（发酵工程专业论文）菌体浊度在线光电测量研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：酶 日期：塑幺筮 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雌导师签名：冱瘴魁日期：星空生：圣 山东大学同等学历硕士学位论文 摘要 微生物发酵过程是极其繁杂的生化反应过程，影响发酵的因素很多，活菌 浓度是最重要的工艺参数之一，它对了解发酵信息、掌握和控制发酵过程、提高 发酵质量具有重要意义。因此，研制菌体浓度实时在线检测系统是非常必要的， 只有通过对发酵过程菌体数量的控制，才能在一定程度上实现对微生物代谢的控 制，达到发酵过程优化控制的目的。 本研究的方法是采用在线浊度测量法来表征发酵液菌体浓度。由于菌体浓 度在一定范围内与散射光强度成线性关系，通过测量菌体浊度和相应吸光度值做 标准曲线，然后在线监测发酵液散射光强度值，在标准曲线上求出菌体浊度。实 验选用6 3 2n m 波长的近红外激光器为光源，代替了复杂的常规仪器上的光学系 统，为发酵过程在线浊度仪的制作带来了方便。 本研究通过测量多种光敏传感元件、集成运算放大器和光敏传感器放大电 路，比较它们的优缺点，选定由光电池为光敏传感器的放大电路。浊度信号经光 电转换，电流电压转换，两级放大，再通过数据采集模块，a d 转换，最后进入 计算机；然后利用l a b v i e w 软件对信号进行采集、处理，对真实发酵生产进行 实时浊度测量。 本研究研制了发酵过程浊度在线监测系统的硬件，编制了软，硬件通讯、 数据输入、数据处理、数据储存和显示的l a b v i e w 软件。由于采用l a b v i e w 软件的图形语言模式，使用户界面友好、直观，操作、维护简单，节约了大量时 间和试验成本。通过真实发酵测试，该系统结构较为简单，性能稳定，很好地反 映了菌体生长的过程，不仅具有较高的实用推广价值，而且为以后发酵过程在线 监测与控制系统完善及实际应用奠定了基础。 发酵过程计算机控制是生物工程产业现代化的主要手段，对于降低生产成 本、提高生产效率和产品质量有重要作用。随着我国电子和计算机技术的快速提 高，发酵过程自动化改造不仅技术成熟，而且成本也大幅降低。可以说，用自动 化技术改造传统发酵工艺在我国具有巨大潜力和经济效益。 关键词：菌体浊度在线测量光敏传感器运算放大器l a b v i e w 山东大学同等学历硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o b i a lf e r m e n t a t i o ni sa c o m p l i c a t e dp r o c e s st h a ti si n f l u e n c e db ym a n y v a r i a b l e s l i v i n gc e l lc o n c e n t r a t i o ni s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tv a r i a b l e s a m o n gt h e m t h eo n l i n e i n f o r m a t i o no fc e l lc o n c e n t r a t i o ni su s e f u lf o r c a l c u l a t i o no f s o m eo f t h ep h y s i o l o g i c a ls t a t ev a r i a b l e s ，l i k et h es p e c i f i cg r o w t h r a t ee ta 1 ，a n df o ro p t i m a lc o n t r o lo ff e r m e n t a t i o np r o c e s s s oi ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o p a l lo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rm e a s u r i n gc e l lc o n c e n t r a t i o ni n r e a l t i m ed u r i n gf e r m e n t a t i o np r o c e s s i nt h i sr e s e a r c h t h ec e l lc o n c e n t r a t i o nw a so n l i n em e a s u r e db yt h e t u r b i d i t yo ft h ef e r m e n t a t i o nb r o t h ，a st h e r ew a sal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec e l lc o n c e n t r a t i o na n dt h et u r b i d i t yo f t h ef e r m e n t a t i o nb r o t h t h ew a v e l e n g t ha n d p h o t o s e n s i t i v es e n s o ra f f e c t t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y g r e a t l y n e a ri n f r a r e dr a yl a s e rw i t ht h ew a v e l e n g t ho f6 3 2n n lw a su s e d i n s t e a do ft h ec o m p l i c a t e do p t i cs y s t e mi nt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s ，w h i c hm a d e t h ea p p a r a t u ss i m p l ea n ds m a l la n dc o n v e n i e n tf o ro n l i n et u r b i d i t y m e a s u r e m e n t s e v e r a lk i n d so fp h o t o s e n s i t i v es e n s o r s ，i n t e g r a t e do p e r a t i o n a la m p l i f i e r s a n dm a g n i f i e dc i r c u i to fp h o t o s e n s i t i v es e n s o r sw e r ei n t e g r a t e da n dt e s t e d ，a n d t h em e r i t sa n dd e m e r i t so ft h e mw e r ec o m p a r e d f i n a l l y ，t h ee l e c t r i ce y ew a s c h o s e na st h ep h o t o s e n s i t i v es e n s o ra n dt h ec o r r e s p o n d i n ga m p l i f i e rc i r c u i tw a s d e s i g n e d t h ea p p a r a t u sd e v e l o p e di n c l u d e ss e v e r a l p a r t s t h ef i r s tp a r t ，t h e p h o t o s e n s i t i v es e n s o r , t r a n s f o r m st h eo p t i c a ls i g n a lo ft u r b i d i t yt oe l e c t r i c a l s i g n a l t h es e c o n dp a n ，t h eo p e r a t i o na m p l i f i e r s ，a m p l i f i e s t h e o r i g i n a l e l e c t r i c a ls i g n a l t h et h i r dp a n ，t h ea dc o n v e r t e ra n dt h es i g n a lc o l l e c t i o n c a r dt o g e t h e rw i t ht h ev i r t u a li n s t r u m e n t ss o f t w a r ew r i t t e ni nl a b v i e w ， t r a n s f e rt h ea m p l i f i e ds i g n a lt ot h ec o m p u t e r 4 山东大学同等学历硕士学位论文 t h es o f t w a r ed e v e l o p e du s i n gl a b v l e wh a st h ef u n c t i o n so f s i g n a li n p u t , d a t as a v i n g ，d y n a m i cd i s p l a y ，a n dd y n a m i cf i g u r i n g l a b v i e wi st h eg r a p h i c a l l a n g u a g e ，w h i c hh a sm a n ym e r i t s ，s u c ha sg o o du s e ri n t e r f a c e ，v e r ye a s yt o o p e r a t ea n dm a i n t a i n ，a n dc a ns a v em u c ht i m ea n dm o n e yo f t h ed e v e l o p e r t h r o u g hr e a lf e r m e n t a t i o nt e s t , t h i ss y s t e mw a sc o n f i r m e dt ob es t a b l e ， h a v eg o o dp e r f o r m a n c ea n de a s yt ou s e t h eo n - l i n em o n i t o r i n gr e s u l ti s s a t i s f a c t o r yc o m p a r ew i t ht h eo f f - l i n em e a s l l r e dc e l lg r o w t l lc u r v e 。t h e a p p a r a m sd e v e l o p e di nt h i sr e s e a r c hw i l lb eo fg r e a tu s e f u li na u t o m a t i o no f f e r m e n t a t i o nt e c h n o l o g y c o m p u t e rc o n t r o lo ff e r m e n t a t i o np r o c e s sh a ss i g n i f i c a n c ei nr e d u c i n g o p e r a t i n gc o s t s ，i m p r o v i n ge f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y a l o n gw i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yi nc h i n a ，f e r m e n t a t i o n a u t o m a t i o nw i l ld e v e l o pf a s ts o o n w ec a l ls e et h a ti th a sg r e a to p p o r t u n i t i e s a n de c o n o m i c a lb e n e f i t st or e v o l u t i o n i z et h e t r a d i t i o n a lf e r m e n t a t i o n t e c h n o l o g yu s i n ga u t o m a t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：c e l lt u r b i d i t y ，o n l i n e m o n i t o r i n g ，p h o t o s e n s i t i v es e n s o r ， o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , l a b v i e w 5 山东大学同等学历硕士学位论文 第一章、绪论 1 1 发酵过程在线监测与控制概述 1 1 1 发酵过程在线监测与控制的提出f 1 4 】 发酵现象，自古以来就被人类利用。酿酒技术是人类最早通过实践所掌握的 生产技术之一。据考古发掘证实，我国早在龙山文化( 距今4 0 0 0 - 4 2 0 0 年) 已有 酒器出现。国外酿酒的传说则可推溯到更早，相传古埃及及中亚两河流域在公元 前4 0 - 5 0 世纪已开始酿酒。但是，在很长时间内，人们对发酵现象只知其然而不 知其所以然，直到物理、化学和生物学等自然科学的不断发展，其中奥秘才被逐 渐揭开。1 8 6 0 年荷兰人l e e n w e n h o e k 制成了显微镜，人们才知道微生物的存在。 1 8 5 7 年法国著名生物学家p a s t e u r 用实验证明了酒精发酵是由活的酵母引起的。 1 8 9 7 年德国的b u c h n e r 进一步发现磨碎了的酵母仍能使糖发酵为酒精，并将此 具有发酵能力的物质称为酶。 得到上述科学研究成果的启示，从1 9 世纪末到2 0 世纪3 0 年代，不少工业 发酵过程陆续出现，如乳酸、酒精、面包酵母、丙醇丁醇、柠檬酸( 表面培养) 、 淀粉酶( 表面培养) 和蛋白酶( 表面培养) 等。这是主要采用纯培养的方法，产 物的化学结构比原材料简单，生产过程也较为简单，对生产设备的要求不高，规 模一般不大。 随着微生物在生产上大规模的利用，出现了一项新兴的产业发酵工业。 抗生素的生产已成为现代化的大企业；微生物酶制剂已广泛用于农、工、医各方 面；微生物的其它产物如有机酸，氨基酸、维生素、核苷酸等，都是利用微生物 发酵进行大量生产。微生物的生产包括四个生长期：延迟期，指数期、稳定期、 衰亡期。由于延迟期的存在会延长微生物的正常生产周期，在发酵工业中则使生 产周期延长，降低设备的利用率，所以在生产实践中总是尽力设法缩短延迟期。 采取的措施有增加接种量，在种子培养基中加入发酵培养基中的某些成分以采用 最适种龄( 即用处于对数期的菌种) 的健壮菌种进行接种等。指数期的微生物代 谢活跃，生长速率高，群体中的细胞化学组成及形态、生理特征比较一致，通常 在生产上作为接种种子。稳定期的细胞开始积累贮存物质。由于稳定期活菌数达 6 山东大学同等学历硕士学位论文 到最高水平，如要得到大量菌体，应在此期开始时收获。衰亡期微生物死亡率逐 渐增加，总活菌数明显下降，细胞死亡并伴随着自溶。微生物反应过程中其生理 和代谢状态受环境因素的影响非常复杂。 2 0 世纪4 0 年代，由于战争需要，美英等国投入大量人力物力对青霉素生产 工艺进行改进，最终于1 9 4 3 年研制出取代表面培养的沉浸培养方法，大大提高 了生产效率。随着该工艺的推广，链霉素、金霉素和新霉素等相继问世，标志着 发酵工艺进入了一个新阶段。在抗生产素生产方面所取得的生产经验，很快推广 到5 0 年代氨基酸和6 0 年代酶制剂工业等领域。 这个时期的生产过程对技术要求较高，主要是过程要求在纯种或无菌条件下 进行，在多属好气发酵，在发酵中要通入无菌空气。同时，作为提高产量和质量 的关键一菌种，经过多次诱变和筛选，己和原先的野生株有很大区别。特别是 7 0 年代以后，随着分子生物学的发展，人们对于微生物的认识已进入到基因水 平，可以利用基因工程技术对微生物进行定向改造和创造出原先并不存在的生物 来为人类服务。因此，如何通过研究发现这些微生物与周围环境的相互作用，按 人类的意愿设法改进这些相互作用，以维持微生物的稳定并为其创造一个有利于 生产的环境，是摆在广大生物工程工作者面前的一个重要任务。这些要求的提出 促使了“发酵过程控制”的出现。 1 1 2 发酵过程在线监测与控制的任务5 7 1 发酵过程控制应包含两个控制，一是如何改变细胞的遗传组成和细胞的代射 生理特性，即所谓细胞的“内部控制”，如高产菌株的筛选或构建；另一是“外 部控制”，即对包括营养成份、细胞体及代谢产物在内的细胞生长和产物形成的 物理和化学条件的控制，达到过程最优化，其表现在生产上，就是过程放大和优 化。前者主要是育种工作者的任务，本文的着重点在于后者。 尽管从2 0 世纪4 0 年代n w i e n e r 发表控制论到现在已有很长时间，过 程控制已在化工、机械和电子等领域内得到了广泛应用，但由于如下所述的一些 原因，使发酵过程中的反应体系十分复杂，造成了发酵工业中的过程优化控制和 放大仍远远落后于其他工业。 1 1 3 发酵过程在线监测与控制系统1 8 - 1 1 1 随着生物工程的迅速发展，生物工程的很多成果必须经过发酵才能大规模地 7 山东大学同等学历硕士学位论文 生产出来。能否把摇瓶实验的成果在实验室规模的小罐上成功重复，并进一步放 大到中试和生产规模，是生物工程产品产业化的关键。过去，由于缺乏可靠的发 酵过程参数检测与控制系统，人们对发酵过程的操作主要是凭经验进行。 为了提高产量，就要了解各种因素对微生物代谢途径的影响，从而能够对这 些因素进行优化控制。即使一时还不能控制这些因素，也希望对它们进行跟踪和 监测，掌握微生物反应过程的规律。因此，需要有测定培养液中各种物质浓度， 菌体浓度、各个培养条件等参数的传感器及检测技术。 典型的生物参数有菌体浓度、底物浓度和产物浓度等直接参数以及反映菌体 代谢强度的各种间接的速率参数，如氧得用速率o u r 、二氧化碳释放速率c e r 、 菌体生长速率、底物消耗速率和产物形成速率等。 在上述的生物参数中，能够在线获得且已成熟的只有o u r 和c e r ，其他各 个参数，由于在线检测手段的缺乏，只能取样进行离线分析。在实验室，目前正 在研究利用生物传感器、红外技术和质谱技术等方法来测量菌体浓度、底物浓度、 产物浓度，同时，我们还在研究应用电子称技术来检测补料总量和补料速率。如 果这些技术有所突破并能实现产业化，将对整个发酵过程的研究有很大的帮助。 发酵过程在线检测与控制可使发酵营养物质得以适量补充，代谢产物及时排 除，从理论上讲，指数生长期可无限延长；在生产实践中，可大大提高生产效率。 恒浊连续培养就是实现连续培养的一种方法：不断调节加料流速，从而使细菌培 养液浊度保持恒定。对于一般的微生物发酵流加是大幅度提高生物量的一种较好 的方法，它是消除基质抑制及葡萄糖效应，实现菌体高浓度培养的非常有效的手 段。流加操作是指将微生物生长所需的营养物质间歇或连续地加入反应器的发酵 操作过程。其核心问题是流加速率的确定。流加操作可以分为两大类：无反馈流 加( f e e d f o r w a r d ) 和反馈流加( f e e d - b a c k ) 。根据理论和经验而不使用实际发酵 过程的状态参数来预定流速的流加都属于无反馈流加。但微生物发酵过程是细胞 与其生长环境相互作用的复杂生理过程。种子液、原材料的变化都会对发酵过程 产生影响使之偏离预定轨迹。所以根据能够体现微生物实际代谢的状态参数来反 馈控制流加速率显得更精确和更科学。 反馈流加控制是以明显可测的参数变化为依据来调节微生物的生长环境，因 此，反馈控制参数的选择非常重要。反馈控制参数应具有如下性质： 山东大学同等学历硕士学位论文 ( 1 )易于连续监测； ( 2 )与细胞与代谢强弱相互关联； ( 3 )与环境参数( 碳源、氮源浓度等) 相互关联。 茵体浓度( 或浊度) 与代谢速率密切相关，便于连续测量，是发酵过程流加 反馈控制的重要参数之一。 1 1 4 国内外研究现状0 2 - j 5 】 微生物发酵是微生物在一定的条件下( 合适的培养其、温度、p h 、通气、 搅拌等) 进行培养，在微生物所产生的酶的作用下某些物质转化为人们所需要的 产品。微生物发酵工程是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础。为了提高 发酵过程的生产率，之前更多的注意力放在了菌种的筛选和改造上，尤其是随着 现代生物技术的发展，在基因工程和代谢工程领域内有了长足的进展。但是在得 到一个高产菌株后，还必须考虑实际发酵工程中的工艺和过程优化。工业化发酵 过程与实验室发酵过程的条件不同，其生产操作过程与相去甚远。因此，对发酵 过程的优化控制技术必须得到应有的关注。 发酵过程优化提的是在已经提供的常规菌种或基因工程菌的基础上，在生物 反应器( 发酵罐) 中通过操作条件的研究，或发酵罐装备的选型改造，达到发酵 产品最优，即生产能力最大、成本消耗最低或产品质量最高。从上世纪中叶开始， 为了研究微生物过程特性，对微生物细胞生长、代谢及有关产物形成等动力学进 行了研究，先后建立了m o n o d 、c o n t o i s 等数学模型。随着对工业化发酵过程优 化技术的深入研究，特别是对细胞大规模培养技术的深入研究和对以分批培养为 主要对象的发酵过程参数的时变性、多样性、祸合性和不确定性的认识，在过程 动力学数学模型的基础上，引进了一系列现代控制理论。其中包括静态和动态优 化、系统识别、自适应控制、专家系统、模糊控制、神经元网络等。 1 2 菌体浊度检测 1 2 1 浊度的定义i 1 】 浊度是水的一种光学性质，其定义为：由于不溶性物质的存在而引起液体透 明度降低的量度。细微的、分散的悬浮颗粒通常为不溶性微生物等，透明度的降 低是由于光经过水体时不溶性物质产生的光的散射和吸收。虽然水的浊度与悬浮 物质的数量没有直接的线性关系，但浊度的数值与悬浮颗粒的数量仍有相关性， 9 山东大学同等学历硕士学位论文 因此常用浊度值评价发酵液中的菌体浓度。 由于浊度的检测方法很多，而不同的方法所得结果之问又缺乏可比性，因而 浊度检测方法的标准化是很有必要的。 1 2 2 浊度单位的历史变迁 2 2 - 2 4 l 由于标准液和测量方法的不断进步，历史上浊度曾使用过多种单位，有德国 单位、日本单位、美国单位等等，长期没有得到统一。1 9 8 4 年国际标准化组织 颁布了“i s 0 7 0 2 7 水质一浊度的测定”国际标准，规定了浊度标准溶液的配制方 法( 福尔马肼法) 和浊度单位( f n u ) ，对浊度的测定有了可靠的依据。我国与 许多国家一样，在浊度测定的标准单位和标准溶液配制上，过去长期未达到规范 化，使用过的浊度单位有“度”、“m g l ”、“n t u ”，“p p m ”、“f n u ”等。一些过 去的技术书刊上的标准溶液配制和单位也不统一，给浊度测定工作带来一定的混 乱，所以亟待规范统一，与国际接轨。经过了长时间的变迁，现在国际上和我国 都用n t u 作为浊度测量的统一单位，给生产测量带来了最大的方便，现将浊度 单位的历史变化释意如下： 度：国家标准g b 5 7 4 9 - 1 9 8 5 中的6 1 2 款定义为“相当于lm g 一定粒度的 硅藻土在1 0 0 0m l 水中所产生的浑浊程度称为1 度”。我国国家标准生活饮用 水卫生标准( g b 5 7 4 9 1 9 8 5 ) 、生活饮用水标准检验法( g b 5 7 5 0 1 9 8 5 ) 中都 规定了浊度的单位使用“度”。 m g i l , 以不溶性硅。如漂白土、高岭土等在蒸馏水( 经二次蒸馏过滤后的以下皆是) 中所产生的光学阻碍现象为基础，也即规定lm g l 的s i 0 2 所构成的浑浊度单位。 这种单位也称为“硅单位”它虽然比较实用，但还不十分严谨。 p p m ： 将lg 精制高岭土放入一只1 0 0 0m l 的烧杯中，然后n a 蒸馏水至ll 刻度 为止，便得到1 0 0 0p p m 的标准溶液，用此溶液称量稀释，可配制出各种浓度的 标准浊度溶液，但保存时间不能超过一周。 n t u ： 当采用散射光原理制造的浊度仪并使用福尔马肼聚合物作为基准物质时，l l 水中含有lm g 的福尔马胼聚合物悬浮物质时，称为一个散射浊度单位，用i 山东大学同等学历硕士学位论文 n t u ( n e p h e l o m e t r i ct u r b i d i t yu n i t ) 表示，溶液配制方法同i s 0 7 0 2 7 8 4 国际标准。 f n u ： i s 0 7 0 2 7 - 1 9 8 4 国际标准中称之为福尔马肼( f o r m a z i n ) 浊度单位( f n u ) ， 其标准溶液直接采用福尔马肼( c 2 h 4 n 2 ) 试剂配制。 1 2 3 浊度分析的理论基础 2 5 - 3 2 当光线通过浑浊介质时，有一部分光被悬浮物质所散射，另一部分光被悬浮 体所吸收，透过的光强度小于入射光强度。因此，测量悬浮物质的浓度有以下两 种方法：( i ) 根据测量或比较透射光强度以决定悬浮液浓度的方法，称为透射测 浑法或比浊法；( 2 ) 根据测量或比较散射光强度以决定悬浮液浓度的方法，称散 射测浑法或散射比浑法。 一、透射测浑法 对于含有微小粒子的悬浮体，透射光强度j 和入射光强度j o 之间的关系， 与光线通过吸收介质以后光强减低相似，可用下式表示： j = j o e 一。= j o e 一“ 式中的，为入射光通过介质的厚度，r 是介质的浊度，它与单位体积介质中 所含粒子的数量成正比，即r = k v ，k 为比例系数，它的值与粒子的大小及入 射光的波长等有关。 对上式取对数可得： 1 n 冬；k n 或 - ， l n 五：0 1 4 3 幻l ， 3 根据上式制成的测量悬浮体浓度( 即测璧单位体积中粒子的数目) 的仪器称 为比浊计与光电比色计相似，它们的作用原理部基于测定l g 争。 二、散射测浑法 被悬浮物质散射的垂直于入射光方向的散射光强度j ，在悬浮物质的尺寸小 于入射光的波长时遵守以下方程式 山彖大学同等学历硕士学位论文 ，ln y 2 2 j 。七丁 式中，工为入射光的强度；n 为单位体积中的微粒数：矿为微粒的体积； 为入 射光的波长：k 与介质和微粒的折射率等有关的比例系数。 上式为一个近似的表达式，它指出散射光强度与悬浮微粒的数量成正比，也就 是与待测微粒的浓度成正比。它还指出，散射光强度与微粒的体积和入射光波长 有关。在测量种类不同的悬浮液时由于各种物质的散射性能不一样，同样的散 射光强度所代表的悬浮液浓度是不同的，因而根据不同试样的性能需分别做出标 准曲线和校正。由于悬浮物质的散射光强度随着波长的减小而急剧增加，一般采 用波长较短的光源及在短波光谱范围有较高灵敏度的光电器件。但在微生物发酵 液中，由于存在各种营养物质，并且培养液常带有颜色，它们对短波光谱有极强 的吸收，产生较大的干扰。所以，在检测发酵液的浊度时，我们采用波长较长的 红色可见光和在长波光谱范围有较高灵敏度的光电器件。 图i - i 散射光检测浊度示意图 光源1 发出的光线经过折光片2 射盛有被研究悬浮液的液槽3 中，被悬浮液 散射的散射光经过狭缝4 投射于光敏元件5 上，经放大器6 放大后就可由微机7 读得悬浮物质的浊度对应的电信号。 1 2 山东大学同等学历硕士学位论文 根据悬浮物质的散射光强度测量液体浑浊度的仪器称为散射浊度。 图卜1 的装置虽然简单，但由于直接用来测量散射光，容易受光源波动和外 界因素等影响。为了消除外界影响，与比色计相类似，一般多利用差动法或补偿 法等进行测定，即测量散射光强与入射光强度之比，或测量散射光强度与标准悬 浮液所散射的光强度之差( 或比) ，这样可提高测量的准确度。 目前有许多复合式光电浊度计，即既可按透射测浊法测量，也可按散射光的 强度测量。这种浊度计从原理上讲与上述方式没有区别。 三、应用领域 透射测浑法主要用于测量：饮水的浊度，饮料的质量，含有异类微粒的药品， 离心作用和过滤作用的效果，灰尘和烟的浓度等。 散射测浑法主要用于：测量稀薄悬浮体的浓度( 这是若用透射法，透射光强 度与入射光强度的差别太小) ，透明的质点、微粒，测尘器等。 1 2 4 浊度在线控制的构想【3 3 4 1 j 浊度仪是用来测量液体中浊度的仪器。浊度测量有各种形式，如，比浊法， 重量法和光电法。目前多数浊度仪均采用光电法。光电法测浊按其作用原理又分 为透射光测定法，散射光测定法，散射透射光度比测定法三种。 随着人类工业的迅速发展，由于浊度是水质指标的重要参数之一。在污水、 饮用水和地表人处理及水的循环利用中，水中浊度的监测十分重要。在发酵工业 中，因发酵浊度可换算为菌体浓度，对浊度也相当重视。但由于没有现成的在线 浊度监测系统，一般都是取样后分析，无法对菌体浓度进行在线控制，这阻碍了 发酵工业的计算机的控制应用。 我们研制的浊度在线控制系统，传感器采用散射光的测量方法；散射光是基 于光穿过含有悬浮物的液体介质时，散射光的强度与液体中悬浮物的含量成正比 的原理。传感器采用光电器件，提高测量灵敏度。放大器的输入采用仪用放大器 来提高测量浊度的精确度和稳定度。光源采用激光光源，这是由于激光光强大， 稳定性高，且单一性好。 i 2 5 光源与光敏感元件 l 激光 4 2 - 4 6 1 激光是原子受激辐射所产生的光。它具有许多特点。( 1 ) 方向性强；激光 山东大学同等学历硕士学位论文 光束的发散角很小，一般在几个毫弧度以内，因此，激光光束近似为一条直线， 很细。( 2 ) 单色性好；一般的谱线宽度则为千万分之一埃，可见它是理想的单色 光源。( 3 ) 亮度高；( 4 ) 具有良好的相干性等特性。 采用激光光源的主要优点是光波长单一，不需要分光装置和聚焦透镜，利 于仪器小型化，增加仪器可靠性和降低仪器成本。 2 光电器件或光敏感元件 4 7 - 5 1 】 把光能( 可见光或不可见光) 的变化转换为电量( 电阻，电流、电压等) 变化的器件称为光电器件用一个或几个光电器件把欲测的物理量( 溶液浓度等) 转换成电量的装置称为光电器件或光敏感元件。光电器件根据材料和结构形式的 不同，光电效应有以下三种表现形式。( 1 ) 光电发射效应( 如真空光电管) ，( 2 ) 光电导效应( 如光敏电阻) ，( 3 ) p n 结光电效应( 如光电池，光敏二极管和光敏 三极管) 。 1 2 6 集成运算放大器的发展 5 2 - 5 8 】 光电器件或光敏感元件将光信号转换成为电信号，但信号十分微弱，需要 进行放大才能驱动仪表或接入计算机。早期曾使用电子管放大器，后来有了晶体 管放大器，现在更多地使用集成放大器。模拟集成电路在其设计和工艺技术的发 展过程中，形成了具有自身特点的设计思想和工艺体系；在技术发展水平、产品 种类、产品应用等方面，都最大限度地满足了信息化技术的需要：其应用己渗透 到各个领域。随着信息技术对模拟集成电路要求的不断提高，模拟集成电路不断 推出新技术，技术水平从十几微米、几微米发展到亚微米、深亚微米。模拟集成 电路的设计、制作技术不断发展，其产品出现两大明显的发展趋势：( 1 ) 标准产 品快速向高性能发展；( 2 ) 单功能模拟集成电路向嵌入式系统集成发展，即在模 拟集成电路系统中嵌入数字电路，或在数字系统中嵌入模拟电路。微电子新技术 革命的结果将会得到更高的器件成品率、更低的器件成本、更多的系统功能，更 高的可靠性。微电子技术发展计划将使未来技术发生转变，从而使集成电路系统 向智能化操作系统发展，这也预示着未来的集成运算电路的将具有更大的发展潜 力和更广阔的市场需求前景。 1 2 7 虚拟测试仪器的发展及前景【5 9 书l 传统的测试由不同的仪器来完成，今后的发展趋势是仪器被计算机取代， 1 4 山东大学同等学历硕士学位论文 敏感元件测量信号经放大和滤波后直接输入计算机，计算机实现后续信号处理和 显示，成为虚拟仪器。虚拟仪器使不同测试可以共用一台计算机，降低了成本， 同时计算机软件功能强大、使用灵活。从模拟技术向数字技术过渡、从单台仪器 向多种功能仪器组合过渡、从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结合方向过渡、 从简单的功能组合向以个人计算机为核心的通用虚拟测试平台过渡、从硬件模块 向软件包形式过渡，代表了今后电子测试仪器发展方向。目前，一组以先进的计 算机总线技术和虚拟仪器编程技术为核心的新技术，正在广泛应用于测试与仪器 技术领域，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，n i ) 的l a b v i e w 便是其是 杰出的代表。 l a b v i e w 不仅拥有卓越的功能，而且形成了丰富的衫工具软件包，这不仅 保证了系统开发的质量，同时简化了开发的难度。它具有如下的特点： ( 1 ) l a b v i e w 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面。针对测试 测量和过程控制领域，l a b v i e w 中提供了大量的仪器面板中的控制对象，用户 还可以通过控制编辑自动测试与控制系统是l a b v i e w 的主要应用领域之一。信 号分析与处理是测试技术工作的重要组成部分，是虚拟信号分析仪器的核心部 分。如表头、旋钮、图表等。用户还可以通过控制编辑器将规有的控制对象修改 成适合自己工作领域的控制对象。 ( 2 ) l a b v i e w 使用图标表示功能模块，使用图标间的连线表示在各功能模块 问的数据传递，使用大多数工程师和科学家都熟悉的数据流程图式的语言书写程 序源代码，这使得编程过程与思维过程非常近似。 ( 3 ) l a b v i e w 提供程序调试功能，如用户可以在源代码中设置断点；单步执 行源代码；在源代码中的数据流连线上设置探针，观察程序运行过程中数据流的 变化：在数据流程图中以较慢的速度运行程序；根据连线上显示的数据值检查程 序运行的逻辑状态等。 ( 4 ) l a b v i e w 继承了传统的编程语言中的结构化和模块化编程的优点，这对 于建立复杂应用程序，提高代码的可重用性来说是至关重要的。 ( 5 ) l a b v i e w 采用编译方式运行3 2 位应用程序，这就解决了其他用解释方式 运行程序的图形化编程平台运行程序速度慢的问题。 ( 6 ) l a b v i e w 支持多种系统平台，如l a c i n t o s h ，l i n u x ，hp - u x 。s u ns p a r c ， 山东大学同等学历硕士学位论文 w i n d o w s 9 x n t 2 0 0 0 等，在以上任何一个平台上开发的l a b v i e w 应用程序都可以直 接移植到其他平台上。 ( 7 ) l a b v i e w 提供了大量的函数库供用户直接调用。从基本的数学函数、字 符串处理函数、数组运算函数和文件i 0 函数到高级的数字信号处理函数和数值 分析函数：从底层的v x i 仪器、数据采集版和总线接口硬件的驱动程序到世界各大 仪器厂商的g p i b 仪器的驱动程序，l a b v i e w 都有现成的模块帮助用户迅速组建自 己的应用系统。 ( 8 ) l a b v i e w 是一个开放式的平台，提供d l l 库接口和c i n 节点，使用户有 能力在l a b v l e w 平台上使用由其他软件平台编译的模块。借助d d e ，h c t i v e x 等技 术，扩充系统的开发能力，l a b v i e w 运用多线程技术改善系统的运行及可靠性。 采用虚拟技术的所有测试仪器，其硬件部分仅传感器不同，其余部分都是 完全一致的。这极大的降低了测试仪器的硬件成本。预计采用这种新技术的测试 仪器性能可比传统独立台式仪器提高l o 倍以上，而且系统互换性和互操作性显著 提高。未来的电子测试仪器除了拥有更强大和更完善的功能之外，还将变得更小， 甚至可以移植到被测试的设备或电路中去，并且具有自我诊断，自称校准和自我 感知的能力。届时，人们仅仅需要向仪器发布一个测试指令，就可以获得最终的 测试结果和信息。 、 1 3 本课题研究意义 目前，借助于微生物发酵培养进行各种产品生产已是生物技术产业化的重 要组成部分，其作用范围涉及医药、食品、能源等领域。为了提高经济效益，除 了不断扩大工厂生产或生物反应器的规模外，对发酵工程的过程优化提出了更高 的要求。因此，如何对发酵过程进行优化控制，切实可行地解决工业生产中的实 际问题就成为当前工业发酵迫切需要解决的重要课题。 在相同培养条件下一般可以认为菌体的碳源得率y ) 【f s 为定值，这样，在线 监测菌体浓度就可以在线计算出碳源的消耗量，用于控制补料速率。此外，实现 菌体浓度的在线测量还能够用于在线计算一些重要的能够反应微生物代谢状态 的间接参数，如比生长速率、比呼吸速率、比底物消耗速率和比产物合成速率等， 用于发酵过程的优化控制。实现对发酵过程中关键参数的测量及对发酵过程的优 化控制具有重要的理论和实际应用价值。 1 6 1 4 本课题的主要研究内容 ， 本课题研究的主要目的是针对可溶性培养液进行发酵时，在线检测其发酵液 的菌体浊度变化，实现以浊度为基础的发酵过程补料控制，达到在线控制菌体生 长，提高发酵的产量和质量，降低发酵成本的目的( 图i 2 ) 。 传感器 图i - 2 以浊度为基础的发酵过程补料控制 菌体浊度可在一定程度上代替菌体浓度，在发酵工业中，菌体浊度的测量显 得特别重要。由于目前多数传感器无法耐受高温消毒的破坏，而不能应用于发酵 工程领域，限制了高新技术在该领域的应用。本文通过光敏传感器，对在线检测 菌体浊度进行探讨，试图找到一种较为可行的方法。 1 7 山东大学同等学历硕士学位论文 第二章、光敏器件特性研究 光传感器主要是指把光信号转变为电信号的光电转换器件。在工业自动检测 技术中，广义来说，在一个闭合电路中，由于入射到此电路一个元件上的光的作 用而引起电流或电压的产生或变化，称为光电效应。光电效应分四种类型：( 1 ) 具有外光电效应的光电管；( 2 ) 具有内光电效应的光敏电阻；( 3 ) 具有阻挡层光 电效应的光敏二极管、光敏三极管；( 4 ) 具有整流光电效应的光电池。本章对以 上四种不同光电效应类型的器件进行了测试，根据它们的光电特性，选用不同的 物理器件，进行光电转换，同时比较它们的优缺点，为在线浊度检测系统传感器 的选用，提供实验数据。 2 1 光敏器件工作原理 2 1 1 光敏电阻 光敏电阻是用金属物质如c d s ( 硫化镉) 做成的敏感元件，在光的照射下， 物质内部的原子可释放出电子，这些电子仍留在物体内部，这样物质内部在受光 照射后电子和空穴的数目急骤增加，从而使物质的导电增加而改变自身的电阻， 这种效应称为光电导效应。当光照射到不加外电压的光敏电阻器上时，不发生电 动势，从而也不引起光电流。光敏电阻器在两个方向的导电性能是相同的，因此 没有极性。 光敏电阻器上的电压恒定时，流过它的电流将由入射到光敏电阻器上的光照 度值来决定。照度越大，在光敏电阻器回路中流过的电流也越大。 在黑暗中的光敏电阻器也有微小的电流流过，该电流由黑暗中的电阻即暗阻 决定。暗阻可以从几万q 到几十m q 。当光敏电阻器受到强光照射时，其电阻值 即亮阻可以改变为暗阻的几万分之一到几十万分之一。 2 1 2 光敏= 极管 光敏二极管是一种p n 结型半导体元件，它以高电阻系数p 型硅( 或锗) 为 基本材料作为基片，然后在基片上用扩散磷的方法形成n 型光敏面，构成一个 p n 结，当具有比禁带能量大的光照射到p n 结上时，半导体内电子受到激发，就 山东大学同等学历硕士学位论文 产生出电子空穴对。由于电场的作用，在耗尽层中产生的电子向n 区漂移，空穴 向p 区漂移，并且扩散长度以内电子、空穴也从p n 结扩散到耗尽层，然后又在 电场作用下各自分别漂移向n 区和p 区结果就在p 型层和n 型层中产生了电荷积 累，从而产生了电势，这就是光电效应。这种电荷积累降低了p n 结势垒，所以 电子和空穴又会反方向移动，直到电压下降到基本一值时就达到了平衡。这个电 压值称为开路电压( v o p ) ，将p n 结两端的电极短路时所产生的电流称为短路电 流或环电流( i s h ) 。 光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小( 一 般小于0 1 微安) ，称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入p n 结后，把 能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子一一空穴 对，称为光生载流子。 2 1 3 光敏三极管 基梗光照发射极 ( 发射区) 图2 - i 光敏三极管内部结构图 光敏三极管的内部结构与普通三极管有相似之处，都有n p n 或p n p 三个区， 不同之处在于主要是光电三极管的基区可直接接受光照。其基极不必外引，当光 照在基区时，产生电子空穴对，电子被加有反向偏压的集电结内部强电场吸入集 电区。为了保持基区电中性，发射区向基区注入电子与空穴复合。但注入的电子 大部分也被集电结强电场吸入集电区，形成强大的集电