第九章过程参数检测与控制.ppt

9.1 9.1 发酵酵过程参数程参数 检测的目的：检测的目的：1）了解过程变量的变化是否与预期的目标值相符；）了解过程变量的变化是否与预期的目标值相符；2）决定移种及放罐、补料的时间；）决定移种及放罐、补料的时间；3）对不可测变量进行间接估计；）对不可测变量进行间接估计；4）对过程变量进行手动及自动控制；）对过程变量进行手动及自动控制；5）收集建设数学模型所必需的数据，通过过程模型）收集建设数学模型所必需的数据，通过过程模型实施计算机控制；实施计算机控制；•根据参数的性质可将生物反应过程参数分为：根据参数的性质可将生物反应过程参数分为：物理参数物理参数化学参数化学参数生物学参数生物学参数生物反生物反应参数一参数一览表表  9.2 9.2 发酵酵过程参数程参数检测 传感器传感器：： 能感受规定的被测量并按照一定的规律，将其转换成可用信能感受规定的被测量并按照一定的规律，将其转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件、转化元件及相应的机械号的器件或装置，它通常由敏感元件、转化元件及相应的机械结构和线路组成结构和线路组成对传感器的要求对传感器的要求 可靠性可靠性 灵敏度灵敏度 准确性准确性 测量范围测量范围 精确度精确度 特异性特异性响应时间响应时间 可维修性可维修性分辨能力分辨能力 特殊要求特殊要求发酵用传感器的分类发酵用传感器的分类按测量方式分按测量方式分•离线传感器：离线传感器：不安装在发酵罐内，人工取样•传感器：传感器：自动测定，流动注射分析系统（FIA）,（HPLC）或质谱仪等•原位传感器：原位传感器：直接与发酵液接触，给出连续的响应信号，如温度、压力、pH、溶氧等生物反应过程参数检测分类生物反应过程参数检测分类 离线测量离线测量 检测检测------直接状态参数直接状态参数/ /间接状态参数间接状态参数 可粗略地把检测仪器分成检测和离线检测两大类可粗略地把检测仪器分成检测和离线检测两大类（（1 1）温度测量：）温度测量： 通常可以采用水银温度计、热电阻监测。

普遍使用的热通常可以采用水银温度计、热电阻监测普遍使用的热电阻有铂电阻和铜电阻电阻有铂电阻和铜电阻 铂电阻精度高、稳定性好、性能可靠，但价格贵；铜电阻铂电阻精度高、稳定性好、性能可靠，但价格贵；铜电阻价低、超过价低、超过100℃100℃时易被氧化时易被氧化1 1 直接状态参数检测直接状态参数检测pt-100温度传感器探头温度传感器探头(发酵罐自动恒温控制发酵罐自动恒温控制)（（2 2）粘度测定）粘度测定 毛细管粘度计毛细管粘度计 旋转式粘度计旋转式粘度计 振动式粘度计振动式粘度计KV-100毛细管粘度计毛细管粘度计法国Sofraser振动式粘度计（（3 3））pHpH测定测定参比电极：输出电位恒定；参比电极：输出电位恒定；指示电极：输出电位随指示电极：输出电位随被测体系中氢离子浓度变化被测体系中氢离子浓度变化原理原理pH  甘汞电极（甘汞电极（a））232型（型（b））217型型1 1－导线；－导线；2 2－加液口；－加液口；3-KCl3-KCl溶液；溶液；4 4－素烧瓷芯；－素烧瓷芯；5 5－铂丝；－铂丝；6 6－－HgHg；；7 7－－HgHg2 2ClCl2 2一般的参比电极是甘汞电极。

电极的外壳是玻璃管，里面套一根小一般的参比电极是甘汞电极电极的外壳是玻璃管，里面套一根小玻璃管，其顶部伸出电极引线，引线的下端浸没在汞中，汞的下端玻璃管，其顶部伸出电极引线，引线的下端浸没在汞中，汞的下端有糊状甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，而汞和甘有糊状甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，而汞和甘汞不会漏失，小管和大管之间充满汞不会漏失，小管和大管之间充满KClKCl溶液，末端用多孔陶瓷渗入到溶液，末端用多孔陶瓷渗入到溶液中，实现电极引线与溶液间的电导通溶液中，实现电极引线与溶液间的电导通u参参比比电电极极 甘汞电极（半电池）可表示为甘汞电极（半电池）可表示为Hg(L) HgHg(L) Hg2 2ClCl2 2(S) (S) ClCl- -(L) (L) 电极电位产生于汞和甘汞的界面，其电极电极电位产生于汞和甘汞的界面，其电极反应为：反应为： 2Cl-+2Hg Hg2Cl2+2e-εCl/HgCl,Hg=ε + ln1/αu指指示示电电极极内参比溶液：一定浓度的内参比溶液：一定浓度的HClHCl溶液；溶液；内参比电极：一般用银内参比电极：一般用银/ /氯化银电极氯化银电极E[α]=E0- ln1/ =E0-2.303 pHu复复合合电电极极pHpH电极的使用电极的使用•灭菌灭菌 •校准校准 •电解液流失电解液流失•玻璃膜污染玻璃膜污染（（4 4）） 溶氧的测定溶氧的测定------溶氧电极溶氧电极 原电池型：银阴极，铅阳极原电池型：银阴极，铅阳极银阴极被还原：银阴极被还原：O2+2H2O+4e→4OH-铅阳极被氧化：铅阳极被氧化：2Pb+2KOH+4OH--4e→2KHPbO2+2H2O极谱型：银阳极、铂丝阴极、氯化钾电解液，外加电源极谱型：银阳极、铂丝阴极、氯化钾电解液，外加电源阴极还原阴极还原: O: O2 2+2H+2H2 2O+4eO+4e- -4OH4OH- -阳极氧化阳极氧化: 4Ag+4Cl: 4Ag+4Cl- -4AgCl+4e4AgCl+4e- -总反应总反应: O: O2 2+2H+2H2 2O+4Ag+4ClO+4Ag+4Cl- -4OH4OH- -+4AgCl+4AgCl极谱型溶氧电极的构造极谱型溶氧电极的构造溶氧电极的使用溶氧电极的使用•灭菌灭菌 •校准校准 •更换电解液和膜更换电解液和膜 溶解溶解CO2浓度的检测原浓度的检测原理是利用对理是利用对CO2分子有特分子有特殊选择渗透性的微孔膜，殊选择渗透性的微孔膜，并使扩散通过的并使扩散通过的CO2进入进入碳酸碳酸氢氢钠缓冲液中，平衡钠缓冲液中，平衡后显示的后显示的pH与溶解的与溶解的CO2浓度成正比，由此可测出浓度成正比，由此可测出溶解溶解CO2浓度。

浓度CO2电极结构电极结构（（5 5）） 溶溶CO2的测定的测定（（6）光密度传感器）光密度传感器（（7））泡沫检测传感器泡沫检测传感器液面或泡沫上升与电极液面或泡沫上升与电极探针接触产生电信号探针接触产生电信号（（8）荧光检测传感器）荧光检测传感器•细胞内呼吸链上的细胞内呼吸链上的NADHNADH在在336 nm336 nm处可激发出能在处可激发出能在460 nm460 nm处检出的特征性荧光，处检出的特征性荧光，荧光测量活细胞装置图荧光测量活细胞装置图(9) 流速（流量）测定流速（流量）测定•培养基和其他酸碱等液体流量测定多用流量培养基和其他酸碱等液体流量测定多用流量计，如计，如液体质量流量计、电磁流量计、漩涡液体质量流量计、电磁流量计、漩涡流量计、椭圆流量计流量计、椭圆流量计 、压差流量计、压差流量计等 蠕动泵蠕动泵•气体流量计分为气体流量计分为体积流量型体积流量型( (根据流动气体根据流动气体动能的转换而检测其流量动能的转换而检测其流量 ) )和和质量流量型质量流量型( (利用液体的固有性质，如质量、导电性、利用液体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应及导热等特性而设计的电磁感应及导热等特性而设计的 ) ) 转子流量计转子流量计 •液位检测的主要方法有压差法、电容法、液位检测的主要方法有压差法、电容法、电导法、浮力法和声波法等。

电导法、浮力法和声波法等电容式液位计的测定原理电容式液位计的测定原理 (10) (10) 发酵液液位检测发酵液液位检测(11) 离子选择性电极离子选择性电极•离子选择性电极可用于离线检测发酵液中特离子选择性电极可用于离线检测发酵液中特定的无机离子，如定的无机离子，如NHNH4 4+ +、、NaNa+ +、、K K+ +、、MgMg2+2+、、CaCa2+2+、、SOSO4 42-2-和和NONO3 3- -等等 (12) (12) 生物传感器生物传感器生物材料：生物材料：酶、微生物、抗体、生物体组织或器官酶、微生物、抗体、生物体组织或器官等等转换元件：电位计、安培计、量热计、光度计等转换元件：电位计、安培计、量热计、光度计等信号、数据处理系统信号、数据处理系统•￿酶传感器（enzymesensor）• 微生物传感器（microbialsensor）• 细胞传感器（organallsensor）• 组织传感器（tissuesensor）• 免疫传感器（immunolsensor）根据生物传感器中分子识别元件可分为：e.g.e.g.脲酶电极脲酶电极：把脲酶固定在：把脲酶固定在NH3气敏电极或气敏电极或CO2气敏电极的表面，在脲酶的催化下，尿素可以发生气敏电极的表面，在脲酶的催化下，尿素可以发生如下的分解反应：如下的分解反应：CO(NH2)2+H2O 2NH3+CO2通过通过NH3或或CO2气敏电极测定气敏电极测定NH3或或CO2的分压即的分压即可达到间接测定尿素的目的。

可达到间接测定尿素的目的(13) (13) 尾气分析尾气分析① ① 尾气氧分压的检测：尾气氧分压的检测： 主要有磁氧分析、极谱电位法和质谱法主要有磁氧分析、极谱电位法和质谱法 哑铃形顺磁氧分析仪原理哑铃形顺磁氧分析仪原理 图7-8 非色散红外气体分析仪A—A—光源光源 SA— SA—分析光束分析光束 SB—SB—参比光束参比光束 R— R—旋转旋转遮光片遮光片 CA CB CC— CA CB CC—分分析室析室 CR— CR—参比室参比室 TA—TA—分析检测室分析检测室 TR— TR—参比检测室参比检测室 Z— Z—调零调零遮光片遮光片 B— B—平衡遮光平衡遮光片片 F— F—平衡遮光片操平衡遮光片操纵支撑点纵支撑点 M— M—伺服电伺服电极极 A1 A2— A1 A2—放大器放大器 P—P—记录笔记录笔②② 尾气尾气CO2的检测：的检测：③尾气中其他气体的分析：质谱仪(14) (14) 发酵液成分分析发酵液成分分析•高效液相色谱（HPLC）•流动注射分析系统（FIA）•与自动取样系统连接2 2 间接状态参数检测间接状态参数检测 间接状态参数即可通过直接状态参数计算求间接状态参数即可通过直接状态参数计算求得的变量。

如氧利用速率得的变量如氧利用速率( (OUROUR) )、二氧化碳释放速、二氧化碳释放速率率( (CERCER) )、比生产速率、比生产速率( (μμ) )、体积氧传质速率、体积氧传质速率( (KLKLa)a)、呼吸商、呼吸商( (RQRQ) )等可通过对直接反映菌体生可通过对直接反映菌体生理状态的间接状态参数实施过程控制，比单纯控理状态的间接状态参数实施过程控制，比单纯控制环境变量在提高发酵产率方面常常能起到更加制环境变量在提高发酵产率方面常常能起到更加重要的作用重要的作用与传质相关的参数估计与传质相关的参数估计 与基与基质消耗有关的参数估消耗有关的参数估计 与呼吸代谢有关的参数估计与呼吸代谢有关的参数估计 与细胞生长相关参数的估计与细胞生长相关参数的估计 与基质消耗有关的参数估计与基质消耗有关的参数估计 以连续发酵为例，由基质平衡可得以连续发酵为例，由基质平衡可得基质消耗速率的计算公式：基质消耗速率的计算公式： 基质消耗总量可由基质消耗速率对基质消耗总量可由基质消耗速率对时间积分进行估计，即：时间积分进行估计，即：•二氧化碳释放速率（CER）•氧利用速率（OUR）•呼吸熵（RQ） 与呼吸代谢有关的参数估计与呼吸代谢有关的参数估计 溶氧浓度溶氧浓度与传质相关的参数估计与传质相关的参数估计 液相体积氧传递系数液相体积氧传递系数 当发酵液中溶氧浓度保持稳定时，即发酵过程中的当发酵液中溶氧浓度保持稳定时，即发酵过程中的氧供给量与氧消耗量达到平衡时，氧供给量与氧消耗量达到平衡时，与传质相关的参数估计与传质相关的参数估计 生物量生物量 ——般以间接方法进行估计，方法主要有由氧消耗般以间接方法进行估计，方法主要有由氧消耗率估计和由率估计和由COCO2 2释放率估计两种释放率估计两种。

与细胞生长相关的参数估计与细胞生长相关的参数估计比生长速率和比生产速率比生长速率和比生产速率X(t)P(t)9.3 9.3 发酵过程的自动控制发酵过程的自动控制自动控制定义自动控制定义自动控制要素自动控制要素自动控制优势自动控制优势9.3.1 9.3.1 基本自动控制系统基本自动控制系统 组成：被控过程、检测元件和变送器、控制器、组成：被控过程、检测元件和变送器、控制器、执行器执行器1 1、、基本的自动控制系统基本的自动控制系统 ① ①前馈控制前馈控制 ② ②反馈控制反馈控制 ③ ③自适应控制自适应控制9.3.1.1 9.3.1.1 前馈控制前馈控制前馈控制前馈控制——被控对象尚未发生变化时提前实施控制•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：通过冷却水压力（控制阀）控制温度变化如：通过冷却水压力（控制阀）控制温度变化9.3.1.2 9.3.1.2 反馈控制反馈控制反馈控制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1.1.开关控制开关控制① P=ke 　　② ③2.PID2.PID控制控制3.3.串级反馈控制串级反馈控制由两个以上控制器对一种变量进行联合控制的方法4. 4. 前馈前馈/ /反馈控制反馈控制9.3.1.3 9.3.1.3 自适应控制自适应控制因为发酵过程的不确定性，须提取有关输入、输出信息，对模型及其参数不断进行辨识，使模型逐渐完善，同时自动修改控制器的控制动作，使之适应于实际过程。

此控制系统叫做自适应控制发酵过程各变量可供选择的控制系统发酵过程各变量可供选择的控制系统9.3.2 9.3.2 发酵自控系统的硬件结构发酵自控系统的硬件结构传感器传感器变送器变送器转换器转换器过程接口过程接口监控计算机监控计算机执行机构执行机构 电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、蠕动泵蠕动泵•温度控制系统由四个环节组成，温度控制系统由四个环节组成，即即温度测量元件，通常用铂热温度测量元件，通常用铂热电阻温度计电阻温度计T T，控制器，调节，控制器，调节阀和被控过程的生化反应器阀和被控过程的生化反应器（发酵罐）（发酵罐）4-生化反应器生化反应器9.3.2 9.3.2 发酵过程控制的应用发酵过程控制的应用（（1 1）温度的控制）温度的控制（（2 2）溶氧控制）溶氧控制R：各控制参数：各控制参数• pH• DO• 预设补料速率预设补料速率• ……（（3 3）补料控制的策略）补料控制的策略。