生物反应器的放大与控制

第九章生物反应器的放大与控制 引言 一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产直至成为商品的一系列过程 其研究开发包含了实验室的小试 适当规模中试和产业规模化生产等几个阶段 生物反应器的放大是生物加工过程的关键技术之一 生物反应器的放大 是指将研究设备中的优化的培养结果转移到高一级设备中加以重演的技术 实际上也兼具生物反应过程放大的含义 它是生物技术开发过程中的重要组成部分 也是生物技术成果得以实现产业化的关键之一 引言 反应器的放大涉及内容较多 除涉及微生物的生化反应机制和生理特性外还涉及化工放大方面的内容 诸如 反应动力学 传递和流体流动的机理等 因此 它是一个十分复杂的过程 目前反应器的放大方法主要有 经验放大法 因次分析法 时间常数法和数学模拟法 第一节生物反应器的放大 一 经验放大法二 其他放大方法 简介 定义 经验放大法是依据对已有生物反应器的操作经验所建立起的一些规律而进行放大的方法 特点 这些规律多半是定性的 仅有一些简单的 粗糙的定量概念 由于该法对事物的机理缺乏透彻的了解 因而放大比例一般较小 并且此法不够精确 但是对于目前还难进行理论解析的领域 还要依靠经验放大法 对于生物反应器来说 到目前为止 应用较多的方法也是根据经验和实用的原则进行反应器的放大和设计 一 几何相似放大 定义 生物反应器的尺寸放大大多数是利用几何相似原则放大 所谓的几何相似指的是两台设备的几何形状完全相似 在几何相似放大中 放大倍数实际上就是反应器体积的增加倍数 一 几何相似放大 7 1 7 2 和 7 3 式中 反应器的高度 m 反应器的内径 m 反应器的体积 m3 下标 1 模型反应器 下标 2 放大的反应器 若按几何相似放大法 当体积增加10倍时 生物反应器的直径和高度均放大101 3倍 二 以单位体积液体中搅拌功率相同放大 定义 以单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同这一准则进行的反应器的放大 是一般机械搅拌式化学反应器的放大准则 可以将此准则应用于生物反应器的放大 二 以单位体积液体中搅拌功率相同放大 7 4 对于不通气时的机械搅拌生物反应器 根据轴功率计算公式 可以得到 7 5 因此 7 6 所以 7 7 7 8 不通气时的搅拌功率 kW 反应器的内径 m 发酵液的体积 m3 下标 1 模型反应器 下标 2 放大的反应器 二 以单位体积液体中搅拌功率相同放大 对于通气式机械搅拌生物反应器 可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大 即 7 9 根据通气时搅拌轴功率的计算公式 可知 7 10 二 以单位体积液体中搅拌功率相同放大 所以 7 11 7 12 式中 通气搅拌率 通气量 空气的线速度 三 以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大 生物细胞培养过程中空气流量的表示方式有两种 1 单位培养液体积在单位时间内通入的空气量 标准态 即 m3 m3 min 7 13 2 操作状态下空气的线速度 m h m h 7 14 三 以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大 m3 h 7 15 m3 m3 min 7 16 式中 反应器内径 m 反应器的温度 发酵液体积 m3 液柱平均绝对压力 Pa 三 以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大 以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大时 有 即 7 17 因此 7 18 由上式可知 当体积放大100倍时 如果忽略液柱压力 则即线速度增大4 64倍 其结果是显得空气线速度放大过多 四 以空气线速度相同的原则进行放大 以空气线速度相同的原则进行放大时有 7 19 即 7 20 由上式可知 当体积放大100倍时 即 若忽略液柱压力 即 即通风量减少4 64倍 其结果是通风量过小 五 以相同的原则进行放大 在耗氧发酵过程中 由于氧在培养液中的溶解度很低 生物反应很容易因为反应器供氧能力的限制受到影响 因此以反应器的相同作为放大准则 往往可以收到较好的效果 反应器的与操作条件及培养液的物性有关 在进行放大时 培养液性质基本相同 所以可只考虑操作条件的影响 根据文献报道 与通气量 液柱高度 培养液体积存在如下的比例关系 7 21 五 以相同的原则进行放大 按相等的原则进行放大 则有 7 22 故 7 23 五 以相同的原则进行放大 又因为 7 24 所以 7 25 又因为 7 26 故 7 27 五 以相同的原则进行放大 也有采用下面的表达式作为放大基础 7 28 因此 7 29 若以 7 30 7 31 五 以相同的原则进行放大 按相同的原则进行放大 则 7 32 7 33 7 34 六 搅拌器叶尖速度相同的准则 按照搅拌器的叶尖速度相等的原则进行放大 当大小反应器中搅拌器的叶尖速度相等时 因此 7 35 七 混合时间相同的准则 混合时间是指在反应器中加入物料 到它们被混合均匀时所需的时间 在小反应器中 比较容易混合均匀 而在大反应器中 则较为困难 通过因次分析 得到以下关系 7 36 七 混合时间相同的准则 对于几何相似的反应器 时 从上式可以得出 7 37 总结 需要指出的是上述放大方法是各强调一个侧重点 得出的结论往往有较大的差异 下表所列出的是10L小罐 n 500r min 通气1VVM 放大到10000L 即放大1000倍 时 按照不同的放大准则所得出的结论 并以搅拌转速来进行比较 表7 1放大方法的比较 总结 从表中的数据可以看到 按照不同准则放大 结果是放大后的反应器其他参数发生了悬殊的差别 这说明在放大中选用什么准则是很重要的 这要根据放大体系的特点而确定 反应器的放大问题现在尚未解决 在放大时往往外还要凭借经验 有人统计 实际放大过程中应用最多的是和相同 二 其他放大方法 因次分析法时间常数法数学模拟法 二 其他放大方法 因次分析法也称相似模拟法 它是根据相似原理 以保持无因次准数相等的原则进行放大 该法是根据对过程的了解 确定影响过程的因素 用因次分析方法求得相似准数 根据相似理论的第一定律 各系统互相相似 则同一相似准数的数值相等的原理 若能保证放大前与放大后的无因次数群相同 则有可能保证放大前与放大后的某些特性相同 二 其他放大方法 迄今为止 因次分析法已成功地应用于各种物理过程 但对有生化反应参与的反应器的放大则存在一定的困难 这是因为在放大过程中 要同时保证放大前后几何相似 流体力学相似 传热相似和反应相似实际上几乎是不可能的 保证所有无因次数群完全相等也是不现实的 并且还会得出极不合理的结果 二 其他放大方法 在生物反应器的放大过程中 由于同时涉及微生物的生长 传质 传热和剪切等因素 需要维持的相似条件较多 要使其同时满足是不可能的 因此用因次分析法一般难以解决生物反应器的放大问题 为此常需要根据已有的知识和经验进行判断 以确定何者更为重要 同时也能兼顾其他的条件 二 其他放大方法 时间常数是指某一变量与其变化速率之比 常用的时间常数有反应时间 扩散时间 混合时间 停留时间 传质时间 传热时间和溶氧临界时间等 时间常数法可以利用这些时间常数进行比较判断 用于找出过程放大的主要矛盾并据此来进行反应器的放大 二 其他放大方法 数学模拟法是根据有关的原理和必要的实验结果 对实际的过程用数学方程的形式加以描述 然后用计算机进行模拟研究 设计和放大 该法的数学模型根据建立方法不同 可分为由过程机理推导而得的 机理模型 由经验数据归纳而得的 经验模型 和介于二者之间的 混合模型 二 其他放大方法 机理模型是从分析过程的机理出发而建立起来的严谨的 系统的数学方程式 此模型建立的基础是必须对过程要有深刻而透彻的了解 经验模型是一种以小型实验 中间试验或生产装置上实测的数据为基础而建立的数学模型 混合模型是通过理论分析 确定各参数之间的函数关系的形式 再通过实验数据确定此函数式中各参数的数值 也就是把机理模型和经验模型相结合而得到的一种模型 二 其他放大方法 下图为数学模拟放大法用于一般过程开发的示意图 二 其他放大方法 数学模拟放大法是以过程参数间的定量关系为基础的 因而消除了因次分析中的盲目性和矛盾性 而能比较有把握地进行高倍数的放大 并且模型的精度越高 放大率 倍数越大 然而模型的精密程度又建立在基础研究之上 由于受到这方面的限制 数学模拟实际取得成效的例子不够多 特别是对生物反应过程 由于过程的复杂性 这方面的问题还远没解决 但无疑它是一个很有前途的方法 第二节生物反应器的参数检测 一 生物加工过程的参数 物理 化学参数 二 检测方法与仪器 一 生物加工过程的参数 物理 化学参数 要对生化过程进行有效的操作和控制 首先要了解生化过程的状态变化 也就是要了解生化过程的各种信息 这些信息可以分为物理变量信息 如发酵温度 化学变量信息 如pH 以及生物变量信息 如生物质浓度 表7 2生物加工过程的物理 化学参数 表7 2生物加工过程的物理 化学参数 表7 2生物加工过程的物理 化学参数 一 设定参数 1 压强对通气生物发酵反应 必须往反应器中通入无菌的洁净空气 一是供应生物细胞呼吸代谢所必须的氧 二是强化培养液的混合与传质 三是维持反应器有适宜的表压 以防止外界杂菌进入发酵系统 对气升式反应器 通气压强的适度控制是高效溶氧传质及能量消耗的关键因素之一 对嫌气发酵 如废水的生物厌氧生物处理 对反应体系内压强的监控也是十分必要的 一 设定参数 2 温度不管生物细胞或是酶催化的生物反应 反应温度都是最重要的影响因素 不同的生物细胞 均有最佳的生长温度或产物生成温度 而酶也有最适的催化温度 所以必须使反应体系控制在最佳的发酵反应温度范围 一 设定参数 3 通气量不论是液体深层发酵或是固体通风发酵 均要连续 或间歇 往反应器中通入大量的无菌空气 为达到预期的混合效果和溶氧速率 以及在固体发酵中控制发酵温度 必须控制工艺规定的通气量 当然 过高的通气量会引起泡沫增多 水分损失太大以及通风耗能上升等不良影响 一 设定参数 4 液面 或浆液量 对液体发酵 反应器的液面或是装液量的控制是反应器设计的重要因素 液面的高低决定了反应器装液系数即影响生产效率 对通风液体深层发酵 初装液量的多少即液面的高低需按工艺规定确定 否则通入空气后发酵液的含气率达一定值 液面就升高 加之泡沫的形成 故必须严格控制培养基液面 一 设定参数 4 液面 或浆液量 特别地 对气升内环流式反应器 由于导流筒应比液面低一适当高度才能实现最佳的环流混合与气液传质 但在通气发酵过程中 排气会带出一定水分 故反应器内培养液会蒸发减少 因此液面的检测监控更重要 必要时需补加新鲜培养基或无菌水 以维持最佳液位 同理 连续发酵过程液位必须维持恒定 液面的检测控制也十分重要 一 设定参数 5 搅拌转速与搅拌功率对一定的发酵反应器 搅拌转速对发酵液的混合状态 溶氧速率 物质传递等有重要影响 同时影响生物细胞的生长 产物的生成 搅拌功率消耗等 对某一确定的发酵反应器 当通气量一定时 搅拌转速升高 其溶氧速率增大 消耗的搅拌功率也越大 在完全湍流的条件下 搅拌功率与搅拌转速的三次方成正比 其N中为搅拌转速 此外 某些生物细胞如动植物细胞 丝状菌等 对搅拌剪切敏感 故搅拌转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围 一 设定参数 5 搅拌转速与搅拌功率同时 搅拌功率与上述的搅拌转速的关系 是机械搅拌通气发酵罐的比拟放大基准 因而直接测定或计算求出搅拌功率也十分重要 一 设定参数 6 泡沫高度液体生物发酵 不管是通气还是厌气发酵均有不同程度的泡沫产生 发酵液泡沫产生的原因是多方面的 最主要的是培养基中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质 菌体 糖类以及其他稳定泡沫的表面活性物质 加上通气发酵过程大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的CO2气泡 都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡沫层 如控制不好 就会大大降低发酵反应器的有效反应空间即装料系数低 增加感染杂菌的机会 严重时泡沫会从排气口溢出而造成跑料 这导致产物收率下降 一 设定参数 7 培养基流加速度对生物发酵的连续操作或流加操作过程 均需连续或间歇往反应器中加入新鲜培养基 且要控制加入量和加入速度 以实现优化的连续发酵或流加操作 获得最大的发酵速率和生产效率 一 设定参数 8 冷却介质流量与速度生物发酵过程均有生物合成热产生 对机械搅拌发酵罐还有搅拌热 为保持反应器系统的温度在工艺规定的范围内 必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热移走 根据生化反应器的热量平衡算式 7 38 一 设定参数 7 39 微生物发酵热 J min 搅拌热 J min 冷却水所带走的热量 J min 冷却水流量 m3 min 水的比热容 J min3 冷却水出口温度 冷却水入口温度 一 设定参数 8 冷却介质流量与速度 要维持工艺要求的发酵温度 对应不同的发酵时期有不同的发酵热以及冷却介质的温度 需相应改变其流量 故必须测定冷却介质的进出口温度与流量 据此也可间接推定发酵罐中的生物反应是否正常进行 一 设定参数 9 培养基质浓度和产物浓度对生物发酵生产 基质浓度如糖浓度等对生物细胞的生长及产物生成具有重要作用 在发酵结束时 培养液基质浓度则是发酵转化率及产物得率的重要衡量 尤其是连续发酵和流加培养操作 发酵液中的基质浓度更为重要 类似地 产物浓度的测知也同样重要 因为掌握了发酵液中的产物浓度 就可确定发酵的进程以及决定发酵是否正常及是否需要结束发酵 所以基质与产物浓度的检测 控制对各种发酵均是必要的 二 状态参数 状态参数是指能反映反应过程中微生物的生理代谢状况的参数 如pH DO 溶解CO2 尾气O2 尾气CO2 黏度 菌浓等 1 黏度 或表观黏度 培养基的黏度主要受培养基的成分及浓度 细胞浓度 温度 代谢产物等影响 而发酵液的黏度 或表观黏度 对溶液的搅拌与混合 溶氧速率 物质传递等有重要影响 同时对搅拌功率消耗及发酵产物的分离纯化均起着重要作用 二 状态参数 2 pH生物发酵过程培养液的pH是生物细胞生长及产物或副产物生成的指示 是最重要的发酵过程参数之一 因每一种生物细胞均有最佳的生长增殖pH值 细胞及酶的生物催化反应也有相应的最佳pH范围 而在培养基制备及产物提取 纯化过程也必须控制适当的pH 因此生物反应生产对pH的检测控制极为重要 二 状态参数 3 溶氧浓度和氧化还原电位好气性发酵过程中 液体培养基中均需维持一定水平的溶解氧 以满足生物细胞呼吸 生长及代谢需要 在通风深层液体发酵过程中 溶解氧水平和溶氧效率往往是发酵生产水平和技术经济指标的重要影响因素 不同的发酵生产和不同的发酵时间 均有适宜的溶氧水平和溶氧速率 故对生物反应系统即培养液中的溶氧浓度必须测定和控制 此外 发酵过程溶解氧水平还可以作为判别发酵是否有杂菌或噬菌体污染的间接参数 若溶氧浓度变化异常 则提示发酵系统出现杂菌污染或其他问题 二 状态参数 对一些亚好氧的生物发酵反应如某些氨基酸发酵生产 在产物积累时 只需很低的溶解氧水平 过高或过低都会影响生产效率 这样低的溶解氧浓度使用目前的溶氧电极是无法测定的 故使用氧化还原电极电位计 ORP仪 来测定微小的溶氧值 二 状态参数 4 发酵液中溶解CO2浓度对通气发酵生产 由于生物细胞的呼吸和生物合成 培养液中的氧会被部分消耗 而溶解的CO2含量会升高 对大部分的好氧发酵 当发酵液中溶解CO2浓度增至某值时 就会使细胞生长和产物生成速率下降 例如组氨酸发酵 二氧化碳分压应低于0 005MPa 而精氨酸发酵 CO2分压应在0 015Mpa以下 否则会使生产效率降低 当然 对光照自氧的微藻培养 则适当提高CO2浓度就有利于细胞产量的提高 二 状态参数 5 细胞浓度及酶活特性生化反应过程都是通过菌体的各种酶类来促使反应进行的 而菌体的浓度与酶的活动中心密切相关 通过菌体干重的测定 可以了解生物的生长状态 从而控制和改变生产工艺或补料和供氧 保证达到较好的生产水平 当然 以酶做催化剂的生化反应 则酶浓度 活度 是必须检测监控的参变量 二 状态参数 6 菌体形态在生化反应过程中 菌体形态的变化也是反应它的代谢变化的重要特征 可以根据菌体的形态不同 区分出不同的发酵阶段和菌体的质量 三 间接参数 间接参数是指那些通过基本参数计算求得的参数 如氧利用速率 OUR 二氧化碳释放速率 CER 比生产速率 体积氧传质速率 KLa 呼吸熵 RQ 等 通过对发酵罐作物料平衡可计算后者反映微生物的代谢状况 尤其能提供从生长向生产过渡或主要基质间的代谢过渡指标 三 间接参数 1 呼吸代谢参数微生物的呼吸代谢参数通常有三个 即微生物的氧利用速率 二氧化碳释放速率 和呼吸熵 假设流出反应器的气体流量与空气流入量相等 空气中氧浓度为21 二氧化碳的浓度为零 测量到排出气体的氧浓度为 二氧化碳的浓度为 则由气相物料平衡计算可得 三 间接参数 氧利用速率 OUR 7 49 二氧化碳释放速率 CER 7 50 呼吸熵 7 51 其中 空气流量 m3 min 反应液体积 m3 三 间接参数 2 菌体比生长速率每小时每单位重量的菌体所增加的菌体量称为菌体的比生长速率 单位为1 h 菌体的比生长速率与生物的代谢有关 例如 在抗生素合成阶段 若比生长速率过大 菌体量增加过多 代谢向菌体合成的方向发展 这不利于合成抗生素 菌体的比生长速率是生化反应动力学中的一个重要参数 三 间接参数 3 氧比消耗速率 rO2 氧比消耗速率称为菌体的呼吸强度 即每小时每单位重量的菌体所消耗的氧的数量 其单位为毫克分子氧 克干菌体小时 例如 在抗生素生产过程中 根据抗生素比生产速率与氧比消耗速率的关系 可以求得菌体最适当的氧比消耗速率 二 检测方法与仪器 研究微生物生长过程所需要的检测参数大多是通过在反应器中配置各种传感器和自动分析仪来实现的 这些装置能把非电量参数转化为电信号 这些信号经适当处理后 可用于监测发酵的状态 直接作发酵闭环控制和计算间接参数 图7 2为生物反应器配置传感器或检测装置的示意说明图 二 检测方法与仪器 二 检测方法与仪器 一般可粗略地把检测仪器分成 在线检测 On linemeasurement 离线检测 Off linemeasurement 在线检测 是仪器的电极等可直接与反应器内的培养基接触或可连续从反应器中取样进行分析测定 如溶氧浓度 pH 罐压等 离线测量 是指在一定时间内离散取样 在反应器外进行样品处理和分析的测量 包括常规的化学分析和自动实验分析系统 二 检测方法与仪器 表7 3典型生物状态变量的测量范围和准确度或控制变量的精度 二 检测方法与仪器 表7 3典型生物状态变量的测量范围和准确度或控制变量的精度 二 检测方法与仪器 发酵过程对传感器的要求 1 发酵过程对传感器的常规要求为准确性 精确度 灵敏度 分辨能力要高 响应时间滞后要小 能够长时间稳定工作 可靠性好 具有可维修性 2 对发酵用传感器的特殊要求是由发酵反应的特点决定的 发酵底物中含有大量的微生物 必须考虑卫生要求 发酵过程中不允许有其他杂菌污染 3 传感器与发酵液直接接触 一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌 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 二 检测方法与仪器 发酵过程对传感器的要求 5 发酵用传感器容易被培养基和细菌污染 应选用不易污染的材料如不锈钢 同时要注意结构设计 选择无死角的形状和结构 防止微生物附着及干扰 便于清洗 不允许泄漏 6 传感器只与被测变量有关而不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力 如抗气泡及泡沫干扰等 由于上述种种原因 使得许多传感器 尤其是检测化学物质浓度 微生物质浓度的传感器 很难在工业规模的生化过程中使用 二 检测方法与仪器 发酵过程对传感器的要求 5 发酵用传感器容易被培养基和细菌污染 应选用不易污染的材料如不锈钢 同时要注意结构设计 选择无死角的形状和结构 防止微生物附着及干扰 便于清洗 不允许泄漏 6 传感器只与被测变量有关而不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力 如抗气泡及泡沫干扰等 由于上述种种原因 使得许多传感器 尤其是检测化学物质浓度 微生物质浓度的传感器 很难在工业规模的生化过程中使用 第三节控制理论与应用 一 生物过程的控制特征二 先进控制理论在反应器控制中的应用 一 生物过程的控制特征 一 温度的控制生物反应的最佳温度范围是比较狭窄的 所以发酵过程需把生物反应器的温度控制在某一定值或区间内 最适发酵温度的选择往往既要考虑有利于提高生物合成反应的速度 又要顾及生物合成反应的持久性 同时还要兼顾其它环境条件的影响 此外 对于次级代谢产物的合成来说 由于初级代谢和次级代谢的酶系不同 适合于微生物生长和产物合成的温度也可能不同 故在整个发酵过程中应根据生长和产物合成的不同需要 在不同的发酵阶段选择不同的温度 影响生化反应温度的主要因素有微生物发酵热 电极搅拌热 冷却水本身的温度以及周围环境温度的改变 一 生物过程的控制特征 一 温度的控制生化反应器采用通冷却水的方式带走生化反应热 其冷却水冷却的方式有两种 小型的采用夹套冷却形式 而大型的生化反应器通常采用在反应器内装盘管冷却器的形式 在冷却水温度比较稳定的情况下 生化反应器的温度常采用单回路的PID控制 这样的温度控制系统由四个环节组成 即温度测量元件 通常用铂热电阻温度计T 控制器 调节阀和被控过程的生化反应器 发酵罐 一 生物过程的控制特征 一 生物过程的控制特征 二 pH的控制发酵液的pH值既是培养基理化性质的反映 又是微生物生长代谢的结果 反过来又影响微生物生长和发酵产物的合成 不适当的pH值将显著降低微生物的生长速度 减少发酵产物 甚至完全没有发酵产物的形成 一 生物过程的控制特征 二 pH的控制前已述及 pH是发酵过程中代谢平衡 特别是碳 氮平衡的反映 一般说来 pH上升多半是碳代谢不足 这时应考虑增加培养基中糖浓度 采用补糖的办法 相反 pH下降主要是由于碳源过量或氮源不足 这时应降低培养基中的糖浓度 减少或停止补糖 或增加容易利用的氮源的浓度 如补玉米浆 通氨或补硝酸盐 因此 以pH作为补料控制的指标 在微生物发酵过程优化控制中有着十分重要的意义 例如 青霉素发酵采用调节补糖的方法维持pH的稳定 比用酸 碱调节pH的恒速补糖法 使最终发酵产量提高25 其次 对于次级代谢产物 生长期与生产期的最适pH往往是不同的 一 生物过程的控制特征 二 pH的控制发酵过程中pH的控制首先要考虑基础培养基中生理酸 碱物质的平衡 使他们能够均衡代谢以保持pH的稳定性 其次是维持生理酸 碱性物质在补料中的平衡 使其不致因为补料而造成pH大的幅度波动 再次是当pH一旦发生较大的波动 在偏离最适pH范围前 适当加入酸 碱予以调节 一 生物过程的控制特征 二 pH的控制工业上常用的生化反应器的pH控制系统如图7 19 系统由pH测量电极和变送器 pH控制器 空气开关和气动开关阀组成 氨水不是直接加入反应器 而是通过空气管道与空气一起送入反应器 这样使氨水充分分散于发酵液中 不会造成局部pH值的偏高或偏低 为了防止调节阀门的泄漏 调节阀采用气动开关阀 它由电磁空气开关来控制 所以 pH控制系统是一开关控制系统 控制器根据pH偏差信号计算出开关阀门开关周期和开与关的时间长短 来控制输入的氨水的量 从而达到控制pH的目的 一 生物过程的控制特征 二 pH的控制 一 生物过程的控制特征 三 溶氧控制由于微生物发酵过程涉及许多氧化反应 故氧作为反应的参与者和其它基质一样 它在发酵液中的浓度将直接影响产物的合成 但是氧在发酵液中的溶解度较低 一般不会像其他基质那样因过高的浓度产生生物合成抑制或阻遏反应 而较常见的是溶氧浓度过低对生物合成的限制 一 生物过程的控制特征 三 溶氧控制由于溶氧浓度受到传氧与耗氧两方面影响 故它的控制也因从这两方面入手 从耗氧方面考虑 在以糖为生长限制基质的情况下 当溶氧浓度偏低时 可减少补糖率以降低菌体生长速率 反之 增加补糖率来提高菌体生长速率 在这种意义上 溶氧浓度可作为补料控制的依据 从传氧方面考虑 一般通过加大搅拌转速 通气量或罐顶压力的方法 提高氧传递速率 一 生物过程的控制特征 三 溶氧控制溶解氧的控制系统如图7 20 图中溶解氧通过控制发酵罐压力和空气流量的方法来控制 系统由溶解氧电极和变送器 溶解氧多路控制器 压力控制系统和空气流量控制系统组成 由于压力控制系统与空气流量控制系统相互有影响 即有耦合作用 因为提高发酵压力 使发酵中二氧化碳的溶解度也增加 这不仅会改变发酵液的pH值 而且会影响氧的溶解度 因此 常用控制溶解氧的方法控制空气流量 一 生物过程的控制特征 三 溶氧控制 一 生物过程的控制特征 四 补料控制在补料发酵过程中 随着发酵的进行 微生物生长和代谢都要求连续不断地补充营养物质 使微生物生长沿着优化的生长轨迹生长 以获得高产的微生物代谢产物 由于微生物的浓度和代谢状况无法实时在线测量 使得补料控制一直都极为困难 近年来 随着理论研究和工业应用的不断发展 从补料方式到计算机最优化控制等都取得了较大进展 就补料方式而言 有连续流加和变速流加 每次流加又可分为快速流加 恒速流加 指数速率流加 从补加的培养基成分分 又可分为单一组分补料和多组分补料等等 一 生物过程的控制特征 四 补料控制为了有效地进行中间补料 必须选择恰当的反馈控制参数 了解这些参数对于微生物代谢菌体生长 基质利用及产物形成之间的关系 采用的最优的补料程序也是依赖于比生长曲线形态 产物生成速率及发酵的初始条件等情况 因此 欲建立补料培养的数学模型及选择最佳控制程序 都必须充分了解微生物在发酵过程中的代谢规律及对环境条件的要求 图7 21为工业上常用的发酵过程补料控制原理图 补料控制实际上是流量控制 整个控制系统由流量测量环节 流量控制器和调节阀组成 其中流量测量环节可用电磁流量计或带远传转子流量计来测量 一 生物过程的控制特征 四 补料控制 二 先进控制理论在反应器控制中的应用 一 模糊逻辑控制在生化过程中的应用在好氧性发酵过程中 发酵液中的氧参与菌体的生长 产物的形成和维持细胞代谢 因此发酵液中的溶氧 DO 是发酵过程的一个重要参数 影响罐内物料溶氧值的因素主要细菌需氧量 通风量 罐压及搅拌转速 其中发酵不同阶段的需氧量由实验及经验确定 是不可控因素 因此在搅拌器转速恒定的情况下 可控因素为通风流量和罐压 工艺要求罐压P和通流量Q稳定 超调小 工艺上罐压由进气调节阀的开度控制 通风流量则由出气调节阀的开度控制 两个回路之间相互关联 采用常规PI控制难于稳定 易失控及振荡 有较大的超调 二 先进控制理论在反应器控制中的应用 一 模糊逻辑控制在生化过程中的应用因此在这两个控制回路中引入模糊控制概念 即将二者的相互影响适当量化 存入计算机内 实时控制时 先根据经验整定两组PI参数 注意将二者的频域拉开 然后对系统的响应 即P Q 进行监测 根据预定的步骤和指标进行模糊推理 自动对PI参数超前修正 实施该控制方案可基本上消除压力和流量回路的耦合 再根据发酵不同阶段的溶氧设定值调整通风流量 形成定罐压下的溶氧串级PID模糊控制 其框图如图1所示 其中 为罐压回路 定值控制 Q为通风流量 串级副回路 DO为溶氧 串级主回路 二 先进控制理论在反应器控制中的应用 一 模糊逻辑控制在生化过程中的应用 二 先进控制理论在反应器控制中的应用 一 模糊逻辑控制在生化过程中的应用Tanaka等在碱性纤维素酶的工业规模发酵中采用一改良的基于模糊推理的故障检测系统来减少操作人员的监督时间 此检测系统可根据生产失灵程度的计算 自动将发酵过程分成正常 较不正常和异常3种状态 只有在较不正常的状态下才需要操作人员去监督操作 采用这种改良系统在125m3发酵罐中做了200批试验 只有2批属于异常 1批属于较不正常 使用结果 操作人员的总监督时间大为减少 二 先进控制理论在反应器控制中的应用 一 模糊逻辑控制在生化过程中的应用模糊控制的控制规则的来源依赖设计人员的经验 因此设计人员经验的正确与否以及是否最优 直接关系到整个模糊控制器的控制效果 且模糊控制器不具备学习能力 因此不可能根据过程的历史记录来消除人为设计的模糊规则的主观性 二 先进控制理论在反应器控制中的应用 二 生化过程知识库系统由于生化过程中的重要变量都无法在