發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件

1、生化過程參數(shù)檢測與控制 馬曉軒 生化過程參數(shù)檢測與控制 Reference生化過程自動化技術. 王樹青 編著. 1999, 05. 化學工業(yè)出版社.生物化學實驗. 韓躍武 編著. 2006, 08. 蘭州大學出版社.發(fā)酵過程解析、控制與檢測技術. 史仲平, 潘豐 編著. 2005, 04. 化學工業(yè)出版社.參數(shù)檢測與自動控制. 李登超 編著. 2004, 02. 冶金工業(yè)出版社 Reference第一章、總論生化過程是指：通過對微生物或細胞生長的外部條件如溫度、pH、DO等物理化學條件的檢測與控制，達到對細胞的遺傳組成和代謝途徑等內(nèi)部控制，從而使其盡可能多的生產(chǎn)目標產(chǎn)物；然后采用各生化分離的方

2、法對目標產(chǎn)物進行分離，并以適當?shù)臋z測手段進行分析，使產(chǎn)品的含量、純度、活性等達到人們所需。第一章、總論生化過程是指：以微生物發(fā)酵為例：微生物發(fā)酵過程是極其復雜的生化反應過程。對于生化反應的操作，以前是憑著人們的實踐經(jīng)驗來進行的。由于缺乏生化反應過程參數(shù)的測量、監(jiān)視和控制系統(tǒng)，使得產(chǎn)品成本高，操作費用大；為此，要對生化反應過程實行優(yōu)化操作與控制，首先要解決生化過程有關參數(shù)的在線測量問題；然后再根據(jù)檢測結(jié)果對生化過程進行反饋控制或神經(jīng)網(wǎng)絡、人工智能等優(yōu)化操作。以微生物發(fā)酵為例：發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件1.1、參 數(shù) （一）：物理參數(shù) 反應器溫度(T) 反應壓力(P)空氣流量(FA)體積(V) 1

3、.1、參 數(shù) （一）：物理參數(shù) （二）：化學參數(shù)pH值 溶解氧濃度(DO，dissolved oxygen) 出口氧氣和二氧化碳分壓或濃度（尾氣分析）（二）：化學參數(shù)（三）：生物參數(shù)菌體干重(或菌體濃度X，光密度OD，optical density) 菌體比生長速率() 氧利用速率(OUR) ，攝氧率氧比消耗速率(ro2) ，呼吸強度二氧化碳釋放速率(CER)二氧化碳比釋放速率呼吸商(RQ) ，= CER/ OUR糖比消耗速率(rc)氮比消耗速率(rN)產(chǎn)品比形成速率(rP) （三）：生物參數(shù)（四）：產(chǎn)品相關參數(shù)蛋白質(zhì)濃度蛋白質(zhì)純度雜質(zhì)含量（四）：產(chǎn)品相關參數(shù)1、就地（在位）測量，in-pla

4、ce、in-situ 指測量系統(tǒng)中的傳感器直接與培養(yǎng)體系接觸，給出連續(xù)和快速響應的信號，測量信號系統(tǒng)對過程沒有發(fā)生影響，例如T、pH、溶解氧濃度和罐壓測量。 1.2、參數(shù)測量的分類1、就地（在位）測量，in-place、in-situ1.22、在線測量，on-line 指利用連續(xù)的取樣系統(tǒng)與有關的分析儀器連接，取得測量信號響應速度快，可用于實時操作和生產(chǎn)過程控制。例如從尾氣取樣并測量的尾氣分析儀 。2、在線測量，on-line 3、離線測量，off-line 指在一定時間內(nèi)離散取樣，在反應器外進行樣品處理和分析的測量，包括常規(guī)的化學分析和其他儀器分析儀系統(tǒng)。 發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件可靠性靈

5、敏性精度可更換性易清洗耐高溫消毒材質(zhì)無毒與設備連接的密封性1.3、傳感器所應具備的特性可靠性1.3、傳感器所應具備的特性第二章、過程工程參數(shù)的測量第二章、過程工程參數(shù)的測量2.1、壓力測量生化反應器操作壓力的變化，將會引起氧在反應液中的分壓改變，也就是說影響著溶解氧濃度的變化；同時，壓力對溶解二氧化碳濃度的影響更大，而高的溶解二氧化碳濃度可能會對細胞產(chǎn)生毒性，抑制細胞的生長和目標產(chǎn)物的表達。2.1、壓力測量生化反應器操作壓力的變化，將會引起氧在反應液壓力測量原理1）壓力與流體的重量相平衡，由對應的液體量求得壓力，如U形管壓力計；2）壓力與固體的重量相平衡，由對應的固體量求得壓力，多用于標定壓力

6、計；3）壓力與電磁力相平衡，并將其變換成力或電流，多用于工業(yè)壓力變送器；4）壓力與彈性體的變形相平衡，并轉(zhuǎn)換成彈性體的位移，由彈性體的位移求得壓力。壓力測量原理 彈性壓力傳感器是在“虎克定律”成立的范圍內(nèi)，把壓力變換成與之成比例的變形量的一種方式。 彈性壓力傳感器是在“虎克定律”成立的范圍內(nèi)，把壓力2.1.1、波登（Bourdon）管式壓力傳感器把具有扁平斷面的管子彎成圓形，將一端固定，從這一端接入被測壓力，另一端為自由端，并把端部密封起來；如果在管內(nèi)加上內(nèi)壓時，管子的截面就變成近似于扁圓形狀，其結(jié)果使自由端向外延展成如圖中虛線所示的形狀。2.1.1、波登（Bourdon）管式壓力傳感器把具有

7、扁平斷A為彈簧管的固定端，B為自由端，O為中心軸，為彈簧管中心角的初始值，是中心角的變化值 ；與彈簧管內(nèi)壓力成正比； ab，否則=0，即具有均勻壁厚的圓形彈簧管不能用作測壓元件。 A為彈簧管的固定端，B為自由端，O為中心軸，為彈簧管中心角 采用蝸線波登管或者螺旋波登管后，相當于彈簧管中心角的初始值增大了，輸出的也就相應增大了，這樣就可以不用齒輪放大機構而直接使指針轉(zhuǎn)動，因而消除了間隙與滯后，提高了精度。 采用蝸線波登管或者螺旋波登管后，相當于彈簧管中心2.1.2、波紋管式壓力傳感器在很薄的金屬圓筒上做出很深的褶性波紋，軸向可以伸縮而徑向不發(fā)生變化，如果圓筒內(nèi)外產(chǎn)生壓力差時，便成為軸向伸縮元件，

8、故將其稱為波紋管。如果在波紋管內(nèi)放入壓縮彈簧，則可以控制其響應性能。 2.1.2、波紋管式壓力傳感器在很薄的金屬圓筒上做出很深的褶發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件x=K*p X: 波紋管軸向位移（以指針指示）； K: 常數(shù)，與波紋管的材質(zhì)、厚度、內(nèi)外 徑、波紋數(shù)有關； p：波紋管內(nèi)外壓差 x=K*p2.1.3、膜式壓力傳感器 將薄膜的周邊固定，利用薄膜兩側(cè)壓力差使之產(chǎn)生彈性變形的傳感器稱為膜式壓力傳感器，或稱為隔膜壓力表； 目前，生化工業(yè)當中應用的非常普遍，因為它是衛(wèi)生級壓力表，易于清洗和滅菌，無死角。2.1.3、膜式壓力傳感器 將薄膜的周邊固定發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件x=K*p X: 薄膜的中心

9、變位（位移）； K: 常數(shù)，與薄膜的材質(zhì)、厚度、直徑、預緊力有關； p：壓力。x=K*p2.1.4、電阻應變片 金屬導體的電阻會隨著它所承受的機械變形（導致其長度、截面積和電阻系數(shù)的相應變化）而發(fā)生變化，這稱為金屬的電阻應變效應。這就是電阻應變片工作的物理基礎。 2.1.4、電阻應變片 金屬導體的電阻會隨著它2.2、液位和泡沫液位測量 在生化反應前期，微生物生長旺盛。加入料液滿載，攪拌馬達全速開動，空氣通入量達到最大。這時候，反應液上浮很厲害，稍有不慎，就可能會產(chǎn)生“逃液”現(xiàn)象。此時，必須及時加入消泡劑，以減少泡沫，防止反應物上浮。 2.2、液位和泡沫液位測量 在生化反應前 生化反應過程中，反

10、應液中不可避免的存在氣泡。泡沫以各種途徑影響著生化反應進程：發(fā)泡將會增加反應液的體積，從而減少反應器的實際有效使用空間；它增加了反應液的多相性，使得微生物趨向聚集在氣泡周圍；泡沫的存在將會使反應液中營養(yǎng)基質(zhì)的分散不夠均一（傳質(zhì)不均勻）。 生化反應過程中，反應液中不可避免的存在氣泡。 生化反應過程中，培養(yǎng)液在生化反應器中所占的實際體積有非常重要的意義：可有效地建立物料平衡方程，并求得各間接生物參數(shù)（如OUR、CER等）；根據(jù)液位，控制營養(yǎng)基質(zhì)的補加量。 生化反應過程中，培養(yǎng)液在生化反應器中所占2.2.1、液位測量：液體靜壓測量 p=p2 - p1=g h 2.2.1、液位測量：液體靜壓測量 p=

11、p2 - p1=2.2.2、泡沫液位的測量：導電電極法 該測量方法可由一支或兩只導電電極組成，若罐體是金屬材料的，就可以用一只電極。當液面或者泡沫到達導電電極的端點時，電路接通，就會有電流信號產(chǎn)生，指示出液體或者泡沫的存在。這種傳感器所施加的電壓不會超過24V（安全電壓）。 2.2.2、泡沫液位的測量：導電電極法 該測量方法可由一支或發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件2.3、溫度測量對于特定的微生物，都有一個最適宜的生長溫度和產(chǎn)品生產(chǎn)溫度（而且這兩個溫度值經(jīng)常不一致）。如果從生物酶動力學方面來考慮 ，酶的最佳活力對應著一個最佳溫度。影響生化反應溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、電機攪拌熱、冷卻水本身的溫度

12、變化以及周圍環(huán)境溫度的改變。2.3、溫度測量對于特定的微生物，都有一個最適宜的生長溫度和2.3.1、熱電勢式測溫元件：熱電偶 熱電偶的基本工作原理是基于物體的熱電效應。由兩種不同的導體組成閉合回路，當兩個接點溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電勢，該電勢的大小和方向取決于導體的材料和兩個接點的溫度差別，這個現(xiàn)象稱為物體的“熱電效應”；兩種導體所組成的回路稱為“熱電偶”；組成熱電偶的導體稱為“熱電極”；熱電偶中溫度高的一端叫“熱端”或“熱接點”，另一端則叫“冷端”或“冷接點”。2.3.1、熱電勢式測溫元件：熱電偶 熱電偶的基本工作原理是發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件 熱電偶產(chǎn)生的熱電勢EAB(t,t0)只與組

13、成熱電偶的兩種熱電極材料A、B和兩端接點溫度t、t0有關，與熱電極的長度和直徑無關。如果冷端溫度t0恒定，則：EAB(t,t0)=(t) 因此，只要測出熱電勢EAB(t,t0)，就可以確定相應的被測溫度。 熱電偶產(chǎn)生的熱電勢EAB(t,t0)只與組1）熱電偶基本定律 ： 中間導體定律 在熱電偶回路中引入第三種導體，只要這第三種導體兩端溫度相同，則熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢保持不變。1）熱電偶基本定律 ：發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件 中間溫度定律 接點溫度為t和t0的熱點偶，它的熱電勢EAB(t,t0)等于接點溫度分別為t、t1和t1、t0 （t t1 t0）的兩只同性質(zhì)熱電偶的熱電勢的代數(shù)和，而且其值

14、不受中間溫度t1變化的影響，即：EAB(t,t0)= EAB(t,t1)+ EAB(t1,t0) 這一定律是熱電偶冷端溫度補償?shù)睦碚撘罁?jù)。 中間溫度定律2）熱電偶電極材質(zhì)的要求 ： 從測溫原理來看，似乎任意兩種不同的導體都可組成熱電偶，而實際上，為了保證工程應用的可靠性和精度要求，熱電偶電極材料有以下幾點要求：測溫范圍內(nèi)物化性質(zhì)穩(wěn)定；熱電特性不隨時間而改變；不易氧化和腐蝕；熱電勢要與溫度成線性關系或者簡單函數(shù)關系；重現(xiàn)性好；材料組織均勻，便于加工。 2）熱電偶電極材質(zhì)的要求 ：3）熱電偶種類 我國指定生產(chǎn)的熱電偶有以下7種：K、E、J、T、R、S、B 3）熱電偶種類 發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件

15、2.3.2、熱電阻式測溫元件1）原理 大多數(shù)金屬導體的電阻隨溫度的變化關系可用下式表示：Rt=R01+(t-t0)=R0t+R0-R0t0Rt、R0-分別為熱電阻在t和t0時的電阻值； -熱電阻的電阻溫度系數(shù)。 從式中可以看出：只要保持不變，則金屬的電阻將隨溫度的變化而線性的變化，而且越大，則靈敏度越高。但是，絕大多數(shù)金屬導體的并不是一個常數(shù)，而是隨溫度的變化而變化，只能在一定的溫度范圍內(nèi)把它近似看作一個常數(shù)。2.3.2、熱電阻式測溫元件1）原理PtNiPtNi2）測溫電阻材質(zhì)的要求1）電阻的溫度系數(shù)要大, 這樣，靈敏度就高；2）穩(wěn)定性好；3）能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用；4）能得到適當?shù)碾娮柚担?/p>

16、5）加工容易。 2）測溫電阻材質(zhì)的要求3）種類 Cu50、Cu100、Pt50、Pt100 其中，Pt100的應用最為廣泛。3）種類2.4、流量測量流量是指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量的大小，即“瞬時流量”。它可以用體積流量和質(zhì)量流量來表示：體積流量是指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體體積數(shù)，常用單位為m3/h或者L/h；質(zhì)量流量是指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體質(zhì)量數(shù)，常用單位為t/h或者kg/h。 2.4、流量測量流量是指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量2.4.1、差壓式流量計差壓式流量計也叫截流式流量計，它是流量測量中最成熟、最常用的一種流量計；它依據(jù)流體流動的節(jié)流原理，利

17、用流體流經(jīng)截流裝置時產(chǎn)生的壓力差來實現(xiàn)流量測量，其壓力差與流體流量呈對應關系；這種流量計由節(jié)流元件（截流裝置）、引壓導管、壓差計3部分組成。2.4.1、差壓式流量計差壓式流量計也叫截流式流量計，它是流發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件 節(jié)流元件將被測介質(zhì)的流量變換成差壓信號，經(jīng)引壓導管的傳遞，進入差壓計進行顯示。所謂節(jié)流裝置就是在管道中放置一個局部收縮元件，并配以取壓裝置。最常用的節(jié)流裝置是孔板，其次是噴嘴、文丘里管。 節(jié)流元件將被測介質(zhì)的流量變換成差壓信號，經(jīng)引壓 在水平管道中垂直安裝一塊孔板，假設充滿整個管道的流體在管道截面I前以一定的流速v1平行連續(xù)地流動，其靜壓力為p1。 當流體流經(jīng)截面I后，

18、由于后面節(jié)流裝置(孔板)的孔徑d小于管道直徑D，流束產(chǎn)生收縮。由于慣性的作用，流束的最小收縮截面并不在孔板處，而是在孔板后大約D/2處，即圖示截面II處。隨之流束又逐漸擴大，恢復原狀。 在水平管道中垂直安裝一塊孔板，假設充滿整 由于管道內(nèi)的流體處于連續(xù)流動狀態(tài)，即在單位時間內(nèi)通過管道任一截面的流體量是不變的，所以當流束截面收縮時，流體的流速必然加大，這意味著此處流體的動能增加。根據(jù)能量守恒定律：由于動能的變化，表征流體靜壓能的靜壓力也將隨之變化。 顯然在截面II處，由于流束收縮截面最小，則此時流速v2最大，靜壓力p2最小。當流束恢復原狀(截面III處)，流速亦恢復到原來的數(shù)值，但流體的靜壓力p

19、3不能完全恢復，產(chǎn)生了總壓力損失總。造成壓力損失的主要原因是孔板前后渦流的形成以及流體的沿程摩擦，使流體具有的總機械能不可逆地變成了熱能，散失在流體內(nèi)。 由于管道內(nèi)的流體處于連續(xù)流動狀態(tài)，即在單位時 由上分析可知，當流體流經(jīng)節(jié)流裝置時，在節(jié)流裝置前后會產(chǎn)生靜壓差節(jié)= p1- p2。由于同一孔板其最小流束收縮截面基本不變，因而，管道中流體的流量越大，截面II處的流速v2也就越大，節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的靜壓差也就越大。這樣我們只要測出孔板前后的壓差節(jié)的大小，即可表示流量的大小，這就是節(jié)流裝置測量流量的基本原理。 根據(jù)伯努利方程式可以得到： Q=K*（節(jié)）1/2 K為常數(shù)，在節(jié)流裝置加工完畢后，K就為一

20、定值，無須實際標定，可直接投入使用。 由于在測量過程中，其壓差隨流量而變，故又稱為變壓降式流量計。 由上分析可知，當流體流經(jīng)節(jié)流裝置時，在節(jié)流2.4.2、轉(zhuǎn)子流量計 轉(zhuǎn)子流量計由一根上粗下細的錐形管和一個能在其內(nèi)上下浮動的轉(zhuǎn)子所組成 ：2.4.2、轉(zhuǎn)子流量計 轉(zhuǎn)子流量計由一根上粗被測流體自下向上從轉(zhuǎn)子和錐形管內(nèi)壁之間的環(huán)隙中通過，由于流體通過環(huán)隙時被突然收縮，在轉(zhuǎn)子上下兩側(cè)就產(chǎn)生了壓差= p1- p2，它使轉(zhuǎn)子受到一個向上的“沖力”而浮起；當這個力正好等于浸沒在流體中的轉(zhuǎn)子重量時，則作用在轉(zhuǎn)子上的上、下兩個作用力達到平衡，轉(zhuǎn)子就停留在某一高度上。被測流體自下向上從轉(zhuǎn)子和錐形管內(nèi)壁之間的環(huán)隙中通

21、過，由于流體如果流體流量增加，則作用在轉(zhuǎn)子上的“沖力”加大，轉(zhuǎn)子就要向上運動；而隨著轉(zhuǎn)子的上升，轉(zhuǎn)子與錐形管間的環(huán)形流通截面積增大，流速減低，因而“沖力”也就降低；當“沖力”再次等于轉(zhuǎn)子的重量時，轉(zhuǎn)子就停留在一個新的高度上。反之亦然。這樣，根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡位置的高低，就可得知流量的大小。如果流體流量增加，則作用在轉(zhuǎn)子上的“沖力”加大，轉(zhuǎn)子就要向上 由上述分析可見，流量不同，轉(zhuǎn)子的平衡位置就不同，其停留處的環(huán)形流通截面積亦不同。而由于轉(zhuǎn)子的重量是不變的，故其停留時，轉(zhuǎn)子上下的壓差總是相同的，不隨其平衡位置的改變而改變，因此轉(zhuǎn)于流量計是依據(jù)定壓降、變節(jié)流面積來測量流量的(故常稱之為恒壓降式流量計)，而

22、差壓式流量計則是依據(jù)恒節(jié)流面積、變壓降來測量流量的。 Q=K*A A為環(huán)隙流通截面積； K為常數(shù)，與轉(zhuǎn)子的橫截面積、體積、密度以及流體的密度有關。 由上述分析可見，流量不同，轉(zhuǎn)子的平衡位置就不 當改變轉(zhuǎn)子材料密度f時，會引起儀表量程的改變。顯然，增加轉(zhuǎn)子密度f，轉(zhuǎn)子流量計量程擴大，即同一高度的轉(zhuǎn)子平衡位置所對應的檢測介質(zhì)流量增大；反之，量程就縮小。故采用不同材料的轉(zhuǎn)子可以達到改變轉(zhuǎn)子流量計量程的目的。 轉(zhuǎn)子流量計在使用時需要實際標定，因為K與流體的密度有關，因而它受到流體種類和溫度的影響。 轉(zhuǎn)子流量計在使用時應垂直安裝，不允許有傾斜，被測介質(zhì)的流向一定要自下而上。 當改變轉(zhuǎn)子材料密度f時，會引

23、起儀表量程的改變。2.4.3、電磁流量計 電磁流量計是利用電磁感應原理制成的流量測量儀表，凡是導電液體(如酸、堿、鹽溶液)以及含有固體顆?；蚶w維的導電液體(如紙漿、泥漿、糖漿、乳制品等)均可用它來進行計量。2.4.3、電磁流量計 在一段用非導磁材料制成的管道外面，安裝有一對磁極N和S，用以產(chǎn)生磁場，當導電液體流過管道時，因流體在磁場中作垂直方向流動而切割磁力線。根據(jù)法拉第電磁感應定律可知，這時在與磁極垂直方向安裝的兩個電極上將產(chǎn)生感應電勢。 Q= K*E E為感應電勢 K為常數(shù) 感應電勢與流體的體積流量成線性關系，因而只要測得感應電勢值，便可知道流體流量的大小。 在一段用非導磁材料制成的管道外

24、面，安裝有一對 由上述檢測原理可以看到，電磁流量計采用非接觸式測量，即它沒有直接接觸流動介質(zhì)的檢測元件，而是依據(jù)電磁感應原理進行工作。由于電磁流量計這一特殊的結(jié)構原理，使它在流量測量中具有壓力損失小、反應速度快、測量范圍大、輸出信號不受液體的物理條件(溫度、壓力、粘度)變化和流動狀態(tài)的影響等特點，因而它適合于測量含有顆粒懸浮物等液體的流量，也可以用于腐蝕性液體的流量測量。 由檢測原理還可知，使用電磁流量計的先決條件是被測介質(zhì)必須是導電的液體，一般其電導率要求不小于水的電導率，因此它不能測量氣體、蒸汽和石油制品等非導電流體的流量。 由上述檢測原理可以看到，電磁流量計采用非接2.5、pH測量在工業(yè)

25、生產(chǎn)上，若反應液pH值偏低，則通過流加氨水、NaOH、KOH的辦法，使其pH值回升；若pH值偏高，在反應前期，可適當增加糖的補加量來調(diào)整一般沒有其他的控制手段。在pH值控制中，必須嚴格控制好氨水的加入量，絕對不能過量，一旦pH值超過某一上限，則反應液當中的Mg2+濃度會因為Mg(OH)2沉淀的形成而降低，顯著影響細胞的生長。2.5、pH測量在工業(yè)生產(chǎn)上，若反應液pH值偏低，則通過流加2.5.1、pH的定義 pH定義為氫離子（H+）活度的負對數(shù)： pH = -lg CH+ 從pH的定義中可以看出：H+濃度變化10倍，pH才變化一個單位。在稀溶液中，H+濃度和活度是相等的，而在實際溶液中，活度是不

26、可測的。為了克服這個困難，用緩沖溶液來標定pH，從而建立起pH的標準刻度，標準緩沖液是由美國標準局（National Bureau of Standards）來定義、配制的，因此，常稱此緩沖液為NBS緩沖液。 在水中，H+ * OH- =Kw=10-14（mol/L），式中，Kw為水的離子積。當H+ = OH-時，溶液為中性，pH等于7（25）。2.5.1、pH的定義 pH定義為氫離子（H+）活 緩沖液之所以具有緩沖性能，是由于其中所含的弱酸僅能部分解離，并存在以下平衡： HA H+ + A- 處于平衡狀態(tài)的緩沖液一方面有足夠的陰離子A-來占據(jù)系統(tǒng)中的質(zhì)子，另一方面有足夠未解離酸HA來取代任何

27、自由的H+。換句話說：HA是作為H+的給予體，A-是作為H+的接收體。緩沖液最好具有相同數(shù)目的H+給予體和H+接收體（緩沖能力最強）。2.5.2、緩沖液 緩沖液之所以具有緩沖性能，是由于其2.5.3、pH測量系統(tǒng) pH測量是電勢的測量，即測量電位值。測量電極的電勢是相對參考電極的電勢來測量的。原理如圖所示。 兩種金屬導體通過一種或幾種電解質(zhì)溶液彼此相連接形成一個電流回路，用測量裝置將兩個電極連接起來，則可用來測量電勢。這種測量方法不改變測量溶液的化學組成，在電極界面上僅發(fā)生電荷交換，產(chǎn)生電流電勢。 2.5.3、pH測量系統(tǒng) pH測量是電勢的測2.5.3.1、pH測量電極 當一支玻璃電極插入待測

28、量的水溶液中，則在玻璃膜（基礎、核心元件，0.2-0.5mm）上形成一層“凝膠層”，同樣在玻璃膜內(nèi)層也產(chǎn)生這層“凝膠層”，凝膠層內(nèi)的H+濃度是由玻璃膜的性質(zhì)決定的如圖：內(nèi)邊的玻璃膜與具有確定pH的緩沖溶液相接觸（內(nèi)部緩沖液）2.5.3.1、pH測量電極 當一支玻璃電極插入待H+要么從凝膠層擴散出去，要么擴散進凝膠層，這取決于待測溶液的pH值。在堿性溶液中，H+從凝膠層擴散出去，在凝膠層的外邊建立一個負的電荷場；在酸性溶液中，H+擴散進凝膠層，在凝膠層的外邊建立一個正的電荷場。因為玻璃電極內(nèi)部是具有恒定pH的緩沖溶液，因此，玻璃膜內(nèi)表面的電勢在測量期間為常數(shù)。H+要么從凝膠層擴散出去，要么擴散進

29、凝膠層，這取決于待測溶液 為了測得確切的pH值，參考電極必須具有恒定的電勢，與待測溶液無關。每一個參考電極包括一個參考元件，它沉浸在一定的電解質(zhì)溶液中，而且該電解質(zhì)溶液必須與待測溶液相接觸，這種接觸通常是采用一多孔性陶瓷膜來連接實現(xiàn)的。參考元件多使用“銀/氯化銀”，電解質(zhì)溶液多采用“飽和氯化鉀溶液”。電解質(zhì)溶液必須具有很高的離子強度，這樣就具有很低的電阻。 2.5.3.2、參考電極 為了測得確切的pH值，參考電極必須具有恒定的電2.5.3.3、復合電極 因為使用復合電極遠比采用分開的電極測量容易，因此，實際使用中多采用復合電極。 因為溫度對pH的測量有很大的影響，為了補償溫度的影響，則在復合電

30、極中加一塊溫度敏感元件，從而構成測量電極、參考電極和溫度傳感元件三合一的電極。 2.5.3.3、復合電極 因為使用復合電極遠比采用發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件2.5.3.4 pH測量系統(tǒng) 測量鏈路電勢E包括以下幾種電勢，如圖：E1: 膜外側(cè)的電勢，取決于待測溶液的pH值；E2: 不平衡電勢，即當膜兩側(cè)為相同溶液時的電勢差，取決于玻璃膜的厚度和制造方法；E3: 膜內(nèi)側(cè)的電勢，取決于內(nèi)部緩沖溶液的pH值；E1E3E22.5.3.4 pH測量系統(tǒng) 測量鏈路電勢E包括以下幾種電勢E4: 內(nèi)部電極電勢，取決于內(nèi)部緩沖溶液的Cl-活度；E5: 參考電極電勢，取決于參考電解液的Cl-活度；E6: 接合處的擴散

31、電勢。 E1E2E4E3E5E6E4: 內(nèi)部電極電勢，取決于內(nèi)部緩沖溶液的Cl-活度；E1E 為了測量電勢E1，得到待測溶液的pH值，則所有其他電勢都應該在測量過程中為常數(shù)。 從圖中可以看出：E2、E3、E4、E5在測量過程中均保持不變，而E6（接合處電勢）嚴格的講并不能保持不變，實際的做法是使E6盡可能得小并保持不變。具體的做法為采用濃度高而且陰陽離子遷移速率相等的參考電解液，比如飽和KCl或者KNO3溶液。 為了測量電勢E1，得到待測溶液的pH值，則所有其如Na+和Cl-由溶液1通過接合處擴散至溶液2，會產(chǎn)生電量分離，這是由于C1-移動得比Na+快的緣故。電量分離會產(chǎn)生擴散電勢、抑制移動，

32、直到達到動態(tài)平衡，如圖所示：如Na+和Cl-由溶液1通過接合處擴散至溶液2，會產(chǎn)生電量分當陰、陽離子的遷移速率大且相差很小時，擴散電勢最??；而當陰、陽離子的遷移速率相差很大時，擴散電勢就大，不利于實際測量。所以實踐中總是采用陰、陽離子遷移速率大且非常接近的飽和KCl或者KNO3溶液。接合處與電極的響應時間也密切相關。例如：當接合處為多孔的且電解液流動較強時，電極響應時間就會很短，而當接合處臟了之后，電極的響應時間就會延長。 當陰、陽離子的遷移速率大且相差很小時，擴散電勢最??；而當陰、2.5.4、pH測量2.5.4.1 測量原則 pH的精確測量需要考慮下面五個因素：溫度，由于溫度影響pH值，所以

33、只有在同一溫度下的pH測量值才能進行比較；溶液的均一性，溶液必須通過攪拌才能達到其物化性質(zhì)的均一性；測量時間，對于暴露在大氣中的樣品進行測量，尤其當樣品中的鹽含量很低或者具有低緩沖能力時，應加快測量，否則，大氣中的二氧化碳溶解于樣品中，會影響測量值的準確性；測量時，必須使接合處浸沒于待測液中，這樣才能生成完整的測量回路；標定，電極在使用前，需要進行標定。2.5.4、pH測量2.5.4.1 測量原則2.5.4.2 標定（兩點標定法） 根據(jù)待測溶液的pH值，選擇兩種緩沖液，使待測pH值處于兩個緩沖液的pH之間。標定前，必須使電極和緩沖液具有相同的溫度；另外，還必須知道這兩種緩沖液的溫度曲線（即，不

34、同溫度下該緩沖液的pH值） 標定時，先標定零點（定位，即pH為7.0），然后再標定斜率（另外一個緩沖液），之后在標定一遍零點。在要求精度更高的情況下，需要經(jīng)過反復多次定位、斜率的標定。 2.5.4.2 標定（兩點標定法） 根據(jù)待測溶液的p2.5.4.3 溫度補償 實際測量中，要特別注意，只有當電極標定時的溫度與待測溶液的溫度相同時才能得到準確的pH測量值。 溫度補償有手動補償和自動補償兩種。2.5.4.3 溫度補償 實際測量中，要特2.5.4.4 標準測量 通常，pH的測量范圍為212，溫度為1050，鹽的濃度為0.54mol/L，且待測溶液為均一的緩沖水溶液。 2.5.4.4 標準測量2.5

35、.5、特殊應用2.5.5.1 離子稀少介質(zhì)中pH的測量 介質(zhì)中鹽濃度低于0.5mol/L就認為是離子稀少介質(zhì)，如此低的鹽濃度將導致導電性能極差。在離子稀少的溶液中電極接合處的阻力增大，會給參考電解液與待測溶液的接觸帶來問題，可能會引起擴散電勢，而且信號還會受到攪拌作用的影響。對于這種問題，往往通過增大電極結(jié)合部的面積來解決，如應用環(huán)形接觸接合部形式。2.5.5、特殊應用2.5.5.1 離子稀少介質(zhì)中pH的測量2.5.5.2 半水溶性或非水溶性溶液 對于非水溶性溶液只能得到相對pH值，半水溶性溶液往往也屬于稀離子溶液。在這樣的溶液中，電解液與待測溶液的接觸區(qū)域會形成相分離，產(chǎn)生不穩(wěn)定信號，面且可

36、能會在接合處產(chǎn)生沉淀，例如當高濃度的KCl溶液用作參考電解質(zhì)時，就會發(fā)生這種現(xiàn)象。對于這種情況，使用電極需要滿足的一個基本條件就是電解液與待測溶液應具有均一的化學性質(zhì)（無相分離，無沉淀形成），因此可以采用LiCl的乙醇溶液或LiCl的醋酸溶液作為參考電解質(zhì)，而且最好使用環(huán)形接合電極。如果樣品中含水超過5，則可使用pH測量的一般方法得到絕對pH值而不是相對值。 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 當使用AgAgCl參考系統(tǒng)時，參考電解液中往往合有銀離子，如果在接合處銀離子遇到待測溶液中的硫離子，則產(chǎn)生極難溶的硫化銀沉淀，會堵塞接合處并使其變黑，這會造成測量信號

37、滯后、不穩(wěn)定以及降低電極使用壽命。 對于上述問題可使用Argenthal參考系統(tǒng)，利用AgCl自由電極。硫離子污染的接合處可以通過將電極浸入硫脲HCl溶液中得到清洗。此外，內(nèi)裝電橋的電極也能解決該問題。 2.5.5.3 含有硫化物的溶液2.5.5.4 富含蛋白質(zhì)的溶液 在富含蛋白質(zhì)的溶液中，如果蛋白質(zhì)與KCl參考電解液接觸，則蛋白質(zhì)會在接合處形成沉淀。 對于上述問題需要使用特殊的電解質(zhì)(如Friscolyt-B)，其中含有的甘油可以避免上述沉淀現(xiàn)象的發(fā)生。接合處蛋白質(zhì)的污染，則可將電極浸入胃蛋白酶HCl溶液中清洗。 2.5.5.4 富含蛋白質(zhì)的溶液 2.5.5.5 含有氫氟酸的溶液 氫氟酸具有

38、很強的腐蝕性，能夠改變玻璃膜的化學性質(zhì)，即使在很小濃度的情況下也會阻礙凝膠層的形成，這會導致產(chǎn)生不穩(wěn)定的測量信號，縮短電極的使用壽命。氫氟酸的這些作用只有在溶液的pH值小于5時才會產(chǎn)生?？梢允褂锰厥獾膶浞嵊锌垢芰Φ牟Ａ?。當氫氟酸濃度較高時，可以使用銻電極和特殊的參考電極。 2.5.5.5 含有氫氟酸的溶液2.5.5.6 強酸強堿溶液的測量 在室溫情況下，當pH值超過12時，Na+離子濃度過高，成為可測量的信號，這導致了測量誤差。此外，由于離子遷移速率變化，接合處的擴散電勢也會增加。對于這種強堿性的情況，鈉離于造成的誤差可以通過使用特殊的玻璃膜來減小。另一方面，可以利用新鮮的氫氧化鈣(p

39、H12.4)溶液標定，以減少接合處的擴散電勢。 強酸性溶液也會引起接合處的擴散電勢。其解決辦法是，在標定時盡可能接近實際的測量值，例如，當測量pH值為1時，則用0.1mol/L HCl來標定電極。 2.5.5.6 強酸強堿溶液的測量2.5.6、電極維護1）當電極的玻璃膜或者連接部受到污染后，電極應及時清洗，根據(jù)污染的不同類型，可采用不同的清洗方法：2.5.6、電極維護1）當電極的玻璃膜或者連接部受到污染后，2）電極只能淋洗，不可擦洗或機械清洗，因為這種做法會導致靜電荷，同時會增加電極響應時間，或者會劃傷玻璃電極的玻璃膜；3）當參考電極的傳導元件已不再能浸入到參考電解液中時（因為電解液會通過接合

40、處擴散掉），或者當電解液已污染（因為待測溶液會通過接合處擴散進入），需要對電解液進行補充或更新；4）沖液式pH電極必須在正壓下操作，防止待測溶液擴散入電解液，造成電解液污染；5）大部分pH電極不可以干燥保存，也不能保存在蒸餾水中，必須貯存在參考電解液中，否則，會使電極的響應時間延長。 2）電極只能淋洗，不可擦洗或機械清洗，因為這種做法會導致靜電2.6、DO的測量在耗氧型生化反應過程中，氧是作為微生物生長必須的原料，若供氧不足，將會抑制微生物的生長和代謝的進行。若DO偏低，則促使細胞內(nèi)反應向厭氧發(fā)酵方向進行，使細胞的轉(zhuǎn)化率降低不說，此時會大量產(chǎn)生代謝副產(chǎn)物乙酸、乙醇等，嚴重抑制細胞的生長和目標產(chǎn)

41、品的生產(chǎn)。影響溶解氧濃度的主要因素有供給的空氣流量、攪拌漿轉(zhuǎn)速和反應器的壓力。2.6、DO的測量在耗氧型生化反應過程中，氧是作為微生物生長2.6.1、DO濃度的單位 目前有3種表示DO濃度的單位：第一種是氧分壓或張力（Dissolved Oxygen Tension , 簡稱DOT），以大氣壓或mm汞柱表示，100空氣飽和水中的DOT為0.2095760 = 159 （mm Hg柱）。這種表示方法多在醫(yī)療單位中使用。2.6.1、DO濃度的單位 目前有3種表示DO濃度的單位：第二種方法是絕對濃度，以mg O2/L純水或ppm表示。這種方法主要在環(huán)保單位應用較多。用Winkler氏化學法可測出水中

42、溶氧的絕對濃度。第二種方法是絕對濃度，以mg O2/L純水或ppm表示。這種發(fā)酵行業(yè)只用第三種方法，空氣飽和度()來表示。它只能在相似的條件下，在同樣的溫度、罐壓、通氣攪拌下進行比較。這種方法能反映菌的生理代謝變化和對產(chǎn)物合成的影響。因此，在應用時，必需在接種前標定電極。方法是在一定的溫度、罐壓和通氣攪拌下以滅菌后培養(yǎng)基被空氣百分之一百飽和為基準。零氧時為0，則反應過程中的溶解氧含量即為標定時的百分數(shù)。 發(fā)酵行業(yè)只用第三種方法，空氣飽和度()來表示。它只能在相似2.6.2、影響DO的因素供氧方面攪拌轉(zhuǎn)速通氣量罐壓溫度耗氧方面細胞密度比生長速率2.6.2、影響DO的因素供氧方面2.6.3 原理2

43、.6.3 原理 工業(yè)當中測量發(fā)酵液中溶解氧濃度是采用可耐高溫消毒的帶金屬護套的玻璃極譜電極。原理如圖所示。 這是按照Clark原理設計的復膜電極，復合膜是由聚四氟乙烯膜和聚硅氧烷膜復合而成，它既有高的氧分子滲透性，又有貯氧作用。其中包括一個陰極（鉑電極）和一個陽極（銀電極），兩電極之間通過電解質(zhì)相連接。在陽極與陰極之間加一個極化電壓（0.60.8V），在有氧存在的情況下，在電極上將產(chǎn)生選擇性的氧化還原反應： 陰極上的反應： O2 + 2H2O + 4e 4OH- 陽極上的反應： 4Ag + 4Cl- 4AgCl + 4e 工業(yè)當中測量發(fā)酵液中溶解氧濃度是采用可耐高溫消毒 這樣，在兩個電極之間就

44、有電流產(chǎn)生，典型的極化曲線（即在不同的氧濃度下電流與電壓的關系曲線）如下圖。從圖中可以看出：在極化電壓一定時（比如圖中的0.7V），極化電流與溶液中的氧分壓成線性關系：i=Kpo2，i為極化電流；K為常數(shù)；po2為溶液中的氧分壓。根據(jù)此原理就可以求得溶液中的氧濃度。. 這樣，在兩個電極之間就有電流產(chǎn)生，典型的極化2.6.4、電極結(jié)構 2.6.4、電極結(jié)構 作為參比電極的銀管陽極組成一個內(nèi)電極體，這個電極體裝在耐熱不銹鋼電極護套內(nèi)。銀管繞在一玻璃棒上，在玻璃棒內(nèi)部熔有一個直徑為0.25mm的鉑絲陰極。同時在玻璃棒體內(nèi)埋有用來補償電極電流溫度特性的熱敏電阻。充滿電解質(zhì)的氣體滲透膜護套是用來套在內(nèi)電

45、極體端部上，使電解質(zhì)充滿在內(nèi)電極體與膜護套之間。膜護套的底部裝有一由不銹鋼絲加固的氧滲透膜，膜護套是由一種硅樹脂做成，因此，這種護套能適應高溫消毒期間電解質(zhì)液體體積的膨脹。 作為參比電極的銀管陽極組成一個內(nèi)電極體，這個2.6.5、電極標定0%：亞硫酸鹽法滅菌后100%：發(fā)酵起始階段以發(fā)酵條件如轉(zhuǎn)速、通氣量、溫度、罐壓等調(diào)校。2.6.5、電極標定0%：2.6.6、注意事項使用中應注意以下問題：由于溶解氧電極信號阻抗較高(約20M)，溶解氧電極與轉(zhuǎn)換器之間距離最大為50m；溶解氧電極不用時也應處于工作狀態(tài)，可接在溶解氧轉(zhuǎn)換器上。久置或重新再生(更換電解液或膜)的電極，在使用前應置于無氧環(huán)境極化12

46、h；由于溫度變化對電極膜的擴散和氧溶解度有較大影響，標定時需較長時間(約10min)，以使溫補電阻達到平衡； 2.6.6、注意事項使用中應注意以下問題：日常維護：清洗、校驗、再生12 周應清洗一次電極，如果膜片上有污染物，會引起測量誤差。清洗時應小心，注意不要損壞膜片。將電極放入清水中涮洗，如污物不能洗去，用軟布或棉布小心擦洗。23 月應重新校驗一次零點和量程。電極的再生大約1 年左右進行一次。當測量范圍調(diào)整不過來，就需要對溶解氧電極再生。電極再生包括更換內(nèi)部電解液、更換膜片、清洗銀電極。如果觀察銀電極有氧化現(xiàn)象，可用細砂紙拋光。在使用中如發(fā)現(xiàn)電極泄露，就必須更換電解液 。日常維護：清洗、校驗

47、、再生2.7、溶解CO2檢測較高的分壓抑制微生物生長并降低代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)能力；用對CO2分子有特殊選擇滲透特性的微孔膜包裹的pH探頭浸入碳酸氫鹽緩沖液中；平衡后緩沖液pH與被測發(fā)酵液中的CO2分壓保持平衡，成正比，緩沖液的pH可間接表示發(fā)酵液中的CO2分壓。2.7、溶解CO2檢測較高的分壓抑制微生物生長并降低代謝產(chǎn)物2.8、尾氣分析進出氣體中O2濃度測定方法：順磁氧分析儀原理：據(jù)O2的磁化系數(shù)為N2的245倍， CO2的169倍，即空氣中的總磁化系數(shù)決定于O2組分變化。2.8、尾氣分析進出氣體中O2濃度測定進出氣體中CO2濃度測定方法：用紅外線CO2測定儀原理：在近紅外波段， CO2氣體的吸收

48、會造成光強度的衰減。在波長2.62.9*103和4.14.5*103nm，CO2通過時光強減弱，減弱量服從Lambert-Beer定律： A = -lg(I/I0) = a*L*CCO2進出氣體中CO2濃度測定發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件第三章、生物參數(shù)的測量3.1 細胞密度濕重干重光密度濁度第三章、生物參數(shù)的測量3.1 細胞密度3.2 KLa3.2.1 亞硫酸鹽法 將一定溫度的自來水的加入試驗發(fā)酵罐內(nèi)，開始攪拌， 并加入一定量的亞硫酸鈉和少量的硫酸銅（催化劑）。3.2 KLa3.2.1 亞硫酸鹽法3.2.2 穩(wěn)態(tài)法（溶氧電極法、物料衡算法）3.2.2 穩(wěn)態(tài)法（溶氧電極法、物料衡算法）3.2.3

49、 動態(tài)法3.2.3 動態(tài)法3.3、生物傳感器生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件（固定化的生物體成分或生物體本身作為敏感元件）和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合，對特定種類化學物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性響應的分析裝置。生物傳感器的工作原理是待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識別而發(fā)生生物化學作用，產(chǎn)生的信息如電、光、熱、音等被相應的信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥刻幚淼碾娦盘?，再?jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測定其電流值或電壓值，從而換算出被測物質(zhì)的量或濃度。3.3、生物傳感器生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件（固定敏感元件（分子識別元件）和信號轉(zhuǎn)換器件敏感元件（分子識別元件）和信號轉(zhuǎn)換器件根據(jù)傳感器輸出信號

50、的產(chǎn)生方式,可分為生物親合型生物傳感器、代謝型或催化型生物傳感器;根據(jù)生物傳感器中生物分子識別元件上的敏感材料可分為酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細胞及細胞器傳感器。根據(jù)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器可分為電化學生物傳感器、半導體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器等根據(jù)傳感器輸出信號的產(chǎn)生方式,可分為生物親合型生物傳感器、代生物親合型傳感器 被測物質(zhì)與分子識別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時引起敏感材料的分子結(jié)構和/或固定介質(zhì)發(fā)生變化。例如：電荷、溫度、光學性質(zhì)等的變化。反應式可表示為： S（底物）+ R（受體）

51、= SR生物親合型傳感器代謝型傳感器 底物（被測物）與分子識別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?，這類傳感器稱為代謝型傳感器，其反應形式可表示為 S（底物）R（受體）= SR P（生成物）代謝型傳感器發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件上面介紹的各種名稱都是類別的名稱，每一類又都包含許多種具體的生物傳感器例如，僅酶電極一類，根據(jù)所用酶的不同就有幾十種，如葡萄糖電極、尿素電極、尿酸電極、膽固醇電極、乳酸電極、丙酮酸電極等等就是葡萄糖電極也并非只有一種，有用pH電極或碘離子電極作為轉(zhuǎn)換器的電位型葡萄糖電極，有用氧電極或過氧化氫電極作為轉(zhuǎn)換器的電流型葡萄糖電極等

52、實際上還可再細分。上面介紹的各種名稱都是類別的名稱，每一類又都包含許多種具體的（一）酶傳感器酶電極電化學電極頂端緊貼一層酶膜以葡萄糖傳感器為例：（一）酶傳感器酶電極電化學電極頂端緊貼一層酶膜發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件（二）免疫傳感器基本原理 采用抗原與抗體的特異反應將待測物與酶連接，然后通過酶與底物產(chǎn)生顏色反應，用于定量測定。在這種測定方法中有3種必要的試劑： 固相的抗原或抗體（免疫吸附劑） 酶標記的抗原或抗體（標記物） 酶作用的底物（顯色劑）（二）免疫傳感器基本原理酶聯(lián)免疫吸附測定法測量時，抗原（抗體）先結(jié)合在固相載體上，但仍保留其免疫活性，然后加一種抗體（抗原）與酶結(jié)合成的偶聯(lián)物（標記物）

53、，此偶聯(lián)物仍保留其原免疫活性與酶活性，當偶聯(lián)物與固相載體上的抗原（抗體）反應結(jié)合后，再加上酶的相應底物，即起催化水解或氧化還原反應而呈顏色。其所生成的顏色深淺與欲測的抗原（抗體）含量成正比。酶聯(lián)免疫吸附測定法（三）細胞傳感器 以動植物細胞作為生物敏感膜的電化學傳感器稱為細胞電極，此系酶電極的衍生型電極。動植物細胞中的酶是反應的催化劑。 與酶電極比較，細胞電極具有如下優(yōu)點： 1.酶活性較離析酶高。 2.酶的穩(wěn)定性增大。 3.材料易于獲得。（三）細胞傳感器 以動植物細胞作為生物敏感膜的電化學細胞傳感器可用于診斷早期癌癥，用人類臍靜脈內(nèi)皮細胞通過三乙酸纖維素膜固定在離子選擇性電極上作為傳感器，腫瘤細

54、胞中VEGF刺激細胞使電極電位發(fā)生變化從而測得VEGF濃度來診斷癌癥。細胞傳感器可用于診斷早期癌癥，用人類臍靜脈內(nèi)皮細胞通過三乙酸（四）微生物傳感器微生物傳感器分為兩類：一類是利用微生物在同化底物時消耗氧的呼吸作用；另一類是利用不同的微生物含有不同的酶。好氧微生物在繁殖時需消耗大量的氧,可以氧濃度的變化來觀察微生物與底物的反應情況。（四）微生物傳感器微生物傳感器分為兩類：裝置是：由適合的微生物電極與氧電極組成。原理是：利用微生物的同化作用耗氧,通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量,從而達到測量底物濃度的目的.裝置是：由適合的微生物電極與氧電極組成。3.4、發(fā)酵液成分分析高效液相色普（H

55、PLC）選擇適當?shù)膶游鲋⒉僮鳒囟?、溶劑系統(tǒng)等，樣品要要經(jīng)過亞微米級過濾與自動取樣系統(tǒng)連接3.4、發(fā)酵液成分分析發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件第三章、反饋控制器（一）前饋控制 被控對象反應慢，測量反應快的干擾量的變化來對控制對象進行控制。 如溫度（控制對象 ），冷卻水的壓力（二）反饋控制 傳感器檢測被控輸出量，反饋到控制系統(tǒng)，控制器根據(jù)與預定值的比較，得出偏差，進而控制動作。第三章、反饋控制器（一）前饋控制3.1 開關式控制 開關式控制器也叫兩位式控制器，這種控制方式當被控變量與設定值之間有偏差存在時控制器的輸出是“要么開、要么關”，操作變量不是處于最大就是處于最小。 u(t)： 控制器的輸出（代

56、表操作變量的大?。?；e(t)： 被控系統(tǒng)的偏差。 （考試，大于60分就及格，低于60分就不及格）。 3.1 開關式控制 開關式控制器也叫兩位式控制 舉一個簡單的例子：下圖為一個采用開關式控制的液位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的檢測裝置為“浮球式繼電器”，當液位升高時，浮球上升，將開關打開，電磁閥線圈斷電，閥門關閉，貯槽不進水，這樣液位就逐漸下降，浮球也逐漸下降；當液位下降到一定程度時，開關關閉，電磁閥線圈通電，閥門打開，貯槽進水，這樣液位就逐漸上升。 舉一個簡單的例子：下圖為一個采用開關式控制的由于該控制器的執(zhí)行器（如例子中的電磁閥）總是從一個固定位置到另一個固定位置（如例子中的非開即關），系統(tǒng)永遠不可能

57、達到動態(tài)平衡，所以被控變量總是在設定值附近波動。開關式控制簡單易行，但過渡過程式持續(xù)震蕩的，因而適用于對象“時間常數(shù)較大、負荷變化不大、變化也不很劇烈、要求不太嚴格” 的場合。 由于該控制器的執(zhí)行器（如例子中的電磁閥）總是從一個固定位置到3.2 PID控制器 在反饋控制過程中，有三種基礎的控制模式分別是：比例（P，proportion ）、積分（I，integral ）、微分（D，differential），將三者有機的結(jié)合起來就構成一個有效的PID控制系統(tǒng)。 如圖6.3.3和6.3.4，為一個流量控制系統(tǒng)，其中過程流量通過“流量測量變送器（FT）”送到“流量控制器（FC）”，控制器將測量值與

58、設定值相比較的出偏差，再對偏差進行合適的計算，送出一校正信號到調(diào)節(jié)閥上，進而使過程流量達到所希望的設定值。3.2 PID控制器發(fā)酵過程參數(shù)檢測與控制課件3.2.1 比例控制（P） 比例控制是反饋控制器的一種基本控制作用，它能克服開關式是控制的缺點，是過渡過程達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。3.2.1 比例控制（P） 舉一個簡單的例子：下圖為一個簡單的采用比例控制的液位控制系統(tǒng)。如果系統(tǒng)受到干擾，使液位偏高，則通過浮球與杠桿的作用，使閥桿下降，將閥門關小，進水量就相應的減?。环粗?，如果液位偏低，則通過浮球與杠桿的作用，使閥桿上升，將閥門開大，進水量就相應的增加，使液位控制在一定的水平。由于閥門的開度變化是通過

59、杠桿調(diào)節(jié)，并與液位的變化成比例，所以這種控制規(guī)律就稱作比例作用。（馬桶的沖水器具有類似的原理） 舉一個簡單的例子：下圖為一個簡單的采用比 對于比例控制作用，控制器的輸出是與偏差信號e(t)成比例關系的，即：u(t)=u0+Kc e(t)u(t)：控制器的輸出；u0：控制器的零位輸出值；e(t)：偏差信號；Kc：比例控制器增益。對于比例控制器，其輸出零位值u0是可以調(diào)整的，當偏差等于零時控制器的輸出為u0，也就是說u0要調(diào)到使系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時的值上。例如圖6.3.5液面系統(tǒng)，閥門3的初始開度要調(diào)到h(t)在設定值時使流量輸入qi與輸出qo相等的位置上。 控制器的增益Kc是可調(diào)整的，使控制器的輸出變

60、化對偏差信號有足夠的靈敏度。當控制器安裝好后，控制器增益Kc是要根據(jù)過程的特性和對控制的要求進行調(diào)整的。（比如，輸出qo的波動非常劇烈，就要使Kc大一些，系統(tǒng)的反應就靈敏一些） 對于比例控制作用，控制器的輸出是與偏差信號 有些控制器，符別是老型號的控制器，控制器的增益是用比例度（PB）來表示的，比例度嚴格的定義為： PB=（1/Kc）*100% 采用比例控制器構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于比例作用能夠較快地克服干擾對被控變量的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定（相對于開關式控制的優(yōu)點），但過渡過程終了后還有余差存在（缺點）。這是由于對象的物料或能量平衡關系（如液位的高低）因負荷或給定值變化而遭到破壞后，經(jīng)過控制器，只