生物工程自动化控制绪论

1、生物过程检测与控制生物过程检测与控制 在大学里的学习，不能再以成绩在大学里的学习，不能再以成绩为骄傲，应该骄傲的是你在大学学会为骄傲，应该骄傲的是你在大学学会思想上的成熟、个人独立人格的发展、思想上的成熟、个人独立人格的发展、独立的思考能力或者推动社会进步的独立的思考能力或者推动社会进步的责任感，这些东西都远比你的成绩重责任感，这些东西都远比你的成绩重要很多。在大学，要把自己从一个吃要很多。在大学，要把自己从一个吃奶的孩子变成一个独立的顶天立地的奶的孩子变成一个独立的顶天立地的人。（俞洪敏）人。（俞洪敏） 主要参考书目主要参考书目1.1.化工仪表及自动化化工仪表及自动化，厉玉鸣，化学工业，厉玉

2、鸣，化学工业2.2.发酵过程解析、控制与检测技术发酵过程解析、控制与检测技术，史仲平，史仲平，化学工业化学工业3.3.新编生物工艺学新编生物工艺学上册，俞俊棠，华东理工上册，俞俊棠，华东理工绪绪 论论一、生物过程特点（与化学反应过程比较）一、生物过程特点（与化学反应过程比较） 反应可在常温常压下进行，而且操作和反应条反应可在常温常压下进行，而且操作和反应条件温和，对环境的污染相对较小。件温和，对环境的污染相对较小。 反应速率比较慢，目的产物的浓度、生产强度、反应速率比较慢，目的产物的浓度、生产强度、反应物质向目的产物的转化率比较低。反应物质向目的产物的转化率比较低。二、影响生物反应过程的因素二

3、、影响生物反应过程的因素1 1、育种技术（选育和改良优质生产菌种）、育种技术（选育和改良优质生产菌种）2 2、生物反应过程的环境因素（生化工程技术的发展）、生物反应过程的环境因素（生化工程技术的发展）（1 1）寻找菌体生长、基质消耗、产物生成三者相关）寻找菌体生长、基质消耗、产物生成三者相关联的一系列最佳发酵参数；联的一系列最佳发酵参数；（2 2）结合优化培养基制备、改进灭菌和无菌空气制）结合优化培养基制备、改进灭菌和无菌空气制备方法，尽可能降低能源和原料消耗备方法，尽可能降低能源和原料消耗（3 3）重视采用先进的检测和自动控制手段，精确控）重视采用先进的检测和自动控制手段，精确控制生产操作。

4、制生产操作。 三、生物过程的控制三、生物过程的控制l生物过程控制和优化工程是一门将生物反应工程、生物过程控制和优化工程是一门将生物反应工程、发酵工程、过程控制和优化理论、工程数学以及生物发酵工程、过程控制和优化理论、工程数学以及生物化学、微生物学融会贯通于一体的、学科交叉型科学。化学、微生物学融会贯通于一体的、学科交叉型科学。l其研究目的就是以生物反应工程、发酵工程、生物其研究目的就是以生物反应工程、发酵工程、生物化学、微生物学等学科的原理和知识为基础，以自动化学、微生物学等学科的原理和知识为基础，以自动控制理论、过程控制和优化理论、工程数学以及人工控制理论、过程控制和优化理论、工程数学以及人

5、工智能技术为手段，将目的生物过程控制在最优的操作智能技术为手段，将目的生物过程控制在最优的操作环境之下，以实现提高生物过程生产水平的目的。环境之下，以实现提高生物过程生产水平的目的。l生物过程控制和优化的最基本的目标函数是：生物过程控制和优化的最基本的目标函数是： 浓度，即目的产物的最终浓度或总活性；浓度，即目的产物的最终浓度或总活性； 转化率，即基质或者说反应底物向目的产物的转转化率，即基质或者说反应底物向目的产物的转化比例化比例; ; 生产强度或生产效率，也就是目的产物在单位时生产强度或生产效率，也就是目的产物在单位时间内单位物反应器体积下的产量。间内单位物反应器体积下的产量。l通过优化发

6、酵过程的环境因子、操作条件以及操作通过优化发酵过程的环境因子、操作条件以及操作方式，人们可以得到所期望的最大终端产物浓度、最方式，人们可以得到所期望的最大终端产物浓度、最大生产效率或者最高原料转化率。大生产效率或者最高原料转化率。 l发酵过程的控制与优化的研究内容就是要回答和解发酵过程的控制与优化的研究内容就是要回答和解决以下几个方面问题：决以下几个方面问题：目标函数是什么？目标函数是什么？有没有描述过程动力学数学模型有没有描述过程动力学数学模型; ;为实现目标，需要掌握什么样的参数；为实现目标，需要掌握什么样的参数；用来实现优化与控制的操作变量是什么？用来实现优化与控制的操作变量是什么？如何

7、利用可测计量推定什么样不可测的状态；如何利用可测计量推定什么样不可测的状态；过程的外部干扰有哪些，对控制有什么样的影响？过程的外部干扰有哪些，对控制有什么样的影响？实现优化与控制的有效算法是什么？实现优化与控制的有效算法是什么？如何解决生物环境而造成的最优控制条件的偏移？如何解决生物环境而造成的最优控制条件的偏移？ 四、自动化的含义四、自动化的含义化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。化工类型生产过程自动化的简称。 在化工设备上，配备上一些自动化装置，在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在代替操作

8、人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。（生物工程？）自动化。（生物工程？）五、生产过程自动化的目的五、生产过程自动化的目的 加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。和质量。 减轻劳动强度，改善劳动条件。减轻劳动强度，改善劳动条件。能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。的。 生产过程自

9、动化的实现，能根本改变劳动方式，生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。动和脑力劳动之间的差别创造条件。 六、自动化的发展情况六、自动化的发展情况2020世纪世纪4040年代以前年代以前绝大多数化工生产处于手工操作状况，绝大多数化工生产处于手工操作状况，操作工人根据反映主要参数的仪表指示操作工人根据反映主要参数的仪表指示情况，用人工来改变操作条件，生产过情况，用人工来改变操作条件，生产过程单凭经验进行。低效率，花费庞大。程单凭经验进行。低效率，花费庞大。2020世纪世纪5050年代

10、到年代到6060年代年代人们对化工生产各种单元操作进行了大人们对化工生产各种单元操作进行了大量的开发工作，使得化工生产过程朝着量的开发工作，使得化工生产过程朝着大规模、高效率、连续生产、综合利用大规模、高效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。方向迅速发展。2020世纪世纪7070年代以来，化工自动化技术又年代以来，化工自动化技术又有了新的发展有了新的发展已发展为综合自动化，应用的领域和规模已发展为综合自动化，应用的领域和规模越来越大；显示了知识密集化、高技术集越来越大；显示了知识密集化、高技术集成化的特点；智能化程度日益增加成化的特点；智能化程度日益增加 。2020世纪末，计算机、信息技术的飞速发世纪末，计算机、信息技术的飞速发展，引发了自动化系统结构的变革展，引发了自动化系统结构的变革七、本学科的重要性七、本学科的重要性生产过程自动化是一门综合性的技术学科。生产过程自动化是一门综合性的技术学科。它应用自动控制学科、仪器仪表学科及计它应用自动控制学科、仪器仪表学科及计算机学科的理论与技术服务于化学工程学算机学科的理论与技术服务于化学工程学科。科。 越