发酵过程的参数检测课件.ppt

1、第第8章章 发酵过程的参数检测和自动控制发酵过程的参数检测和自动控制对发酵过程实现有效的控制的目的是高效地利用微生物所具有的内在生产能力，以较低的能耗和物耗最大限度地生产生物产品。发酵过程是通过各种参数的检测，对生产过程进行定性和定量地描述，以期达到对发酵过程进行有效控制的目的。8.1发酵过程的参数检测发酵过程的参数检测根据参数的性质特点，发酵参数可以分为三类：物理参数，化学参数，间接参数。见表8-1。发酵过程的参数按测量形式又可以分为：就地信号系统、在线测量系统、离线测量。就地信号系统对发酵过程不发生影响的检测系统。在线测量是利用连续的取样系统与相关的分析器联接，取得测量信号。离线测量是指在

2、一定的时间内离散取样，采用常规的化学分析和自动的分析系统，在发酵罐外进行样品的处理和分析测量。8.1发酵过程的参数检测发酵过程的参数检测8.1发酵过程的参数检测发酵过程的参数检测1.温度测量温度测量1）感温元件：液体温度计热电偶热电阻2）二次仪表信号放大、显示和记录：模拟值数字值8.1.1 物理参数检测物理参数检测2.热量测量热量测量测量方法：测量方法：恒温法；绝热量热法；热流量热流通式量热计动态量热法补偿法连续测量法8.1.1 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1)搅拌转速搅拌转速的检测一般应用磁感应式、光感应式或测速发电机来实现。磁感应式和光感应式

3、检测器是通过计测脉冲数来测量转速。安装在搅拌轴或电动机轴上的切片切割磁场或光速而产生脉冲电信号，一定时间间隔内的脉冲频率反应了搅拌转速的大小。测速发电机是安装在搅拌轴或电动机轴上的小型发电机，它的输出电压与转速之间有良好的线形对应关系。大型发酵罐可以采用变频控制器来调节交流电动机的转速，也可以采用直流电动机进行调速。小型机械搅拌式发酵罐的搅拌转速都是可调的。 8.1.1 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2)轴搅拌功率轴搅拌功率是主要的测量参数，在设备和操作条件固定的情况下，搅拌功率随着发酵过程中发酵液性质的不同而发生变化。因此有时也作为发酵工艺正常与

4、否的判断依据。搅拌功率与氧的传递系数，与KLa值有正相关关系。常用功率表来测量电动机进线功率，但由于减速机构的能量消耗、机械磨损等原因，容易造成较大的误差。还有几种比较精确的测定方法，如电机反转矩测定法、轴功率和应片法，多数是测定力矩来求得功率。8.1.1 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在微生物深层培养中，通入无菌空气起到供应氧气、提高KLa值以及排出废气的重要作用。通气量的大小直接影响发酵液中氧的传递。根据作用原理，测量空气流量的流量计分成两大类：体积流量型和质量流量型。1）体积流量型 这是一类根据流体动能的转换以及流体流动类型的改变而设计的测量装置。(1)同心孔板压差

5、式流量计(2)转子流量计2 ）质量流量型这是根据流体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应性、离子化、热传导性能等设计的流量计。8.1.1 物理参数检测物理参数检测5. 罐压测量罐压测量 发酵过程中维持一定的正压，是防止杂菌污染的重要措施。压力信号转换器很多，如电阻式、电感式、电容式和半导体式等。8.1.1 物理参数检测物理参数检测6.料液计量测量料液计量测量压差法称重器法流量计法液位探针8.1.1 物理参数检测物理参数检测7.发酵液黏度测定发酵液黏度测定毛细管黏度计回转式黏度计涡轮旋转黏度计8.1.1 物理参数检测物理参数检测1 pH的测量的测量 pH是微生物重要的生长环境条件。在发酵过程中，

6、微生物的代谢活动会明显改变发酵液的pH。1）复合pH电极（探头）2 ）pH测量仪器（处理和显示）8.1.2 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 溶解氧浓度直接影响微生物的代谢，它的大小与氧的传递速率、微生物的摄氧率等有关。所以也是一个重要的参数。1）复膜氧电极2 ）测量和显示8.1.2 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发酵液中二氧化碳的浓度，指示的是菌体的呼吸商，呼吸商实际上反映出微生物的代谢强度。1）复膜氧电极2 ）测量和显示8.1.2 化学参数检测化学参数检测4 气态二氧化碳浓度测量气态二氧化碳浓度测量用以测定尾气二氧化碳含量的方法和检测仪器：热导

7、式气相色谱法（GC）；二氧化碳电极法；红外线二氧化碳测定仪（IR）；质谱仪。较为常用的是IR法和电极法。8.1.2 化学参数检测化学参数检测5气相氧浓度测定 （1）磁氧分析仪 （2）极谱氧电极法 （3）质谱分析仪6 菌浓度的测量菌浓度的测量 微生物在生命活动中总是伴随着增殖和增长。有关菌量的测量方法很多。离线取样分析：离线取样分析：称重法；细胞蛋白质测定法；核酸测定法；平板计数法。在线连续菌量测量方法：在线连续菌量测量方法：浊度法；荧光测量法；电容测定法；排气分析法等。8.1.2 化学参数检测化学参数检测间接参数可以分成质量传递速率、成分比率、质量传递系数、热传递系数和能量平衡等几方面。间接参

8、数可以反映微生物细胞的生理特性或对象的工程特性。8.1.3 间接参数检测间接参数检测发酵过程采用的基本自控系统主要有前馈控制、后馈控制和自适应控制。1前馈控制如果被控对象动态反应慢，并且干扰频繁，则可通过对一种动态反应快的变量（干扰量）的测量来预测被控对象的变化，在被控对象尚未发生变化时，提前实施控制。这种控制方法叫做前馈控制。2反馈控制被控过程的输出量x(t)被传感器检测，以检测量y(t)反馈到控制系统，控制器使之与预定的值r(t)（设定点）进行比较，得出偏差值e，然后采用某种控制算法根据偏差e 确定控制动作u(t)。根据算法的不同，可分为开关控制、PID控制、串级反馈控制、前馈反馈控制。

9、8.2.1基本的自动控制系统基本的自动控制系统3自适应控制对于复杂和不确定的发酵过程的控制，须要提取有关的输入、输出信息，对模型和参数不断进行辨识，使模型逐渐完善，同时自动修改控制器的控制动作，使之适应于实际过程。这样的控制系统称为自适应控制系统。8.2.1基本的自动控制系统基本的自动控制系统发酵自控系统组成：传感器；变送器；执行机构；转换器；过程接口；监控计算机。8.2.2 发酵自控系统的硬件组成发酵自控系统的硬件组成除了直接用于发酵过程检测的传感器外，一些根据直接测量数据对不可测变量进行估计的变量估计器，也称为传感器。传感器获取的信息需要特殊的电路将其转变为标准输出信号，才能被控制器所接受。这种电路装置称做变送器。执行机构是直接实施控制动作的元件。当涉及到计算机时，控制器输入信号必须转化成数字当量，而与执行机构连接的模拟输出信号必须有数字当量产生。所以对于计算机控制系统，必须使用A/D和D/A转换器。