发酵学发酵过程的检测与自控课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章,发酵过程的检测与自控,第一节 发酵过程的参数检测,第二节 发酵过程的自动控制,本章主要内容,第一节 发酵过程的参数检测,概述,一、直接参数检测,二、间接参数检测,概述,1.检测目的,获得发酵过程的重要参数，以便于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发酵产品具体目的：,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的时间；,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；,收集建立数学模型必需的数据，通过过程模型实施计算机控制从检测手段分可分为：,间接参数,：由直接参数经过计算得到，如摄氧率、KLa等,直接参数：,直接测得温度、pH、残糖等,检测参数：,不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上得到的参数，如温度、pH、搅拌转速；,离线检测参数：,取出样后测定得到的参数，如残糖、菌体浓度2.检测方法：,1）传感器（电极或探头）,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结构和线路组成。

3.传感器,2）对传感器的要求,传感器除了满足常规要求，诸如：可靠性、准确性、精确度、响应时间、分辨能力、灵敏度、测量范围、特异性、可维修性等，还应当满足一些,特殊要求,：,一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌,其次是在发酵过程中保持无菌的问题,还有一个问题是传感器易被培养基和细胞沾污,3）传感器分类（测量方式）,离线传感器,传感器（原位传感器和传感器）,pH传感器（电极）、溶氧传感器（电极）、氧化还原电位传感器、溶解二氧化碳传感器,4.,检测参数（性质）,物理参数,：温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等,化学参数,：基质浓度（包括糖、氮、磷）、,pH,、产物浓度、核酸量等,生物参数,：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等,参数名称,单位,测试方法,意义、主要作用,温度,罐压,空气流量,搅拌转速,搅拌功率,粘度,浊度,泡沫,体积氧传质系数KLa,C,Pa,V/V.min,R/min,KW,Pa.s,透光度,l/h,传感器,压力表,传感器,传感器,传感器,粘度计,传感器,传感器,间接计算,维持生长、合成,维持正压、增加溶氧,供氧、排泄废气、提高K,La,物料混合、提高K,La,反映搅拌情况、K,La,反映菌的生长、K,La,反映菌的生长情况,反映发酵代谢情况,反映供氧效率,物理参数,参数名称,单位,测试方法,意义、主要作用,pH,基质浓度,溶解氧浓度,氧化还原电位,产物浓度,尾气氧浓度,尾气CO,2,浓度,菌体浓度,RNA、DNA含量,ATP、ADP、AMP,NADH含量,摄氧率,呼吸强度,呼吸商,比生长速率,g/ml,mV,g/ml,Pa,%,G/ml,Mg/g,Mg/g,Mg/g,gO,2,/L.h,gO,2,/g菌.h,1/h,传感器,取样,传感器,传感器,取样,传感器,传感器,取样,取样,取样,取样,间接计算,间接计算,间接计算,间接计算,了解生长和产物合成,了解生长和产物合成,反映氧供需情况,反映菌的代谢情况,产物合成情况,了解耗氧情况,了解菌的呼吸情况,了解生长情况,了解生长情况,了解能量代谢活力,了解菌的合成能力,了解耗氧速率,了解比耗氧速率,了解菌的代谢途径,了解生长,化学、生物参数,一、直接参数检测,1.温度检测温度电极,严格保持菌种的生长繁殖和生物合成所需的最适温度，对稳定发酵过程，缩短周期，提高产量，具有重要意义。

通常可以采用水银温度计、热电阻监测系统中的温度普遍使用的热电阻有铂电阻和铜电阻铂电阻精度高、稳定性好、性能可靠；铜电阻超过100时易被氧化一）传感器检测,2.pH检测pH电极,微生物代谢状况的综合反映基质代谢、产物合成、细胞状态、营养状况、供氧状况,一般采用可原位蒸汽灭菌的复合pH电极，其中包括,一只玻璃电极,和,一只参比电极,pH电极安装在专用外壳中，可连续指示罐内酸碱变化pH电极测量原理,pH电极实际上是由参比电极与指示电极组成的一个自发电池，,该电池的参比电极的输出电位恒定，指示电极的输出电位随被测体系中氢离子活度而变化因此整个自发电池的电动势就是被测体系中氢离子活度的函数因此从电位差计的E值可测出pH值复合电极,将两支电极都装在一根玻璃管中工业上检测大都使用这种电极它结构紧凑，便于安装溶氧电极能耐高温，可以固定装在发酵罐上，连续地测量培养液中溶氧浓度使用一个可灭菌的不锈钢探头，表面由允许氧渗透进入电化学小室的材料构成电化学小室内有浸在碱性水溶液中的两个电极，进入的氧在电化学小室内引发氧化还原反应并产生电动势，可以放大成表示溶氧浓度的信号把溶氧浓度变成一个与之呈线性关系的电流量，进行测量。

3.,溶氧测定,溶氧电极,复膜氧电极的工作原理,阴极由铂、银、金等贵金属组成，阳极由铅、锡、铝等组成当给电极施加极谱电压（0.60.8V负电压）时，,溶液中的氧就在阴极被还原,当产生的电流与溶液中氧含量成正比时，此时的电极电流为饱和电流，此时的电压为极谱电压氧浓度与饱和电流成正比关系在阴极表面发生的电极反应：,1/2O,2,+H,2,O+e,-,2OH,-,阴极上失去电子后，阳极反应产生的电子流向阴极，于是在二电极之间形成电流，将氧的信号转变成电信号氧浓度越高，电流越大阳极上的反应是：,Pb+2ACO,-,Pb(ACO),2,+2e,-,化学信号转变成电信号,c,L,=c,*,DOT,式中 P实际操作压力，Pa；,c,0,*,在0.101325 MPa压力下的饱和溶氧浓度，molm,3,或mmolL；,c,*,在实际操作压力P下的饱和溶氧浓度，molm,3,或mmolL；,c,L,发酵液中溶氧浓度，molm,3,或mmolL；,DOT溶氧传感器测量的溶氧压，一般使用覆膜溶氧探头，它实际测量的是溶氧分压，与溶氧浓度并不直接相关，故测量结果称为溶氧压（,dissolved oxygen tension,，简称,DOT,），它以饱和值,(,即与气相氧分压平衡的溶氧浓度,),的百分数表示,4.泡沫的控制液位电极（消泡电极）,液位电极是根据空气与带有发酵液的泡沫导电率不同的原理制造。

当反应物液面达到一定的高度时，自动打开消泡剂的阀门，当液面降回到正常时，自动关闭消泡剂的阀门5.生物传感器,定义：,是利用酶、抗体、微生物等作为敏感材料，将所感受的生物体信息转换成电信号进行检测的传感器原理：生物传感器的结构一般是在基础传感器(电化学装置）上再耦合一个生物敏感膜（称为感受器或敏感元件）生物敏感膜紧贴在探头表面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开当待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于敏感物质时，形成复合体，随之进行生化和电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O,2,、H,2,、NH,4,+,、CO,2,等，并通过电化学装置转换为电信号,生物传感器测量原理,酶传感器,微生物传感器,免疫传感器,细胞传感器,组织传感器,生物传感器的特点,1)对被检测物质具有极好的选择性，噪音低2)操作简单，需用样品少，能直接完成测定3)经固定化处理后，可保持长期生物活性，传感,器可经得住反复使用4)主要缺点是寿命较短对蒸汽和化学灭菌不稳定,传感器检测的优点及问题,优点：,主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，便于用计算机控制问题：,发酵液的性质复杂一般培养液中同时存在三相，即液、气、固体不溶物或油；,发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌。

因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制造带来很大的困难1.生物量检测,干细胞含量、DNA含量、过滤探头、粘度，压缩体积法（离心），静置沉降体积法，比浊法（适合于细菌、酵母）,2.尾气分析,红外CO,2,分析仪、顺磁O,2,分析仪,3.发酵液成分分析,高效液相、质谱,（二）其他检测技术,二、间接参数的检测,根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌体的比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生产速率摄氧率r：单位体积培养液每小时所消耗的氧量（mmol/L.h）,1、摄氧率,呼吸强度Q,O2,：单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量（mmol/g.h）,2、呼吸强度,呼吸商RQ：CO,2,释放率与氧消耗率之商3、呼吸商,RQ是碳能源代谢情况的指示值碳能源完全氧化，RQ达到完全氧化理论值,碳能源不完全氧化，RQ异常实测RQ值低于理论值,因为：不完全氧化的中间代谢物,存在多种碳源,如青霉素发酵，RQ为0.50.7，且随葡萄糖与消泡剂加入量之比而波动一些碳能源基质的理论呼吸商,包括：,和过程的未来状态相联系的控制目的或目标（如要求控制的温度、,pH,值、生物量浓度等）；,一组可供选择的控制动作（如阀门的开、关，泵的开、停等）；,一种能够预测控制动作对过程状态影响的模型（如用加入基质的浓度和速率控制细胞生长率时需要能表达它们之间相关关系的数学式）。

这三者相互联系、相互制约，组成具有特定自控功能的自控系统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,第二节 发酵过程的自动控制,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,本节主要内容,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）控制温度变化对温度的控制，在系统中，冷却水的压力被测量但不控制，当压力发生变化时，控制器提前对冷却水控制阀发出动作指令，以避免温度的波动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型的准确性反馈控制,反馈控制是自动控制的主要方式,控制器,被控对象,传感器,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自适应控制,：,发酵过程是复杂的和不确定的过程，而上述自控系统的数学模型结构和参数都是确定的，过程的输入信号均为时间的函数，过程的输出响应也是确定的，所以对发酵过程动态特性无法确定数学模型，过程的输入信号也含有许多不可测的随机因素。

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,要点,呼吸商,传感器,生物传感器,离线传感器,传感器,原位传感器,发酵过程检测的目的,发酵过程自动控制包括哪三方面内容,发酵过程采用的基本自控系统有那几种方式,发酵自动控制系统的硬件组成,。