握系统SIMULINK

17、模型首先依据调整器参数阅历数据，设定调整器 PID 参数的初始值为K=4，TI=8min，TD=2min。经仿真后的响应曲线为图 5 参数设定值仿真图经反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，得出K= 2.1，TI=4min，TD=1 .25min。响应曲线呈 4：1 衰减，结果令人满足。图 6 调整参数后系统仿真图2.7 结论我通过本次课程设计通过了软件和硬件上的调试。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才觉察，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有肯定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切

18、问题必需要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会觉察自己在飞速的提升。对于教材，其过程是比较简洁的，主要是解决设计掌握过程中的问题，而设计是一个很敏捷的东西，它反映了你解决问题的规律思维和创力量，它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大局部时间是用在掌握理念上面的。很多是可以借鉴书本上的，但怎样连接各个环节才是关键的问题所在，这需要对系统的构造很生疏。因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合，二者是密不行分的。通过这次课程设计我也觉察了自身存在的缺乏之处，虽然感觉理论上已经把握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这

19、将对我以后的学习产生乐观的影响。其次，这次课程设计让我充分生疏到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个工程的有条不絮。另外在课程设计的过程中，当我们遇到不明白的问题时， 指导教师总是急躁的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。因此格外感谢教师的教育。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论学问与实践相结合的重要意义，学会了坚持、急躁和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的典范。我觉得作为一名过程掌握工程专业的学生，这次课程设计是很有意义的。更重要的是如何把自己寻常所学的东西应用到实际中。虽然自己对于这门课懂的并不多，很多根底的东西都还没有很好的把握，觉得很难，也没有很

20、有效的方法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”， 在同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课渐渐产生了些许的兴趣，自己开头主动学习并逐步从根底渐渐开头弄懂它。参考文献1 韩德权. 发酵工程. 哈尔滨： 黑龙江大学出版社，2023：1066，1931972 王树青. 工业过程掌握工程. 北京：化学工业出版社，2023：3403663 王树青，戴连奎，于玲. 过程掌握工程. 北京：化学工业出版社，2023：83884 常太华，苏杰. 过程参数检测及仪表. 北京：中国电力出版社，2023：30795 王毅，张早校.过程装备掌握技术及应用. 北京：化学工业出版社，2023：3537，2442516 郭阳宽，王正林. 过程掌握工程及仿真. 北京：电子工业出版社，2023：1760，86108