发酵过程检测与自控模板课件

1、发酵过程检测与自控模板发酵过程检测与自控模板一、概述目的： 取得所给定发酵过程及其菌株的生理生化特征数据，以便对过程实施有效的控制。一、概述目的： 取得所给定发酵过程及其菌株的生理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；通过过程模型实施计算机控制；收集数据。了解过程变量的变化是否与预期的目标值相符；检测方法：1、物理测量： T、P、V、G；2、物理化学测量： pH、溶氧、溶CO2；3、化学测量：基质浓度、产物浓度等；4、生物测量：生物量、细胞形态、胞内成分等。形态、生物量、胞内成分等检测方法：

2、1、物理测量： T、P、V、G；发酵过程检测与自控模板二、发酵传感器要求：可靠性测量范围准确性特异性精确性灵敏度响应时间分辨能力可维修性 特殊要求二、发酵传感器要求：可靠性灵敏度分类：离线传感器传感器不安装在发酵罐内，由人工取样进行手动或自动测量操作，测量数据通过人机对话输入计算机.在线传感器传感器与自动取样系统相连，对过程变量连续自动测定。如：流动注射分析（FIA）系统、高效液相层析（HPLC）系统.分类：离线传感器传感器不安装在发酵罐内，由人工取样进行手原位传感器传感器安装在发酵罐内，直接与发酵液接触给出连续响应信号。如：温度、压力等.原位传感器传感器安装在发酵罐内，直接与发酵液接触给出连

3、续力敏元件热敏元件光敏元件磁敏元件电化学传感器按测量原理分类：力敏元件按测量原理分类：发酵过程的主要在线传感器（自学）发酵检测用的新型传感器（自学）发酵过程检测与自控模板三、发酵过程的常规监控 1温度2pH值3泡沫4罐压5空气流量6搅拌转速 三、发酵过程的常规监控 1温度 温度自控方法，可采用热电偶或热变电阻器或金属电阻温度计，这些热敏感元件都能将温度变化转变成电信号，然后与控制仪表相连，并且经各类控制开关或回路将指令传给执行元件，同样可以开启或关闭冷却或加热装置，使罐温维持恒定。1温度 温度自控方法，可采用热电偶或热变电阻器或金属 测定pH的方法：a.通常可用pH试纸测定;b.精确的则用pH

4、计测定。目前已有可经消毒的pH电极装入发酵罐内定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。2pH值 测定pH的方法：2pH值 3泡沫的检测和控制最简单的检测是定时在发酵罐视孔上观察泡沫产生情况，发现泡沫持续上升时，开启消泡剂贮罐的阀门，流加少量消泡剂，使泡沫消失即可。也可在罐内顶部装一不锈钢探头并与控制仪表连结，用以控制消泡贮率阀门的开启。当泡沫上升接触探头顶端时产生的信号，通过控制装置，指令打开泵开关或阀门，自动加入消泡剂，泡沫消失，信号也随之消失，阀门关闭。3泡沫的检测和控制最简单的检测是定时在发酵罐视孔上观察泡沫4罐压 发酵容器都装有压力测量

5、装置，最通用的是弹簧压力表。因为培养过程和高压蒸汽灭菌时都需要观察压力的变化情况。 发酵过程中，空气压力对微生物生长繁殖和产物合成的影响主要表现为压力提高氧的溶解度，改善发酵过程中溶氧的供应。但是罐压增加，也相应地提高CO2分压，而后者的增加对有些微生物的正常生长可能产生不利的影响。 4罐压 发酵容器都装有压力测量装置，最通用的是弹簧压力表。单圈弹簧管压力计是最常用的压力表，一般安装在发酵罐和过滤器的顶部，它所指示的数字是表示高于大气压的压力数。控制压力的方法，一般为调节进口或出口阀门，改变进入或排出的空气(或气体)量，以维持工艺规程所需的压力。在自动控制的发酵罐中，可选用霍尔效应压力计或各种

6、远传式压力计，它们可以将压力转变成各种电信号然后与仪表联接，后者根据压力大小，反馈控制阀门的开关，达到调节的目的。单圈弹簧管压力计是最常用的压力表，一般安装在发酵罐和过滤器的 5空气流量 发酵生产中，一般以通风比来表示空气流量，通常以一分钟内通过单位体积培养液的空气体积比来表示(VVm)。 例如，装有2.5m3培养液的发酵罐，若每分钟通入无菌空气1.25m3，则称为通气比为1:0.5，或简称通风量为0.5(VVm)。 5空气流量 发酵生产中，一般以通风比来表示空气流量，通常 测定空气流量最简便的方法是转子流量计。它是种结构简单、直观、压力损失小、维修方便的仪器；通常直接安装在发酵罐的排气管道上

7、。转子流量计基本上由两个部件组成，一件是从下向上逐渐扩大的锥形管；另件是置于锥形管中可以上下自由移动的转子，当流量足够大时，气流产生的作用力能将转子托起并使之升高，流量的大小决定了转子平衡时所在位置的高低。因此，可以从已知刻度上测出空气流量。空气流量调节是通过开启阀门实现的。测定和调节空气流量的方法 测定空气流量最简便的方法是转子流量计。测定和调节空气流量的6搅拌转速 发酵罐搅拌转速与发酵的溶氧系数关系十分密切。因为溶氧系数KLa正比于单位发酵液的搅拌功率消耗，而功耗与搅拌转速的三次方成正比。所以在一定几何结构条件下(如罐的径高比、搅拌叶片直径、挡板等)发酵罐的溶氧系数(或称体积传质系数)KL

8、a主要受搅拌转速的影响。6搅拌转速 发酵罐搅拌转速与发酵的溶氧系数关系十分密切。因 目前试验用小型发酵罐都采用变速马达，因此可以根据发酵工艺需要(主要是取决于溶氧速率的需要)调节搅拌转速。 国内工业规模发酵罐所用马达多数为固定转速，通过变速箱或皮带盘进行减速。因此在发酵过程中，一般是无法调整搅拌速度的。 如果在大型发酵罐上采用变速马达，虽然一次投资费用较大些，但是可以在发酵过程中根据不同时期微生物对氧需要进行调节搅拌转速，这样将使生产过程更科学、合理和经济。 目前试验用小型发酵罐都采用变速马达，因此可以根据1、生物量分析干细胞浓度DNA含量沉降量或压缩细胞体积 黏度浊度 过滤探头荧光四、发酵过

9、程检测技术1、生物量分析干细胞浓度四、发酵过程检测技术发酵过程检测与自控模板2、尾气分析红外CO2分析仪；顺磁O2分析仪；质谱2、尾气分析红外CO2分析仪；发酵过程检测与自控模板发酵过程检测与自控模板发酵过程检测与自控模板3、发酵液成分分析HPLC系统3、发酵液成分分析HPLC系统五、发酵过程变量的间接估计（自学）五、发酵过程变量的间接估计（自学）六、发酵过程自控 根据对过程的有效测量及对过程变化规律的认识，借助于由自动化仪表和电子计算机组成的控制器，操纵其中一些关键变量，使过程向着预定的目标发展。六、发酵过程自控 根据对过程的有效测量及对过程变化内容：和过程的未来状态相联系的控制目的或目标；

10、一些可供选择的控制动作；一种能够预测控制动作对过程状态影响的模型。内容：和过程的未来状态相联系的控制目的或目标；基本自控系统 由控制器和被控对象两个基本要素组成，发酵过程采用的自控系统主要有：前馈控制、反馈控制、自适应控制。其中反馈控制和前馈控制只适用于确定过程，即过程的数学模型结构和参数都是确定的，过程的全部输入信号又均为时间的确定函数，过程的输出响应也是确定的。基本自控系统 由控制器和被控对象两个基本要素组成，发酵前馈控制通过对一种动态反应快的变量的测量来预测被控对象的变化，在被控对象尚未发生变化时提前实施控制。 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

11、型的准确性。前馈控制通过对一种动态反应快的变量的测量来预测被控对象的反馈控制反馈控制开关控制 适用于控制负荷稳定的情况下。开关控制 适用于控制负荷稳定的情况下。 PID控制（比例、积分、微分控制） P、I、D控制器的控制信号正比于被控过程的输出量与设定点的偏差、偏差相对于时间的积分和偏差变化的速率。适用于控制负荷不稳定的情况。 PID控制（比例、积分、微分控制） P、I串级反馈控制 由两个以上控制器对一种变量实施联合控制的方法。串级反馈控制 由两个以上控制器对一种变量实施联合控前馈/反馈控制前馈/反馈控制自适应控制 描述过程动态特性的数学模型从结构到参数都不确切知道，过程的输入信号也含有许都不可测的随机因素，这种过程的控制，须提取有关的输入、输出信息对模型及其参数不断进行辩识，使模型逐渐完善，同时自动修改控制器的控制动作，使之适用于实际过程。自适应控制 描述过程动态特性的数学模型从结构到参数发酵过程检测与自控模板发酵过程各变量自控系统的选择发酵过程各变量自控系统的选择七、发酵自控系统的硬件结构 发酵自控系统由传感器、变送器、执行机构、转换器、过程接口、监控计算机组成。七、发酵自控系统的硬件结构 发酵自控系统由传感器、发酵过程检测与自控模板1、 发酵过程检测识记：主要检测参数及其检测方法；生物传感器。理解：对发酵用传感器的要求；