发酵过程的参数检测和自动控制

第八章发酵过程的参数检测

和自动控制提纲一、发酵过程的参数检测1、物理参数检测2、化学参数检测3、间接参数检测二、发酵过程的自动控制1、基本的自动控制系统2、发酵自动控制系统的硬件组成一、发酵过程的参数检测微生物工程的基本任务：通过对发酵过程的有效控制，高效利用微生物内在能力，低能耗、低物耗地最大限度生产生物产品。方法：发酵过程的参数检测，定性、定量描述，有效控制。微生物的生长代谢过程是动态变化过程，属于开放系统。根据参数的性质特点可分为：物理参数、化学参数、间接参数三类。测参数的测量形式分为：就地信号系统，在线测量系统和离线测量。测量难度：传感器须耐高温；固形物附着传感器；气泡干扰；产生灭菌死角；成分分析难转电信号。一、发酵过程的参数检测1、物理参数检测1）温度测量

感温元件：铂电阻（精、稳但贵）；铜电阻（便宜、但需长、大，易氧化）；半导体（精、小、简、耐腐蚀但非线形）。二次仪表：温度，0—150℃，与热电阻型号匹配。1、物理参数检测2）热量测量（属“微热量”）①利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度（影响因素较多Q散Q显Q搅，只能定性和估计）②利用温度变化率S（℃/h）：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量S；③热力学方法：

根据盖斯定律：“在恒压和恒容条件下，一个反应不论是一步完成或几步完成，其反应热是相同的”。这实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓（H）是状态函数，过程的焓变与途径无关，只决定于过程的始态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计算。1、物理参数检测5）罐压测量就地指示；转变为电信号（远传）。选测、控点时，要避免死角，防止染菌。

1、物理参数检测6）料液计量与液位控制压差法：H=（△P2/△P1）·△H直接重量测量法：直接称重体积计量法：计算进出料液流量计量法：计算流量和时间液位探针1、物理参数检测7）发酵液粘度测定毛细管粘度计回转式粘度计涡轮旋转粘度计2、化学参数检测1）PH测量复合PH电极

（灭菌、稳定、流通、耐压）PH测量仪器2、化学参数检测2）溶解氧的测量溶氧电极法：这是一种参量变换器：把溶氧浓度变成一个与之呈线性关系的电流量，进行测量，这种溶氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温，可以固定装在发酵罐上，连续地测量培养液中溶氧浓度。亚硫酸盐氧化法取样极普法排气法2、化学参数检测3）溶解二氧化碳测量复膜式电极法渗透膜—碳酸氢钠法4）发酵尾气的在线分析CO2分析氧浓度测量（如质谱分析仪）2、化学参数检测5）菌浓度的测量浊度法荧光测量排气分析法粘度测定法热量恒算法酶电极法恒电位电极法3、间接参数检测1）数据处理2）间接数据的获得质量传递速率:OTR≈OUR(氧吸收率)=QO2X组分比率

（呼吸商RQ：形成的CO2与耗O2之比）质量传递系数：如氧：W=OTR=KLα（C*-CL）热传递系数：QC=Fin

△H0in-Fout△H0out其他间接参数:如搅拌功率、叶尖速度、发酵液体积等。二、发酵过程的自动控制

变量测量和变化规律的认识→控制器(自动化仪表、计算机组成)→控制关键变量→控制发酵过程1、基本的自动控制系统①前馈控制②反馈控制③自适应控制2、发酵自动控制系统的硬件组成1、基本的自动控制系统①前馈控制：通过动态反应快的变量测量来预测反应慢、易干扰的被控对象的变化，并提前实施控制。如：通过冷却水压力（控制阀）控制温度变化。1、基本的自动控制系统②反馈控制反馈控制是自动控制的主要方式控制器被控对象传感器1、基本的自动控制系统②反馈控制溶解氧的串联反馈控制1、基本的自动控制系统②反馈控制开关控制：控制阀门的全开全关；PID控制：采用比例、积分、微分控制算法；串联反馈控制：两个以上控制器对一变量实施联合控制；前馈/反馈控制：前馈控制与反馈控制相结合。1、基本的自动控制系统③自适应控制：提取有关输入、输出信息，对模型和参数不断进行辩识，使模型逐渐完善；同时自动修改控制器的动作，适应实际过程。——自适应控制系统。2、发酵自动控制系统的硬件组成传感器变送器执行机构电磁阀、