发酵过程参数检测与控制课件

1、生化过程参数检测与控制 马晓轩 生化过程参数检测与控制 Reference生化过程自动化技术. 王树青 编著. 1999, 05. 化学工业出版社.生物化学实验. 韩跃武 编著. 2006, 08. 兰州大学出版社.发酵过程解析、控制与检测技术. 史仲平, 潘丰 编著. 2005, 04. 化学工业出版社.参数检测与自动控制. 李登超 编著. 2004, 02. 冶金工业出版社 Reference第一章、总论生化过程是指：通过对微生物或细胞生长的外部条件如温度、pH、DO等物理化学条件的检测与控制，达到对细胞的遗传组成和代谢途径等内部控制，从而使其尽可能多的生产目标产物；然后采用各生化分离的方

2、法对目标产物进行分离，并以适当的检测手段进行分析，使产品的含量、纯度、活性等达到人们所需。第一章、总论生化过程是指：以微生物发酵为例：微生物发酵过程是极其复杂的生化反应过程。对于生化反应的操作，以前是凭着人们的实践经验来进行的。由于缺乏生化反应过程参数的测量、监视和控制系统，使得产品成本高，操作费用大；为此，要对生化反应过程实行优化操作与控制，首先要解决生化过程有关参数的在线测量问题；然后再根据检测结果对生化过程进行反馈控制或神经网络、人工智能等优化操作。以微生物发酵为例：发酵过程参数检测与控制课件1.1、参 数 （一）：物理参数 反应器温度(T) 反应压力(P)空气流量(FA)体积(V) 1

3、.1、参 数 （一）：物理参数 （二）：化学参数pH值 溶解氧浓度(DO，dissolved oxygen) 出口氧气和二氧化碳分压或浓度（尾气分析）（二）：化学参数（三）：生物参数菌体干重(或菌体浓度X，光密度OD，optical density) 菌体比生长速率() 氧利用速率(OUR) ，摄氧率氧比消耗速率(ro2) ，呼吸强度二氧化碳释放速率(CER)二氧化碳比释放速率呼吸商(RQ) ，= CER/ OUR糖比消耗速率(rc)氮比消耗速率(rN)产品比形成速率(rP) （三）：生物参数（四）：产品相关参数蛋白质浓度蛋白质纯度杂质含量（四）：产品相关参数1、就地（在位）测量，in-pla

4、ce、in-situ 指测量系统中的传感器直接与培养体系接触，给出连续和快速响应的信号，测量信号系统对过程没有发生影响，例如T、pH、溶解氧浓度和罐压测量。 1.2、参数测量的分类1、就地（在位）测量，in-place、in-situ1.22、在线测量，on-line 指利用连续的取样系统与有关的分析仪器连接，取得测量信号响应速度快，可用于实时操作和生产过程控制。例如从尾气取样并测量的尾气分析仪 。2、在线测量，on-line 3、离线测量，off-line 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其他仪器分析仪系统。 发酵过程参数检测与控制课件可靠性灵

5、敏性精度可更换性易清洗耐高温消毒材质无毒与设备连接的密封性1.3、传感器所应具备的特性可靠性1.3、传感器所应具备的特性第二章、过程工程参数的测量第二章、过程工程参数的测量2.1、压力测量生化反应器操作压力的变化，将会引起氧在反应液中的分压改变，也就是说影响着溶解氧浓度的变化；同时，压力对溶解二氧化碳浓度的影响更大，而高的溶解二氧化碳浓度可能会对细胞产生毒性，抑制细胞的生长和目标产物的表达。2.1、压力测量生化反应器操作压力的变化，将会引起氧在反应液压力测量原理1）压力与流体的重量相平衡，由对应的液体量求得压力，如U形管压力计；2）压力与固体的重量相平衡，由对应的固体量求得压力，多用于标定压力

6、计；3）压力与电磁力相平衡，并将其变换成力或电流，多用于工业压力变送器；4）压力与弹性体的变形相平衡，并转换成弹性体的位移，由弹性体的位移求得压力。压力测量原理 弹性压力传感器是在“虎克定律”成立的范围内，把压力变换成与之成比例的变形量的一种方式。 弹性压力传感器是在“虎克定律”成立的范围内，把压力2.1.1、波登（Bourdon）管式压力传感器把具有扁平断面的管子弯成圆形，将一端固定，从这一端接入被测压力，另一端为自由端，并把端部密封起来；如果在管内加上内压时，管子的截面就变成近似于扁圆形状，其结果使自由端向外延展成如图中虚线所示的形状。2.1.1、波登（Bourdon）管式压力传感器把具有

7、扁平断A为弹簧管的固定端，B为自由端，O为中心轴，为弹簧管中心角的初始值，是中心角的变化值 ；与弹簧管内压力成正比； ab，否则=0，即具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作测压元件。 A为弹簧管的固定端，B为自由端，O为中心轴，为弹簧管中心角 采用蜗线波登管或者螺旋波登管后，相当于弹簧管中心角的初始值增大了，输出的也就相应增大了，这样就可以不用齿轮放大机构而直接使指针转动，因而消除了间隙与滞后，提高了精度。 采用蜗线波登管或者螺旋波登管后，相当于弹簧管中心2.1.2、波纹管式压力传感器在很薄的金属圆筒上做出很深的褶性波纹，轴向可以伸缩而径向不发生变化，如果圆筒内外产生压力差时，便成为轴向伸缩元件，

8、故将其称为波纹管。如果在波纹管内放入压缩弹簧，则可以控制其响应性能。 2.1.2、波纹管式压力传感器在很薄的金属圆筒上做出很深的褶发酵过程参数检测与控制课件x=K*p X: 波纹管轴向位移（以指针指示）； K: 常数，与波纹管的材质、厚度、内外 径、波纹数有关； p：波纹管内外压差 x=K*p2.1.3、膜式压力传感器 将薄膜的周边固定，利用薄膜两侧压力差使之产生弹性变形的传感器称为膜式压力传感器，或称为隔膜压力表； 目前，生化工业当中应用的非常普遍，因为它是卫生级压力表，易于清洗和灭菌，无死角。2.1.3、膜式压力传感器 将薄膜的周边固定发酵过程参数检测与控制课件x=K*p X: 薄膜的中心

9、变位（位移）； K: 常数，与薄膜的材质、厚度、直径、预紧力有关； p：压力。x=K*p2.1.4、电阻应变片 金属导体的电阻会随着它所承受的机械变形（导致其长度、截面积和电阻系数的相应变化）而发生变化，这称为金属的电阻应变效应。这就是电阻应变片工作的物理基础。 2.1.4、电阻应变片 金属导体的电阻会随着它2.2、液位和泡沫液位测量 在生化反应前期，微生物生长旺盛。加入料液满载，搅拌马达全速开动，空气通入量达到最大。这时候，反应液上浮很厉害，稍有不慎，就可能会产生“逃液”现象。此时，必须及时加入消泡剂，以减少泡沫，防止反应物上浮。 2.2、液位和泡沫液位测量 在生化反应前 生化反应过程中，反

10、应液中不可避免的存在气泡。泡沫以各种途径影响着生化反应进程：发泡将会增加反应液的体积，从而减少反应器的实际有效使用空间；它增加了反应液的多相性，使得微生物趋向聚集在气泡周围；泡沫的存在将会使反应液中营养基质的分散不够均一（传质不均匀）。 生化反应过程中，反应液中不可避免的存在气泡。 生化反应过程中，培养液在生化反应器中所占的实际体积有非常重要的意义：可有效地建立物料平衡方程，并求得各间接生物参数（如OUR、CER等）；根据液位，控制营养基质的补加量。 生化反应过程中，培养液在生化反应器中所占2.2.1、液位测量：液体静压测量 p=p2 - p1=g h 2.2.1、液位测量：液体静压测量 p=

11、p2 - p1=2.2.2、泡沫液位的测量：导电电极法 该测量方法可由一支或两只导电电极组成，若罐体是金属材料的，就可以用一只电极。当液面或者泡沫到达导电电极的端点时，电路接通，就会有电流信号产生，指示出液体或者泡沫的存在。这种传感器所施加的电压不会超过24V（安全电压）。 2.2.2、泡沫液位的测量：导电电极法 该测量方法可由一支或发酵过程参数检测与控制课件2.3、温度测量对于特定的微生物，都有一个最适宜的生长温度和产品生产温度（而且这两个温度值经常不一致）。如果从生物酶动力学方面来考虑 ，酶的最佳活力对应着一个最佳温度。影响生化反应温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水本身的温度

12、变化以及周围环境温度的改变。2.3、温度测量对于特定的微生物，都有一个最适宜的生长温度和2.3.1、热电势式测温元件：热电偶 热电偶的基本工作原理是基于物体的热电效应。由两种不同的导体组成闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中将产生电势，该电势的大小和方向取决于导体的材料和两个接点的温度差别，这个现象称为物体的“热电效应”；两种导体所组成的回路称为“热电偶”；组成热电偶的导体称为“热电极”；热电偶中温度高的一端叫“热端”或“热接点”，另一端则叫“冷端”或“冷接点”。2.3.1、热电势式测温元件：热电偶 热电偶的基本工作原理是发酵过程参数检测与控制课件 热电偶产生的热电势EAB(t,t0)只与组

13、成热电偶的两种热电极材料A、B和两端接点温度t、t0有关，与热电极的长度和直径无关。如果冷端温度t0恒定，则：EAB(t,t0)=(t) 因此，只要测出热电势EAB(t,t0)，就可以确定相应的被测温度。 热电偶产生的热电势EAB(t,t0)只与组1）热电偶基本定律 ： 中间导体定律 在热电偶回路中引入第三种导体，只要这第三种导体两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变。1）热电偶基本定律 ：发酵过程参数检测与控制课件 中间温度定律 接点温度为t和t0的热点偶，它的热电势EAB(t,t0)等于接点温度分别为t、t1和t1、t0 （t t1 t0）的两只同性质热电偶的热电势的代数和，而且其值

14、不受中间温度t1变化的影响，即：EAB(t,t0)= EAB(t,t1)+ EAB(t1,t0) 这一定律是热电偶冷端温度补偿的理论依据。 中间温度定律2）热电偶电极材质的要求 ： 从测温原理来看，似乎任意两种不同的导体都可组成热电偶，而实际上，为了保证工程应用的可靠性和精度要求，热电偶电极材料有以下几点要求：测温范围内物化性质稳定；热电特性不随时间而改变；不易氧化和腐蚀；热电势要与温度成线性关系或者简单函数关系；重现性好；材料组织均匀，便于加工。 2）热电偶电极材质的要求 ：3）热电偶种类 我国指定生产的热电偶有以下7种：K、E、J、T、R、S、B 3）热电偶种类 发酵过程参数检测与控制课件

15、2.3.2、热电阻式测温元件1）原理 大多数金属导体的电阻随温度的变化关系可用下式表示：Rt=R01+(t-t0)=R0t+R0-R0t0Rt、R0-分别为热电阻在t和t0时的电阻值； -热电阻的电阻温度系数。 从式中可以看出：只要保持不变，则金属的电阻将随温度的变化而线性的变化，而且越大，则灵敏度越高。但是，绝大多数金属导体的并不是一个常数，而是随温度的变化而变化，只能在一定的温度范围内把它近似看作一个常数。2.3.2、热电阻式测温元件1）原理PtNiPtNi2）测温电阻材质的要求1）电阻的温度系数要大, 这样，灵敏度就高；2）稳定性好；3）能在较宽的温度范围内使用；4）能得到适当的电阻值；

16、5）加工容易。 2）测温电阻材质的要求3）种类 Cu50、Cu100、Pt50、Pt100 其中，Pt100的应用最为广泛。3）种类2.4、流量测量流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即“瞬时流量”。它可以用体积流量和质量流量来表示：体积流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体体积数，常用单位为m3/h或者L/h；质量流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体质量数，常用单位为t/h或者kg/h。 2.4、流量测量流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量2.4.1、差压式流量计差压式流量计也叫截流式流量计，它是流量测量中最成熟、最常用的一种流量计；它依据流体流动的节流原理，利

17、用流体流经截流装置时产生的压力差来实现流量测量，其压力差与流体流量呈对应关系；这种流量计由节流元件（截流装置）、引压导管、压差计3部分组成。2.4.1、差压式流量计差压式流量计也叫截流式流量计，它是流发酵过程参数检测与控制课件 节流元件将被测介质的流量变换成差压信号，经引压导管的传递，进入差压计进行显示。所谓节流装置就是在管道中放置一个局部收缩元件，并配以取压装置。最常用的节流装置是孔板，其次是喷嘴、文丘里管。 节流元件将被测介质的流量变换成差压信号，经引压 在水平管道中垂直安装一块孔板，假设充满整个管道的流体在管道截面I前以一定的流速v1平行连续地流动，其静压力为p1。 当流体流经截面I后，

18、由于后面节流装置(孔板)的孔径d小于管道直径D，流束产生收缩。由于惯性的作用，流束的最小收缩截面并不在孔板处，而是在孔板后大约D/2处，即图示截面II处。随之流束又逐渐扩大，恢复原状。 在水平管道中垂直安装一块孔板，假设充满整 由于管道内的流体处于连续流动状态，即在单位时间内通过管道任一截面的流体量是不变的，所以当流束截面收缩时，流体的流速必然加大，这意味着此处流体的动能增加。根据能量守恒定律：由于动能的变化，表征流体静压能的静压力也将随之变化。 显然在截面II处，由于流束收缩截面最小，则此时流速v2最大，静压力p2最小。当流束恢复原状(截面III处)，流速亦恢复到原来的数值，但流体的静压力p

19、3不能完全恢复，产生了总压力损失总。造成压力损失的主要原因是孔板前后涡流的形成以及流体的沿程摩擦，使流体具有的总机械能不可逆地变成了热能，散失在流体内。 由于管道内的流体处于连续流动状态，即在单位时 由上分析可知，当流体流经节流装置时，在节流装置前后会产生静压差节= p1- p2。由于同一孔板其最小流束收缩截面基本不变，因而，管道中流体的流量越大，截面II处的流速v2也就越大，节流装置前后产生的静压差也就越大。这样我们只要测出孔板前后的压差节的大小，即可表示流量的大小，这就是节流装置测量流量的基本原理。 根据伯努利方程式可以得到： Q=K*（节）1/2 K为常数，在节流装置加工完毕后，K就为一

20、定值，无须实际标定，可直接投入使用。 由于在测量过程中，其压差随流量而变，故又称为变压降式流量计。 由上分析可知，当流体流经节流装置时，在节流2.4.2、转子流量计 转子流量计由一根上粗下细的锥形管和一个能在其内上下浮动的转子所组成 ：2.4.2、转子流量计 转子流量计由一根上粗被测流体自下向上从转子和锥形管内壁之间的环隙中通过，由于流体通过环隙时被突然收缩，在转子上下两侧就产生了压差= p1- p2，它使转子受到一个向上的“冲力”而浮起；当这个力正好等于浸没在流体中的转子重量时，则作用在转子上的上、下两个作用力达到平衡，转子就停留在某一高度上。被测流体自下向上从转子和锥形管内壁之间的环隙中通

21、过，由于流体如果流体流量增加，则作用在转子上的“冲力”加大，转子就要向上运动；而随着转子的上升，转子与锥形管间的环形流通截面积增大，流速减低，因而“冲力”也就降低；当“冲力”再次等于转子的重量时，转子就停留在一个新的高度上。反之亦然。这样，根据转子平衡位置的高低，就可得知流量的大小。如果流体流量增加，则作用在转子上的“冲力”加大，转子就要向上 由上述分析可见，流量不同，转子的平衡位置就不同，其停留处的环形流通截面积亦不同。而由于转子的重量是不变的，故其停留时，转子上下的压差总是相同的，不随其平衡位置的改变而改变，因此转于流量计是依据定压降、变节流面积来测量流量的(故常称之为恒压降式流量计)，而

22、差压式流量计则是依据恒节流面积、变压降来测量流量的。 Q=K*A A为环隙流通截面积； K为常数，与转子的横截面积、体积、密度以及流体的密度有关。 由上述分析可见，流量不同，转子的平衡位置就不 当改变转子材料密度f时，会引起仪表量程的改变。显然，增加转子密度f，转子流量计量程扩大，即同一高度的转子平衡位置所对应的检测介质流量增大；反之，量程就缩小。故采用不同材料的转子可以达到改变转子流量计量程的目的。 转子流量计在使用时需要实际标定，因为K与流体的密度有关，因而它受到流体种类和温度的影响。 转子流量计在使用时应垂直安装，不允许有倾斜，被测介质的流向一定要自下而上。 当改变转子材料密度f时，会引

23、起仪表量程的改变。2.4.3、电磁流量计 电磁流量计是利用电磁感应原理制成的流量测量仪表，凡是导电液体(如酸、碱、盐溶液)以及含有固体颗粒或纤维的导电液体(如纸浆、泥浆、糖浆、乳制品等)均可用它来进行计量。2.4.3、电磁流量计 在一段用非导磁材料制成的管道外面，安装有一对磁极N和S，用以产生磁场，当导电液体流过管道时，因流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁力线。根据法拉第电磁感应定律可知，这时在与磁极垂直方向安装的两个电极上将产生感应电势。 Q= K*E E为感应电势 K为常数 感应电势与流体的体积流量成线性关系，因而只要测得感应电势值，便可知道流体流量的大小。 在一段用非导磁材料制成的管道外

24、面，安装有一对 由上述检测原理可以看到，电磁流量计采用非接触式测量，即它没有直接接触流动介质的检测元件，而是依据电磁感应原理进行工作。由于电磁流量计这一特殊的结构原理，使它在流量测量中具有压力损失小、反应速度快、测量范围大、输出信号不受液体的物理条件(温度、压力、粘度)变化和流动状态的影响等特点，因而它适合于测量含有颗粒悬浮物等液体的流量，也可以用于腐蚀性液体的流量测量。 由检测原理还可知，使用电磁流量计的先决条件是被测介质必须是导电的液体，一般其电导率要求不小于水的电导率，因此它不能测量气体、蒸汽和石油制品等非导电流体的流量。 由上述检测原理可以看到，电磁流量计采用非接2.5、pH测量在工业

25、生产上，若反应液pH值偏低，则通过流加氨水、NaOH、KOH的办法，使其pH值回升；若pH值偏高，在反应前期，可适当增加糖的补加量来调整一般没有其他的控制手段。在pH值控制中，必须严格控制好氨水的加入量，绝对不能过量，一旦pH值超过某一上限，则反应液当中的Mg2+浓度会因为Mg(OH)2沉淀的形成而降低，显著影响细胞的生长。2.5、pH测量在工业生产上，若反应液pH值偏低，则通过流加2.5.1、pH的定义 pH定义为氢离子（H+）活度的负对数： pH = -lg CH+ 从pH的定义中可以看出：H+浓度变化10倍，pH才变化一个单位。在稀溶液中，H+浓度和活度是相等的，而在实际溶液中，活度是不

26、可测的。为了克服这个困难，用缓冲溶液来标定pH，从而建立起pH的标准刻度，标准缓冲液是由美国标准局（National Bureau of Standards）来定义、配制的，因此，常称此缓冲液为NBS缓冲液。 在水中，H+ * OH- =Kw=10-14（mol/L），式中，Kw为水的离子积。当H+ = OH-时，溶液为中性，pH等于7（25）。2.5.1、pH的定义 pH定义为氢离子（H+）活 缓冲液之所以具有缓冲性能，是由于其中所含的弱酸仅能部分解离，并存在以下平衡： HA H+ + A- 处于平衡状态的缓冲液一方面有足够的阴离子A-来占据系统中的质子，另一方面有足够未解离酸HA来取代任何

27、自由的H+。换句话说：HA是作为H+的给予体，A-是作为H+的接收体。缓冲液最好具有相同数目的H+给予体和H+接收体（缓冲能力最强）。2.5.2、缓冲液 缓冲液之所以具有缓冲性能，是由于其2.5.3、pH测量系统 pH测量是电势的测量，即测量电位值。测量电极的电势是相对参考电极的电势来测量的。原理如图所示。 两种金属导体通过一种或几种电解质溶液彼此相连接形成一个电流回路，用测量装置将两个电极连接起来，则可用来测量电势。这种测量方法不改变测量溶液的化学组成，在电极界面上仅发生电荷交换，产生电流电势。 2.5.3、pH测量系统 pH测量是电势的测2.5.3.1、pH测量电极 当一支玻璃电极插入待测

28、量的水溶液中，则在玻璃膜（基础、核心元件，0.2-0.5mm）上形成一层“凝胶层”，同样在玻璃膜内层也产生这层“凝胶层”，凝胶层内的H+浓度是由玻璃膜的性质决定的如图：内边的玻璃膜与具有确定pH的缓冲溶液相接触（内部缓冲液）2.5.3.1、pH测量电极 当一支玻璃电极插入待H+要么从凝胶层扩散出去，要么扩散进凝胶层，这取决于待测溶液的pH值。在碱性溶液中，H+从凝胶层扩散出去，在凝胶层的外边建立一个负的电荷场；在酸性溶液中，H+扩散进凝胶层，在凝胶层的外边建立一个正的电荷场。因为玻璃电极内部是具有恒定pH的缓冲溶液，因此，玻璃膜内表面的电势在测量期间为常数。H+要么从凝胶层扩散出去，要么扩散进

29、凝胶层，这取决于待测溶液 为了测得确切的pH值，参考电极必须具有恒定的电势，与待测溶液无关。每一个参考电极包括一个参考元件，它沉浸在一定的电解质溶液中，而且该电解质溶液必须与待测溶液相接触，这种接触通常是采用一多孔性陶瓷膜来连接实现的。参考元件多使用“银/氯化银”，电解质溶液多采用“饱和氯化钾溶液”。电解质溶液必须具有很高的离子强度，这样就具有很低的电阻。 2.5.3.2、参考电极 为了测得确切的pH值，参考电极必须具有恒定的电2.5.3.3、复合电极 因为使用复合电极远比采用分开的电极测量容易，因此，实际使用中多采用复合电极。 因为温度对pH的测量有很大的影响，为了补偿温度的影响，则在复合电

30、极中加一块温度敏感元件，从而构成测量电极、参考电极和温度传感元件三合一的电极。 2.5.3.3、复合电极 因为使用复合电极远比采用发酵过程参数检测与控制课件2.5.3.4 pH测量系统 测量链路电势E包括以下几种电势，如图：E1: 膜外侧的电势，取决于待测溶液的pH值；E2: 不平衡电势，即当膜两侧为相同溶液时的电势差，取决于玻璃膜的厚度和制造方法；E3: 膜内侧的电势，取决于内部缓冲溶液的pH值；E1E3E22.5.3.4 pH测量系统 测量链路电势E包括以下几种电势E4: 内部电极电势，取决于内部缓冲溶液的Cl-活度；E5: 参考电极电势，取决于参考电解液的Cl-活度；E6: 接合处的扩散

31、电势。 E1E2E4E3E5E6E4: 内部电极电势，取决于内部缓冲溶液的Cl-活度；E1E 为了测量电势E1，得到待测溶液的pH值，则所有其他电势都应该在测量过程中为常数。 从图中可以看出：E2、E3、E4、E5在测量过程中均保持不变，而E6（接合处电势）严格的讲并不能保持不变，实际的做法是使E6尽可能得小并保持不变。具体的做法为采用浓度高而且阴阳离子迁移速率相等的参考电解液，比如饱和KCl或者KNO3溶液。 为了测量电势E1，得到待测溶液的pH值，则所有其如Na+和Cl-由溶液1通过接合处扩散至溶液2，会产生电量分离，这是由于C1-移动得比Na+快的缘故。电量分离会产生扩散电势、抑制移动，

32、直到达到动态平衡，如图所示：如Na+和Cl-由溶液1通过接合处扩散至溶液2，会产生电量分当阴、阳离子的迁移速率大且相差很小时，扩散电势最小；而当阴、阳离子的迁移速率相差很大时，扩散电势就大，不利于实际测量。所以实践中总是采用阴、阳离子迁移速率大且非常接近的饱和KCl或者KNO3溶液。接合处与电极的响应时间也密切相关。例如：当接合处为多孔的且电解液流动较强时，电极响应时间就会很短，而当接合处脏了之后，电极的响应时间就会延长。 当阴、阳离子的迁移速率大且相差很小时，扩散电势最小；而当阴、2.5.4、pH测量2.5.4.1 测量原则 pH的精确测量需要考虑下面五个因素：温度，由于温度影响pH值，所以

33、只有在同一温度下的pH测量值才能进行比较；溶液的均一性，溶液必须通过搅拌才能达到其物化性质的均一性；测量时间，对于暴露在大气中的样品进行测量，尤其当样品中的盐含量很低或者具有低缓冲能力时，应加快测量，否则，大气中的二氧化碳溶解于样品中，会影响测量值的准确性；测量时，必须使接合处浸没于待测液中，这样才能生成完整的测量回路；标定，电极在使用前，需要进行标定。2.5.4、pH测量2.5.4.1 测量原则2.5.4.2 标定（两点标定法） 根据待测溶液的pH值，选择两种缓冲液，使待测pH值处于两个缓冲液的pH之间。标定前，必须使电极和缓冲液具有相同的温度；另外，还必须知道这两种缓冲液的温度曲线（即，不

34、同温度下该缓冲液的pH值） 标定时，先标定零点（定位，即pH为7.0），然后再标定斜率（另外一个缓冲液），之后在标定一遍零点。在要求精度更高的情况下，需要经过反复多次定位、斜率的标定。 2.5.4.2 标定（两点标定法） 根据待测溶液的p2.5.4.3 温度补偿 实际测量中，要特别注意，只有当电极标定时的温度与待测溶液的温度相同时才能得到准确的pH测量值。 温度补偿有手动补偿和自动补偿两种。2.5.4.3 温度补偿 实际测量中，要特2.5.4.4 标准测量 通常，pH的测量范围为212，温度为1050，盐的浓度为0.54mol/L，且待测溶液为均一的缓冲水溶液。 2.5.4.4 标准测量2.5

35、.5、特殊应用2.5.5.1 离子稀少介质中pH的测量 介质中盐浓度低于0.5mol/L就认为是离子稀少介质，如此低的盐浓度将导致导电性能极差。在离子稀少的溶液中电极接合处的阻力增大，会给参考电解液与待测溶液的接触带来问题，可能会引起扩散电势，而且信号还会受到搅拌作用的影响。对于这种问题，往往通过增大电极结合部的面积来解决，如应用环形接触接合部形式。2.5.5、特殊应用2.5.5.1 离子稀少介质中pH的测量2.5.5.2 半水溶性或非水溶性溶液 对于非水溶性溶液只能得到相对pH值，半水溶性溶液往往也属于稀离子溶液。在这样的溶液中，电解液与待测溶液的接触区域会形成相分离，产生不稳定信号，面且可

36、能会在接合处产生沉淀，例如当高浓度的KCl溶液用作参考电解质时，就会发生这种现象。对于这种情况，使用电极需要满足的一个基本条件就是电解液与待测溶液应具有均一的化学性质（无相分离，无沉淀形成），因此可以采用LiCl的乙醇溶液或LiCl的醋酸溶液作为参考电解质，而且最好使用环形接合电极。如果样品中含水超过5，则可使用pH测量的一般方法得到绝对pH值而不是相对值。 2.5.5.2 半水溶性或非水溶性溶液2.5.5.3 含有硫化物的溶液 当使用AgAgCl参考系统时，参考电解液中往往合有银离子，如果在接合处银离子遇到待测溶液中的硫离子，则产生极难溶的硫化银沉淀，会堵塞接合处并使其变黑，这会造成测量信号

37、滞后、不稳定以及降低电极使用寿命。 对于上述问题可使用Argenthal参考系统，利用AgCl自由电极。硫离子污染的接合处可以通过将电极浸入硫脲HCl溶液中得到清洗。此外，内装电桥的电极也能解决该问题。 2.5.5.3 含有硫化物的溶液2.5.5.4 富含蛋白质的溶液 在富含蛋白质的溶液中，如果蛋白质与KCl参考电解液接触，则蛋白质会在接合处形成沉淀。 对于上述问题需要使用特殊的电解质(如Friscolyt-B)，其中含有的甘油可以避免上述沉淀现象的发生。接合处蛋白质的污染，则可将电极浸入胃蛋白酶HCl溶液中清洗。 2.5.5.4 富含蛋白质的溶液 2.5.5.5 含有氢氟酸的溶液 氢氟酸具有

38、很强的腐蚀性，能够改变玻璃膜的化学性质，即使在很小浓度的情况下也会阻碍凝胶层的形成，这会导致产生不稳定的测量信号，缩短电极的使用寿命。氢氟酸的这些作用只有在溶液的pH值小于5时才会产生。可以使用特殊的对氢氟酸有抗腐能力的玻璃膜。当氢氟酸浓度较高时，可以使用锑电极和特殊的参考电极。 2.5.5.5 含有氢氟酸的溶液2.5.5.6 强酸强碱溶液的测量 在室温情况下，当pH值超过12时，Na+离子浓度过高，成为可测量的信号，这导致了测量误差。此外，由于离子迁移速率变化，接合处的扩散电势也会增加。对于这种强碱性的情况，钠离于造成的误差可以通过使用特殊的玻璃膜来减小。另一方面，可以利用新鲜的氢氧化钙(p

39、H12.4)溶液标定，以减少接合处的扩散电势。 强酸性溶液也会引起接合处的扩散电势。其解决办法是，在标定时尽可能接近实际的测量值，例如，当测量pH值为1时，则用0.1mol/L HCl来标定电极。 2.5.5.6 强酸强碱溶液的测量2.5.6、电极维护1）当电极的玻璃膜或者连接部受到污染后，电极应及时清洗，根据污染的不同类型，可采用不同的清洗方法：2.5.6、电极维护1）当电极的玻璃膜或者连接部受到污染后，2）电极只能淋洗，不可擦洗或机械清洗，因为这种做法会导致静电荷，同时会增加电极响应时间，或者会划伤玻璃电极的玻璃膜；3）当参考电极的传导元件已不再能浸入到参考电解液中时（因为电解液会通过接合

40、处扩散掉），或者当电解液已污染（因为待测溶液会通过接合处扩散进入），需要对电解液进行补充或更新；4）冲液式pH电极必须在正压下操作，防止待测溶液扩散入电解液，造成电解液污染；5）大部分pH电极不可以干燥保存，也不能保存在蒸馏水中，必须贮存在参考电解液中，否则，会使电极的响应时间延长。 2）电极只能淋洗，不可擦洗或机械清洗，因为这种做法会导致静电2.6、DO的测量在耗氧型生化反应过程中，氧是作为微生物生长必须的原料，若供氧不足，将会抑制微生物的生长和代谢的进行。若DO偏低，则促使细胞内反应向厌氧发酵方向进行，使细胞的转化率降低不说，此时会大量产生代谢副产物乙酸、乙醇等，严重抑制细胞的生长和目标产

41、品的生产。影响溶解氧浓度的主要因素有供给的空气流量、搅拌浆转速和反应器的压力。2.6、DO的测量在耗氧型生化反应过程中，氧是作为微生物生长2.6.1、DO浓度的单位 目前有3种表示DO浓度的单位：第一种是氧分压或张力（Dissolved Oxygen Tension , 简称DOT），以大气压或mm汞柱表示，100空气饱和水中的DOT为0.2095760 = 159 （mm Hg柱）。这种表示方法多在医疗单位中使用。2.6.1、DO浓度的单位 目前有3种表示DO浓度的单位：第二种方法是绝对浓度，以mg O2/L纯水或ppm表示。这种方法主要在环保单位应用较多。用Winkler氏化学法可测出水中

42、溶氧的绝对浓度。第二种方法是绝对浓度，以mg O2/L纯水或ppm表示。这种发酵行业只用第三种方法，空气饱和度()来表示。它只能在相似的条件下，在同样的温度、罐压、通气搅拌下进行比较。这种方法能反映菌的生理代谢变化和对产物合成的影响。因此，在应用时，必需在接种前标定电极。方法是在一定的温度、罐压和通气搅拌下以灭菌后培养基被空气百分之一百饱和为基准。零氧时为0，则反应过程中的溶解氧含量即为标定时的百分数。 发酵行业只用第三种方法，空气饱和度()来表示。它只能在相似2.6.2、影响DO的因素供氧方面搅拌转速通气量罐压温度耗氧方面细胞密度比生长速率2.6.2、影响DO的因素供氧方面2.6.3 原理2

43、.6.3 原理 工业当中测量发酵液中溶解氧浓度是采用可耐高温消毒的带金属护套的玻璃极谱电极。原理如图所示。 这是按照Clark原理设计的复膜电极，复合膜是由聚四氟乙烯膜和聚硅氧烷膜复合而成，它既有高的氧分子渗透性，又有贮氧作用。其中包括一个阴极（铂电极）和一个阳极（银电极），两电极之间通过电解质相连接。在阳极与阴极之间加一个极化电压（0.60.8V），在有氧存在的情况下，在电极上将产生选择性的氧化还原反应： 阴极上的反应： O2 + 2H2O + 4e 4OH- 阳极上的反应： 4Ag + 4Cl- 4AgCl + 4e 工业当中测量发酵液中溶解氧浓度是采用可耐高温消毒 这样，在两个电极之间就

44、有电流产生，典型的极化曲线（即在不同的氧浓度下电流与电压的关系曲线）如下图。从图中可以看出：在极化电压一定时（比如图中的0.7V），极化电流与溶液中的氧分压成线性关系：i=Kpo2，i为极化电流；K为常数；po2为溶液中的氧分压。根据此原理就可以求得溶液中的氧浓度。. 这样，在两个电极之间就有电流产生，典型的极化2.6.4、电极结构 2.6.4、电极结构 作为参比电极的银管阳极组成一个内电极体，这个电极体装在耐热不锈钢电极护套内。银管绕在一玻璃棒上，在玻璃棒内部熔有一个直径为0.25mm的铂丝阴极。同时在玻璃棒体内埋有用来补偿电极电流温度特性的热敏电阻。充满电解质的气体渗透膜护套是用来套在内电

45、极体端部上，使电解质充满在内电极体与膜护套之间。膜护套的底部装有一由不锈钢丝加固的氧渗透膜，膜护套是由一种硅树脂做成，因此，这种护套能适应高温消毒期间电解质液体体积的膨胀。 作为参比电极的银管阳极组成一个内电极体，这个2.6.5、电极标定0%：亚硫酸盐法灭菌后100%：发酵起始阶段以发酵条件如转速、通气量、温度、罐压等调校。2.6.5、电极标定0%：2.6.6、注意事项使用中应注意以下问题：由于溶解氧电极信号阻抗较高(约20M)，溶解氧电极与转换器之间距离最大为50m；溶解氧电极不用时也应处于工作状态，可接在溶解氧转换器上。久置或重新再生(更换电解液或膜)的电极，在使用前应置于无氧环境极化12

46、h；由于温度变化对电极膜的扩散和氧溶解度有较大影响，标定时需较长时间(约10min)，以使温补电阻达到平衡； 2.6.6、注意事项使用中应注意以下问题：日常维护：清洗、校验、再生12 周应清洗一次电极，如果膜片上有污染物，会引起测量误差。清洗时应小心，注意不要损坏膜片。将电极放入清水中涮洗，如污物不能洗去，用软布或棉布小心擦洗。23 月应重新校验一次零点和量程。电极的再生大约1 年左右进行一次。当测量范围调整不过来，就需要对溶解氧电极再生。电极再生包括更换内部电解液、更换膜片、清洗银电极。如果观察银电极有氧化现象，可用细砂纸抛光。在使用中如发现电极泄露，就必须更换电解液 。日常维护：清洗、校验

47、、再生2.7、溶解CO2检测较高的分压抑制微生物生长并降低代谢产物的生产能力；用对CO2分子有特殊选择渗透特性的微孔膜包裹的pH探头浸入碳酸氢盐缓冲液中；平衡后缓冲液pH与被测发酵液中的CO2分压保持平衡，成正比，缓冲液的pH可间接表示发酵液中的CO2分压。2.7、溶解CO2检测较高的分压抑制微生物生长并降低代谢产物2.8、尾气分析进出气体中O2浓度测定方法：顺磁氧分析仪原理：据O2的磁化系数为N2的245倍， CO2的169倍，即空气中的总磁化系数决定于O2组分变化。2.8、尾气分析进出气体中O2浓度测定进出气体中CO2浓度测定方法：用红外线CO2测定仪原理：在近红外波段， CO2气体的吸收

48、会造成光强度的衰减。在波长2.62.9*103和4.14.5*103nm，CO2通过时光强减弱，减弱量服从Lambert-Beer定律： A = -lg(I/I0) = a*L*CCO2进出气体中CO2浓度测定发酵过程参数检测与控制课件第三章、生物参数的测量3.1 细胞密度湿重干重光密度浊度第三章、生物参数的测量3.1 细胞密度3.2 KLa3.2.1 亚硫酸盐法 将一定温度的自来水的加入试验发酵罐内，开始搅拌， 并加入一定量的亚硫酸钠和少量的硫酸铜（催化剂）。3.2 KLa3.2.1 亚硫酸盐法3.2.2 稳态法（溶氧电极法、物料衡算法）3.2.2 稳态法（溶氧电极法、物料衡算法）3.2.3

49、 动态法3.2.3 动态法3.3、生物传感器生物传感器通常是指由一种生物敏感部件（固定化的生物体成分或生物体本身作为敏感元件）和转化器紧密结合，对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性响应的分析装置。生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物化学作用，产生的信息如电、光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。3.3、生物传感器生物传感器通常是指由一种生物敏感部件（固定敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件根据传感器输出信号

50、的产生方式,可分为生物亲合型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器;根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因传感器、细胞及细胞器传感器。根据生物传感器的信号转换器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等根据传感器输出信号的产生方式,可分为生物亲合型生物传感器、代生物亲合型传感器 被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为： S（底物）+ R（受体）

51、= SR生物亲合型传感器代谢型传感器 底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为 S（底物）R（受体）= SR P（生成物）代谢型传感器发酵过程参数检测与控制课件上面介绍的各种名称都是类别的名称，每一类又都包含许多种具体的生物传感器例如，仅酶电极一类，根据所用酶的不同就有几十种，如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等就是葡萄糖电极也并非只有一种，有用pH电极或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极，有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器的电流型葡萄糖电极等

52、实际上还可再细分。上面介绍的各种名称都是类别的名称，每一类又都包含许多种具体的（一）酶传感器酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜以葡萄糖传感器为例：（一）酶传感器酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜发酵过程参数检测与控制课件（二）免疫传感器基本原理 采用抗原与抗体的特异反应将待测物与酶连接，然后通过酶与底物产生颜色反应，用于定量测定。在这种测定方法中有3种必要的试剂： 固相的抗原或抗体（免疫吸附剂） 酶标记的抗原或抗体（标记物） 酶作用的底物（显色剂）（二）免疫传感器基本原理酶联免疫吸附测定法测量时，抗原（抗体）先结合在固相载体上，但仍保留其免疫活性，然后加一种抗体（抗原）与酶结合成的偶联物（标记物）

53、，此偶联物仍保留其原免疫活性与酶活性，当偶联物与固相载体上的抗原（抗体）反应结合后，再加上酶的相应底物，即起催化水解或氧化还原反应而呈颜色。其所生成的颜色深浅与欲测的抗原（抗体）含量成正比。酶联免疫吸附测定法（三）细胞传感器 以动植物细胞作为生物敏感膜的电化学传感器称为细胞电极，此系酶电极的衍生型电极。动植物细胞中的酶是反应的催化剂。 与酶电极比较，细胞电极具有如下优点： 1.酶活性较离析酶高。 2.酶的稳定性增大。 3.材料易于获得。（三）细胞传感器 以动植物细胞作为生物敏感膜的电化学细胞传感器可用于诊断早期癌症，用人类脐静脉内皮细胞通过三乙酸纤维素膜固定在离子选择性电极上作为传感器，肿瘤细

54、胞中VEGF刺激细胞使电极电位发生变化从而测得VEGF浓度来诊断癌症。细胞传感器可用于诊断早期癌症，用人类脐静脉内皮细胞通过三乙酸（四）微生物传感器微生物传感器分为两类：一类是利用微生物在同化底物时消耗氧的呼吸作用；另一类是利用不同的微生物含有不同的酶。好氧微生物在繁殖时需消耗大量的氧,可以氧浓度的变化来观察微生物与底物的反应情况。（四）微生物传感器微生物传感器分为两类：装置是：由适合的微生物电极与氧电极组成。原理是：利用微生物的同化作用耗氧,通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量,从而达到测量底物浓度的目的.装置是：由适合的微生物电极与氧电极组成。3.4、发酵液成分分析高效液相色普（H

55、PLC）选择适当的层析柱、操作温度、溶剂系统等，样品要要经过亚微米级过滤与自动取样系统连接3.4、发酵液成分分析发酵过程参数检测与控制课件第三章、反馈控制器（一）前馈控制 被控对象反应慢，测量反应快的干扰量的变化来对控制对象进行控制。 如温度（控制对象 ），冷却水的压力（二）反馈控制 传感器检测被控输出量，反馈到控制系统，控制器根据与预定值的比较，得出偏差，进而控制动作。第三章、反馈控制器（一）前馈控制3.1 开关式控制 开关式控制器也叫两位式控制器，这种控制方式当被控变量与设定值之间有偏差存在时控制器的输出是“要么开、要么关”，操作变量不是处于最大就是处于最小。 u(t)： 控制器的输出（代

56、表操作变量的大小）；e(t)： 被控系统的偏差。 （考试，大于60分就及格，低于60分就不及格）。 3.1 开关式控制 开关式控制器也叫两位式控制 举一个简单的例子：下图为一个采用开关式控制的液位控制系统。该系统的检测装置为“浮球式继电器”，当液位升高时，浮球上升，将开关打开，电磁阀线圈断电，阀门关闭，贮槽不进水，这样液位就逐渐下降，浮球也逐渐下降；当液位下降到一定程度时，开关关闭，电磁阀线圈通电，阀门打开，贮槽进水，这样液位就逐渐上升。 举一个简单的例子：下图为一个采用开关式控制的由于该控制器的执行器（如例子中的电磁阀）总是从一个固定位置到另一个固定位置（如例子中的非开即关），系统永远不可能

57、达到动态平衡，所以被控变量总是在设定值附近波动。开关式控制简单易行，但过渡过程式持续震荡的，因而适用于对象“时间常数较大、负荷变化不大、变化也不很剧烈、要求不太严格” 的场合。 由于该控制器的执行器（如例子中的电磁阀）总是从一个固定位置到3.2 PID控制器 在反馈控制过程中，有三种基础的控制模式分别是：比例（P，proportion ）、积分（I，integral ）、微分（D，differential），将三者有机的结合起来就构成一个有效的PID控制系统。 如图6.3.3和6.3.4，为一个流量控制系统，其中过程流量通过“流量测量变送器（FT）”送到“流量控制器（FC）”，控制器将测量值与

58、设定值相比较的出偏差，再对偏差进行合适的计算，送出一校正信号到调节阀上，进而使过程流量达到所希望的设定值。3.2 PID控制器发酵过程参数检测与控制课件3.2.1 比例控制（P） 比例控制是反馈控制器的一种基本控制作用，它能克服开关式是控制的缺点，是过渡过程达到新的稳定状态。3.2.1 比例控制（P） 举一个简单的例子：下图为一个简单的采用比例控制的液位控制系统。如果系统受到干扰，使液位偏高，则通过浮球与杠杆的作用，使阀杆下降，将阀门关小，进水量就相应的减小；反之，如果液位偏低，则通过浮球与杠杆的作用，使阀杆上升，将阀门开大，进水量就相应的增加，使液位控制在一定的水平。由于阀门的开度变化是通过

59、杠杆调节，并与液位的变化成比例，所以这种控制规律就称作比例作用。（马桶的冲水器具有类似的原理） 举一个简单的例子：下图为一个简单的采用比 对于比例控制作用，控制器的输出是与偏差信号e(t)成比例关系的，即：u(t)=u0+Kc e(t)u(t)：控制器的输出；u0：控制器的零位输出值；e(t)：偏差信号；Kc：比例控制器增益。对于比例控制器，其输出零位值u0是可以调整的，当偏差等于零时控制器的输出为u0，也就是说u0要调到使系统处于稳态时的值上。例如图6.3.5液面系统，阀门3的初始开度要调到h(t)在设定值时使流量输入qi与输出qo相等的位置上。 控制器的增益Kc是可调整的，使控制器的输出变

60、化对偏差信号有足够的灵敏度。当控制器安装好后，控制器增益Kc是要根据过程的特性和对控制的要求进行调整的。（比如，输出qo的波动非常剧烈，就要使Kc大一些，系统的反应就灵敏一些） 对于比例控制作用，控制器的输出是与偏差信号 有些控制器，符别是老型号的控制器，控制器的增益是用比例度（PB）来表示的，比例度严格的定义为： PB=（1/Kc）*100% 采用比例控制器构成的闭环控制系统，由于比例作用能够较快地克服干扰对被控变量的影响，使系统稳定（相对于开关式控制的优点），但过渡过程终了后还有余差存在（缺点）。这是由于对象的物料或能量平衡关系（如液位的高低）因负荷或给定值变化而遭到破坏后，经过控制器，只