发酵学发酵过程的检测与自控PPT课件

精品课件 1 第八章发酵过程的检测与自控 精品课件 2 精品课件 3 第一节发酵过程的参数检测第二节发酵过程的自动控制 本章主要内容 精品课件 4 第一节发酵过程的参数检测 概述一 直接参数检测二 间接参数检测 精品课件 5 概述 1 检测目的获得发酵过程的重要参数 以便于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发酵产品 精品课件 6 具体目的 了解过程变量的变化是否与预期的目标值相符 决定种子罐移种和发酵罐放罐的时间 对不可测变量进行间接估计 对过程变量按给定值进行手动控制或自动控制 收集建立数学模型必需的数据 通过过程模型实施计算机控制 精品课件 7 从检测手段分可分为 间接参数 由直接参数经过计算得到 如摄氧率 KLa等 直接参数 直接测得 温度 pH 残糖等 在线检测参数 不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上得到的参数 如温度 pH 搅拌转速 离线检测参数 取出样后测定得到的参数 如残糖 菌体浓度 2 检测方法 精品课件 8 1 传感器 电极或探头 能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用信号的器件或装置 它通常由敏感元件 转化元件及相应的机械结构和线路组成 3 传感器 精品课件 9 2 对传感器的要求传感器除了满足常规要求 诸如 可靠性 准确性 精确度 响应时间 分辨能力 灵敏度 测量范围 特异性 可维修性等 还应当满足一些特殊要求 一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌其次是在发酵过程中保持无菌的问题还有一个问题是传感器易被培养基和细胞沾污 精品课件 10 3 传感器分类 测量方式 离线传感器在线传感器 原位传感器和在线传感器 pH传感器 电极 溶氧传感器 电极 氧化还原电位传感器 溶解二氧化碳传感器 精品课件 11 4 检测参数 性质 物理参数 温度 搅拌转速 空气压力 空气流量 溶解氧 表观粘度 排气氧 二氧化碳 浓度等化学参数 基质浓度 包括糖 氮 磷 pH 产物浓度 核酸量等生物参数 菌丝形态 菌浓度 菌体比生长速率 呼吸强度 基质消耗速率 关键酶活力等 精品课件 12 物理参数 精品课件 13 化学 生物参数 精品课件 14 一 直接参数检测 1 温度检测 温度电极严格保持菌种的生长繁殖和生物合成所需的最适温度 对稳定发酵过程 缩短周期 提高产量 具有重要意义 通常可以采用水银温度计 热电阻监测系统中的温度 普遍使用的热电阻有铂电阻和铜电阻 铂电阻精度高 稳定性好 性能可靠 铜电阻超过100 时易被氧化 一 传感器检测 精品课件 15 2 pH检测 pH电极微生物代谢状况的综合反映 基质代谢 产物合成 细胞状态 营养状况 供氧状况一般采用可原位蒸汽灭菌的复合pH电极 其中包括一只玻璃电极和一只参比电极 pH电极安装在专用外壳中 可连续指示罐内酸碱变化 精品课件 16 精品课件 17 pH电极测量原理 pH电极实际上是由参比电极与指示电极组成的一个自发电池 该电池的参比电极的输出电位恒定 指示电极的输出电位随被测体系中氢离子活度而变化 因此整个自发电池的电动势就是被测体系中氢离子活度的函数 因此从电位差计的E值可测出pH值 精品课件 18 复合电极将两支电极都装在一根玻璃管中 工业上在线检测大都使用这种电极 它结构紧凑 便于安装 精品课件 19 溶氧电极能耐高温 可以固定装在发酵罐上 连续地测量培养液中溶氧浓度 使用一个可灭菌的不锈钢探头 表面由允许氧渗透进入电化学小室的材料构成 电化学小室内有浸在碱性水溶液中的两个电极 进入的氧在电化学小室内引发氧化还原反应并产生电动势 可以放大成表示溶氧浓度的信号 把溶氧浓度变成一个与之呈线性关系的电流量 进行测量 3 溶氧测定 溶氧电极 精品课件 20 复膜氧电极的工作原理 阴极由铂 银 金等贵金属组成 阳极由铅 锡 铝等组成 当给电极施加极谱电压 0 6 0 8V负电压 时 溶液中的氧就在阴极被还原 当产生的电流与溶液中氧含量成正比时 此时的电极电流为饱和电流 此时的电压为极谱电压 氧浓度与饱和电流成正比关系 精品课件 21 在阴极表面发生的电极反应 1 2O2 H2O e 2OH 阴极上失去电子后 阳极反应产生的电子流向阴极 于是在二电极之间形成电流 将氧的信号转变成电信号 氧浓度越高 电流越大 阳极上的反应是 Pb 2ACO Pb ACO 2 2e 化学信号转变成电信号 精品课件 22 cL c DOT式中P 实际操作压力 Pa c0 在0 101325MPa压力下的饱和溶氧浓度 mol m3或mmol L c 在实际操作压力P下的饱和溶氧浓度 mol m3或mmol L cL 发酵液中溶氧浓度 mol m3或mmol L DOT 溶氧传感器测量的溶氧压 一般使用覆膜溶氧探头 它实际测量的是溶氧分压 与溶氧浓度并不直接相关 故测量结果称为溶氧压 dissolvedoxygentension 简称DOT 它以饱和值 即与气相氧分压平衡的溶氧浓度 的百分数表示 精品课件 23 4 泡沫的控制 液位电极 消泡电极 液位电极是根据空气与带有发酵液的泡沫导电率不同的原理制造 当反应物液面达到一定的高度时 自动打开消泡剂的阀门 当液面降回到正常时 自动关闭消泡剂的阀门 精品课件 24 5 生物传感器 定义 是利用酶 抗体 微生物等作为敏感材料 将所感受的生物体信息转换成电信号进行检测的传感器 原理 生物传感器的结构一般是在基础传感器 电化学装置 上再耦合一个生物敏感膜 称为感受器或敏感元件 生物敏感膜紧贴在探头表面上 再用一种半渗透膜与被测溶液隔开 当待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于敏感物质时 形成复合体 随之进行生化和电化学反应 产生普通电化学装置能感知的O2 H2 NH4 CO2等 并通过电化学装置转换为电信号 精品课件 25 生物传感器测量原理 精品课件 26 酶传感器微生物传感器免疫传感器细胞传感器组织传感器 精品课件 27 生物传感器的特点 1 对被检测物质具有极好的选择性 噪音低 2 操作简单 需用样品少 能直接完成测定 3 经固定化处理后 可保持长期生物活性 传感器可经得住反复使用 4 主要缺点是寿命较短 对蒸汽和化学灭菌不稳定 精品课件 28 传感器检测的优点及问题 优点 主要是及时 省力 且可从繁琐操作中解脱出来 便于用计算机控制 问题 发酵液的性质复杂 一般培养液中同时存在三相 即液 气 固体不溶物或油 发酵要求纯种培养 培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌 因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌 这给各种传感器的制造带来很大的困难 精品课件 29 1 生物量检测干细胞含量 DNA含量 过滤探头 粘度 压缩体积法 离心 静置沉降体积法 比浊法 适合于细菌 酵母 2 尾气分析红外CO2分析仪 顺磁O2分析仪3 发酵液成分分析高效液相 质谱 二 其他检测技术 精品课件 30 精品课件 31 二 间接参数的检测 根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓 溶氧浓度 基质浓度和产物浓度等参数的变化值 可分别计算出菌体的比生长速率 氧的比消耗速率 基质的比消耗速率和产物比生产速率 精品课件 32 摄氧率r 单位体积培养液每小时所消耗的氧量 mmol L h 1 摄氧率 精品课件 33 呼吸强度QO2 单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量 mmol g h 2 呼吸强度 精品课件 34 呼吸商RQ CO2释放率与氧消耗率之商 3 呼吸商 精品课件 35 RQ是碳能源代谢情况的指示值 碳能源完全氧化 RQ达到完全氧化理论值碳能源不完全氧化 RQ异常 实测RQ值低于理论值因为 不完全氧化的中间代谢物存在多种碳源如青霉素发酵 RQ为0 5 0 7 且随葡萄糖与消泡剂加入量之比而波动 精品课件 36 一些碳能源基质的理论呼吸商 精品课件 37 精品课件 38 包括 和过程的未来状态相联系的控制目的或目标 如要求控制的温度 pH值 生物量浓度等 一组可供选择的控制动作 如阀门的开 关 泵的开 停等 一种能够预测控制动作对过程状态影响的模型 如用加入基质的浓度和速率控制细胞生长率时需要能表达它们之间相关关系的数学式 这三者相互联系 相互制约 组成具有特定自控功能的自控系统 变量测量和变化规律的认识 控制器 自动化仪表 计算机组成 控制关键变量 控制发酵过程 第二节发酵过程的自动控制 精品课件 39 1 基本的自动控制系统 前馈控制 反馈控制 自适应控制2 发酵自动控制系统的硬件组成 本节主要内容 精品课件 40 1 基本的自动控制系统 前馈控制 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 并提前实施控制 如 通过冷却水压力 控制阀 控制温度变化 对温度的控制 在系统中 冷却水的压力被测量但不控制 当压力发生变化时 控制器提前对冷却水控制阀发出动作指令 以避免温度的波动 前馈控制的控制精度取决于干扰量的测量精度 以及预报干扰量对控制变量影响的数学模型的准确性 精品课件 41 反馈控制反馈控制是自动控制的主要方式 精品课件 42 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 串联反馈控制 两个以上控制器对一变量实施联合控制 前馈 反馈控制 前馈控制与反馈控制相结合 精品课件 43 自适应控制 发酵过程是复杂的和不确定的过程 而上述自控系统的数学模型结构和参数都是确定的 过程的输入信号均为时间的函数 过程的输出响应也是确定的 所以对发酵过程动态特性无法确定数学模型 过程的输入信号也含有许多不可测的随机因素 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