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1、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
2、；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，0150，与热电阻型号匹配。,1、物理参数检测,2）热量测量（属“微热量”）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）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；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
3、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,3）搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速：磁感应式，光感应式，测速电机；搅拌功率：（影响因素：菌丝浓度、黏度、泡沫）方法：功率表，测定力矩求功率法。,1、物理参数检测,4）空气流量测定体积流量型：会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；同心孔板压差式流量计；转子流量计。质量流量型：根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。,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
4、,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
5、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:OTROUR(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=KL（C*-CL）热传递系数：QC=Fin H0in-FoutH0out 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
6、制发酵过程1、基本的自动控制系统 前馈控制 反馈控制 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,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,反馈控制 反馈控制是自动控制的主要方式,1、基本的自动控制系统,反馈控制 溶解氧的串联 反馈控制,1、基本的自动控制系统,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,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、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、正位移泵、蠕动泵。转换器过程接口监控计算机,本章知识结构,发酵过程的参数检测方法溶解氧（DO）的测量发酵过程的自动控制方法前馈控制和反馈控制,预习内容微生物反应动力学,分批培养中细胞的生长动力学细胞循环使用的单级连续培养动力学,
