第九章 過程參數(shù)檢測與控制

第九章過程參數(shù)檢測與控制第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

9.1發(fā)酵過程參數(shù)

檢測的目的：1）了解過程變量的變化是否與預(yù)期的目標(biāo)值相符；2）決定移種及放罐、補(bǔ)料的時間；3）對不可測變量進(jìn)行間接估計；4）對過程變量進(jìn)行手動及自動控制；5）收集建設(shè)數(shù)學(xué)模型所必需的數(shù)據(jù)，通過過程模型實施計算機(jī)控制；第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)可將生物反應(yīng)過程參數(shù)分為：物理參數(shù)化學(xué)參數(shù)生物學(xué)參數(shù)第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五生物反應(yīng)參數(shù)一覽表

參數(shù)種類參數(shù)名稱

參數(shù)單位

參數(shù)意義及主要作用

物理參數(shù)

溫度

K，℃

維持菌體正常的生長、生產(chǎn)狀態(tài)

壓力

Pa

維持發(fā)酵罐正壓，增加溶氧、防止染菌

氣體流量

m3/h

反映供氧能力及排氣大小液體流量

m3/h

反映前體、碳源、氮源、消沫劑流加速率，體現(xiàn)菌體消耗基質(zhì)、前體、好氧等情況攪拌轉(zhuǎn)速

m3/h

物料混合，提高傳質(zhì)效率粘度

Pa·s

反映菌體生長變化及對KLa影響發(fā)酵罐裝液量

L，m3

反映發(fā)酵液裝載量及其體積變化濁度

(透光率)%

反映菌體的生長情況發(fā)酵液密度

g/cm3,Kg/m3

反映發(fā)酵液性質(zhì)泡沫液位

反映菌體代謝情況

第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

9.2發(fā)酵過程參數(shù)檢測

傳感器：

能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律，將其轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，它通常由敏感元件、轉(zhuǎn)化元件及相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和線路組成。第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五對傳感器的要求

可靠性靈敏度準(zhǔn)確性測量范圍精確度特異性響應(yīng)時間可維修性分辨能力特殊要求第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵用傳感器的分類按測量方式分離線傳感器：不安裝在發(fā)酵罐內(nèi)，人工取樣在線傳感器：自動測定，流動注射分析系統(tǒng)（FIA）,（HPLC）或質(zhì)譜儀等原位傳感器：直接與發(fā)酵液接觸，給出連續(xù)的響應(yīng)信號，如溫度、壓力、pH、溶氧等第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五生物反應(yīng)過程參數(shù)檢測分類

離線測量

在線檢測---直接狀態(tài)參數(shù)/間接狀態(tài)參數(shù)

可粗略地把檢測儀器分成在線檢測和離線檢測兩大類第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五（1）溫度測量：通?？梢圆捎盟y溫度計、熱電阻監(jiān)測。普遍使用的熱電阻有鉑電阻和銅電阻。鉑電阻精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，但價格貴；銅電阻價低、超過100℃時易被氧化。1直接狀態(tài)參數(shù)檢測pt-100溫度傳感器探頭(發(fā)酵罐自動恒溫控制)第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五（2）粘度測定毛細(xì)管粘度計旋轉(zhuǎn)式粘度計振動式粘度計KV-100在線毛細(xì)管粘度計法國Sofraser振動式在線粘度計

第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五（3）pH測定參比電極：輸出電位恒定；指示電極：輸出電位隨被測體系中氫離子濃度變化。原理pH第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五甘汞電極（a）232型（b）217型1－導(dǎo)線；2－加液口；3-KCl溶液；4－素?zé)尚荆?－鉑絲；6－Hg；7－Hg2Cl2一般的參比電極是甘汞電極。電極的外殼是玻璃管，里面套一根小玻璃管，其頂部伸出電極引線，引線的下端浸沒在汞中，汞的下端有糊狀甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有離子才能通過，而汞和甘汞不會漏失，小管和大管之間充滿KCl溶液，末端用多孔陶瓷滲入到溶液中，實現(xiàn)電極引線與溶液間的電導(dǎo)通。參比電極第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五甘汞電極（半電池）可表示為Hg(L)Hg2Cl2(S)Cl-(L)電極電位產(chǎn)生于汞和甘汞的界面，其電極反應(yīng)為：2Cl-+2HgHg2Cl2+2e-εCl/HgCl,Hg=ε+ln1/α第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五指示電極內(nèi)參比溶液：一定濃度的HCl溶液；內(nèi)參比電極：一般用銀/氯化銀電極E[α]=E0-ln1/=E0-2.303pH第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五復(fù)合電極第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五pH電極的使用滅菌校準(zhǔn)電解液流失玻璃膜污染第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五（4）溶氧的測定---溶氧電極

原電池型：銀陰極，鉛陽極銀陰極被還原：O2+2H2O+4e→4OH-鉛陽極被氧化：2Pb+2KOH+4OH--4e→2KHPbO2+2H2O極譜型：銀陽極、鉑絲陰極、氯化鉀電解液，外加電源陰極還原:O2+2H2O+4e-4OH-陽極氧化:4Ag+4Cl-4AgCl+4e-總反應(yīng):O2+2H2O+4Ag+4Cl-4OH-+4AgCl第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五極譜型溶氧電極的構(gòu)造第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五溶氧電極的使用滅菌校準(zhǔn)更換電解液和膜第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

溶解CO2濃度的檢測原理是利用對CO2分子有特殊選擇滲透性的微孔膜，并使擴(kuò)散通過的CO2進(jìn)入碳酸氫鈉緩沖液中，平衡后顯示的pH與溶解的CO2濃度成正比，由此可測出溶解CO2濃度。CO2電極結(jié)構(gòu)（5）溶CO2的測定第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五（6）光密度傳感器

第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五（7）泡沫檢測傳感器

液面或泡沫上升與電極探針接觸產(chǎn)生電信號。第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五（8）熒光檢測傳感器細(xì)胞內(nèi)呼吸鏈上的NADH在336nm處可激發(fā)出能在460nm處檢出的特征性熒光，熒光測量活細(xì)胞裝置圖第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五(9)流速（流量）測定培養(yǎng)基和其他酸堿等液體流量測定多用流量計，如液體質(zhì)量流量計、電磁流量計、漩渦流量計、橢圓流量計、壓差流量計等。蠕動泵第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五氣體流量計分為體積流量型(根據(jù)流動氣體動能的轉(zhuǎn)換而檢測其流量)和質(zhì)量流量型(利用液體的固有性質(zhì)，如質(zhì)量、導(dǎo)電性、電磁感應(yīng)及導(dǎo)熱等特性而設(shè)計的)轉(zhuǎn)子流量計

第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五液位檢測的主要方法有壓差法、電容法、電導(dǎo)法、浮力法和聲波法等。電容式液位計的測定原理(10)發(fā)酵液液位檢測第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五(11)離子選擇性電極離子選擇性電極可用于離線檢測發(fā)酵液中特定的無機(jī)離子，如NH4+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42-和NO3-等。第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五(12)生物傳感器生物材料：酶、微生物、抗體、生物體組織或器官等轉(zhuǎn)換元件：電位計、安培計、量熱計、光度計等信號、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

酶傳感器（enzymesensor）

微生物傳感器（microbialsensor）

細(xì)胞傳感器（organallsensor）

組織傳感器（tissuesensor）

免疫傳感器（immunolsensor）根據(jù)生物傳感器中分子識別元件可分為：第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五e.g.脲酶電極：把脲酶固定在NH3氣敏電極或CO2氣敏電極的表面，在脲酶的催化下，尿素可以發(fā)生如下的分解反應(yīng)：CO(NH2)2+H2O2NH3+CO2通過NH3或CO2氣敏電極測定NH3或CO2的分壓即可達(dá)到間接測定尿素的目的。第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五(13)尾氣分析①尾氣氧分壓的檢測：主要有磁氧分析、極譜電位法和質(zhì)譜法啞鈴形順磁氧分析儀原理第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五圖7-8非色散紅外氣體分析儀A—光源SA—分析光束SB—參比光束R—旋轉(zhuǎn)遮光片CACBCC—分析室CR—參比室TA—分析檢測室TR—參比檢測室Z—調(diào)零遮光片B—平衡遮光片F(xiàn)—平衡遮光片操縱支撐點M—伺服電極A1A2—放大器P—記錄筆②尾氣CO2的檢測：第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五③尾氣中其他氣體的分析：質(zhì)譜儀第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五(14)發(fā)酵液成分分析高效液相色譜（HPLC）流動注射分析系統(tǒng)（FIA）與自動取樣系統(tǒng)連接第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五2間接狀態(tài)參數(shù)檢測間接狀態(tài)參數(shù)即可通過直接狀態(tài)參數(shù)計算求得的變量。如氧利用速率(OUR)、二氧化碳釋放速率(CER)、比生產(chǎn)速率(μ)、體積氧傳質(zhì)速率(KLa)、呼吸商(RQ)等?？赏ㄟ^對直接反映菌體生理狀態(tài)的間接狀態(tài)參數(shù)實施過程控制，比單純控制環(huán)境變量在提高發(fā)酵產(chǎn)率方面常常能起到更加重要的作用。與傳質(zhì)相關(guān)的參數(shù)估計

與基質(zhì)消耗有關(guān)的參數(shù)估計

與呼吸代謝有關(guān)的參數(shù)估計

與細(xì)胞生長相關(guān)參數(shù)的估計

第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五與基質(zhì)消耗有關(guān)的參數(shù)估計

以連續(xù)發(fā)酵為例，由基質(zhì)平衡可得基質(zhì)消耗速率的計算公式：

基質(zhì)消耗總量可由基質(zhì)消耗速率對時間積分進(jìn)行估計，即：第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五二氧化碳釋放速率（CER）氧利用速率（OUR）呼吸熵（RQ）與呼吸代謝有關(guān)的參數(shù)估計第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

溶氧濃度與傳質(zhì)相關(guān)的參數(shù)估計第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

液相體積氧傳遞系數(shù)

當(dāng)發(fā)酵液中溶氧濃度保持穩(wěn)定時，即發(fā)酵過程中的氧供給量與氧消耗量達(dá)到平衡時，與傳質(zhì)相關(guān)的參數(shù)估計第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

生物量

—般以間接方法進(jìn)行估計，方法主要有由氧消耗率估計和由CO2釋放率估計兩種。

與細(xì)胞生長相關(guān)的參數(shù)估計第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五比生長速率和比生產(chǎn)速率X(t)P(t)第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五9.3發(fā)酵過程的自動控制自動控制定義自動控制要素自動控制優(yōu)勢第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五9.3.1基本自動控制系統(tǒng)

組成：被控過程、檢測元件和變送器、控制器、執(zhí)行器1、基本的自動控制系統(tǒng)①前饋控制②反饋控制③自適應(yīng)控制第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五9.3.1.1前饋控制前饋控制——被控對象尚未發(fā)生變化時提前實施控制。被控對象反應(yīng)慢，測量反應(yīng)快的干擾量的變化來對控制對象進(jìn)行控制如：通過冷卻水壓力（控制閥）控制溫度變化。第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五9.3.1.2反饋控制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(yù)定值的比較，得出偏差，進(jìn)而控制動作第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五1.開關(guān)控制第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五①P=ke

②③2.PID控制第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3.串級反饋控制由兩個以上控制器對一種變量進(jìn)行聯(lián)合控制的方法