生物化工仪表与自动化重点

1、1生化过程(发酵过程)，利用微生物细胞或酶转化基本原料合成目的产物的过程、2.生化过程控制包括细胞内控制和外部控制、3.生化过程与物理和化学过程相比：动力学模型高度的非线性化；动力学模型随着发酵过程的进行或批次不同而发生变化，呈现强烈的时变性；除了简单的物理化学状态变量(如T、pH、P)外，绝大多数生物变量很难在线检测；生物过程由于涉及到许多物理过程和化学反应，其相互之间的作用造成生物过程相应速率慢、在线检测有大幅时间滞后。4与传统过程控制相比，生物过程的控制特点：不需太高的控制精度，除温度、pH感受强的菌株发酵过程外，控制指标不需精确也不可能100%地控制在某一水平；生物过程的各状态变量之间

2、存在一定的连带关系，难以检测的生物量在一定程度上可通过易检测的物理化学量间接检测，因此相当部分的生化过程控制是一种间接的优化和控制；相当数量的工业规模或实验室规模的生物过程，没有合适的定量数学模型可循，控制和优化操作必须依靠操作人员的经验和知识。5对过程的描述通过各种状态参数 过程的状态参数指显示过程状态及特征的参数 物理参数化学参数生物参数6测量变量（直接、间接）：可以测量的状态变量 操作变量: 环境因子或操作条件，造成生化过程状态变量的改变 7数学模型：构造模型、状态模型、非构造模型。8控制改变和调整控制变量，将某一或多个状态变量控制在某一水平或时间轨道上最优化控制改变操作变量或控制变量，

3、使目标函数取得最大。分为：基于非构造式模型的最优化控制方法，和基于可实时测定的过程输入输出时间序列数据和黑箱模型的最优化控制。9生物反应过程控制内容：泡沫控制（双位式）、生化反应温度控制、罐压控制、pH控制、溶氧控制以及补料控制（基于出口气体CO2释放率控制补料、化学元素平衡控制补料、呼吸商控制补料）。二1直接测定和间接测定。就地检测（传感器直接与培养液接触，pH、溶氧和罐压）、在线测定（连续的取样系统与分析仪器连接，实时操作和生产过程控制）、离线测定（一定时间内离散取样，反应器外进行样品处理和分析。）2参数检测-便于显示和传递信号 气动检测仪表和电动3准确度：测量值与被测量真值的接近程度 绝

4、对误差：测量值与被测量真值之差 相对误差：绝对误差与被测量真值之比 允许误差：最大允许的相对误差4灵敏度S：指示位移变化量S与被测参数变化量m之比 灵敏限：仪表指针发生位移变化的被测参数的最小变化量。5传感器的要求：可靠 灵敏度 精度 可互换性 可清洗 耐消毒 无菌 无毒 6压力计 液柱式 活塞式 弹性式（波登管式 波纹管式 薄膜式压力传感器） 电气式压力计（位移或力转换为电信号输出）7液位的测量：直读式、压差式、电极式液位计 泡沫测量基于液位检测 8温度测量：膨胀式、压力式、热电偶（热电极 绝缘子 保护套管 接线盒）、热电阻、辐射式、红外线 9流量测量：速度式（差压式 转子 电磁 涡轮） 容

5、积式（椭圆齿轮、活塞式） 质量式流量计 10差压式基于节流原理 由节流装置、差压计和显示仪表组成11节 流现象：流体在管道中流动时,在节流装置前后的管壁处,流体的静压力产生差异的现象 节流装置包括节流件和取压装置（孔板、喷嘴、文丘里管）12流量与P的平方根成正比 差压法测流量，被测流量不应接近仪表的下限值，误差将会很大 13转子流量计组成：锥形管 管内的转子 14Qo水Qf液体一转子流量计刻度是用水来标定的，现用于测量酒精流量，流量计读数为30m3/h，问酒精的实际流量？（已知酒精密度0.8g/cm3，水的密度1.0g/cm3，浮子密度7.8 g/cm3 ）15气体流量的换算用转子流量计（测量

6、范围为0-10 L/min）测量气压为0.65 MPa，温度为40 oC的CO2气体的流量时，若流量计读数为50L/s，求CO2的真实流量（已知在标准状态时的CO2密度为1.977kg/m3）测量气体流量的转子流量计，出厂前是用标态下的空气标定； To293K ；T127340313K；Po0.10133MPa；P10.650.101330.75133MPa； Q标50L/S；代入上式得 1玻璃膜上的H+与溶液中H+发生离子交换产生相界电位:E内与E外。E膜 = E外 - E内 = 0.059 lg( a1 / a2）2 pH电极只对H+有响应膜电位的产生不是由于电子的得失和转移,而是离子交换

7、和扩散的结果。3 pH电极的Nernst方程E = Eo + 2.3 RT/F log aH+ E = Eo - 2.3 RT/F pH 4 pH的精确测量条件：温度 溶液的均一性 5 温度补偿 温度主要通过以下四个方面影响pH测量值：温度影响待测溶液的离子积；温度影响电极斜率(见能斯特方程)；温度影响等温内插点位置；温度影响电极扩散响应时间。6 灭菌 发酵罐原位灭菌、高压灭菌锅单独灭菌和使用化学灭菌。7侧插式安装至少和水平方向呈15o角；8每次测量之后用蒸馏水清洗电极 9保存在 KCl 3 mol/L 或者缓冲溶液 pH 4 or 7,稀释的HCl (大约 0.1 mol/L) 不可在蒸馏水

8、或干燥储存 10 溶氧检测 导管法；质谱电极法；电化学检测法(极谱分析法)。11 电化学检测法 膜将电化学电池与发酵液隔开。对于溶氧测定，膜仅对O2有渗透，对其它干扰物则不能通过 O2通过渗透膜扩散到电化学电池，在阴极被还原时产生可被检测的电流或电压，这与O2到达阴极的速率成比例 12 对电极寿命稳定性影响最大的是发酵罐的高温灭菌 溶氧电极的使用需注意：搅拌、温度、压力、电极校准。13 细胞浓度的测定分为全细胞浓度和活细胞浓度的测定，前者的测定有湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积法；后者生物发光法和化学发光法 14 将生物体的成份（酶、抗原、抗体、DNA、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织

9、）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器1利用其它可测量的参数，通过有关模型进行推断估计，称为软测量(模型测量)。2 计算机 I/O接口 测量变送 生化过程 工业过程数据采集首先要进行有效性检查 采样信号与过程参数为非线性关系，进行线性化处理 3 对干扰信号进行去除，这就是滤波。数字滤波：计算机程序对采样信号进行平滑加工，提高有用信号，消除或删减各种干扰和噪声。4 程序判断滤波：限幅滤波 限速滤波 递推平均滤波 加权递推平均滤波 一阶惯性滤波 5 氧利用率准稳态状态下，且补料速率F相对发酵液体积很小简化CO2生成率简化呼吸商 指示发酵过程中供氧状况 推断碳能源利用的先后顺序6 热量

10、衡算 Qacc=Qf+Qagi+Qi-Qo-Qevp-Qexch Qacc：积累热量Qf：发酵热 Qagi：搅拌热Qi：空气带入热Qo：废气带出热Qevp：蒸发带走热Qexch：冷却带走热 7 氧传递成为反应过程限制因素，生物质的浓度直接影响传氧速率。生物质浓度测量：过滤干燥恒重法（费时，间断）；利用呼吸代谢参数与生物生长的关系的估计法（在线）1自动控制系统包括测量元件与变送器、自动控制器、执行器2前馈控制：动态反应快的变量（干扰量）的测量来预测被控对象的变化，被控对象尚未发生变化时，提前实施控制 反馈控制：被控变量与期望值比较，根据两者之差产生一校正作用，使两者值一样3 被控对象（生产过程、

11、设备或机器等） 被控变量（被控对象内要求保持设定值的工艺参数）操纵变量（使被控变量保持设定值的物料量或能量） 干扰量（作用于被控对象并引起被控变量变化的因素）给定值（被控变量的设定值）偏差（被控变量的给定值与实际值之差）当对象的输出参数与输入参数对时间的积分成比例关系时，称为积分对象一阶环节 函数表达式对象受到阶跃输入后，被控变量达到新的稳态值的63.2所需的时间，就是时间常数T，实际工作中，常用这种方法求取时间常数从加入输入作用后，经过3T时间，液位已经变化了全部变化范围的95，可以近似地认为动态过程基本结束 4 控制器的基本控制规律有位式控制、比例控制（p）、积分控制（I）、微分控制（D）

12、及它们的组合PID控制。 控制阀的动作是全开或全关 5 自动控制系统的衰减振荡过程的形式来讨论控制系统的品质指标 性能指标一般为：衰减比、最大偏差（被控变量第一个波峰值与设定值的差）、回复时间（稳态值的±5%范围不再变化）、余差（过渡过程终了时新稳态值与设定值之差）、操作周期 衰减比一般取4:110:1 6 比例控制：反应快，控制及时，控制结果有余差 放大倍数Kc与比例度成反比 选择小的比例度来提高灵敏度 选择大的比例度来保证稳定。7 积分作用：控制器的输出u(t)与偏差e(t)存在的时间有关，控制器输出随时间积累不断增大控制作用。偏差消除，控制作用停止。积分作用可消除余差。8 PI控制 加入积分调节的目的：消除余差 积分时间越大，积分作用越小，反之，积分作用越大。 9引入微分控制的目的是为了克服过程滞后大的影响 微分控制器输出的大小与偏差变化速度及微分时间TD成正比。微分时间越长，微分作用越强。微分控制作用可以改善被控变量的动态性能。测量过程加滤波器，方可用微分控制 10 PD控制一般以比例动作为主，微分动作为辅 11 PID调节，既能快速进行控制，又能消除余差，对反应较慢的系统也能进行有效的控制，因而具有较好的控制性能 12 对于定值控制系统常取4:1衰减，而对于随动系统常取10:1衰减；参数整定方法：临界比例法、衰减曲线法、经验凑试法。 13 流量滞后很小，常