《生物工程生物技术专业英语翻译七.docVIP

第七章 仪器化 7.1介绍 本章主要介绍发酵过程中检测和控制的仪表。显然这些仪表并不时专门用于生物发酵领域的，它们在生物工程或相关的领域中也有广泛的应用。在实际中，大多数应用与生物工程的分析仪表并不是由生物工程发展的产物，至今，生物学家常用的仪表是在化学工业中应用的而发掌出来的。但是，这些精确的仪表并不是为更加复杂的生物反应专门设计的，在计算机控制出现以后，这表现的更加明显。 计算机自动化的发展主要基于各种探测器的发展，它们可以将有意义的信号转化成控制动作。现在适合于提供发酵过程详细参数的适当仪器已经有了很大的改进，这可以提高产量和产率。遗憾的是，在商业化中实现这些自动控制还很困难，但是改变这种情况只是时间的问题。本章只讨论现有的仪表和设备，它们目前都有各自的局限性。 计算机控制是目前发酵工程中的惯用语，不久之后，发酵过程也许真的可以和计算机匹配。但是在这一进步过程中，我们开始考虑一句谚语，“工具抑制创造性思维”。计算机控制需要在线仪表，我们在章中会有涉及。 7.2 术语 如果我们所有对生物工程过程的理解需要仪表，我们真正熟悉我们所用的仪表就非常重要，否则我们就会对这些仪表的适用性和特性产生错误的判断。下面对一些常用的性质加以介绍。 反应时间通常是描述90％输入信号转换成输出信号所需要的时间。作为经验法则，用于生物系统的仪表的反应时间要小于倍增时间的10％。因此，在典型的发酵工程中，如果倍增时间是3h，超过18min反应时间的仪表将无法完成在线控制。很多仪表有更小的反应时间，它们通常被用于一些其它样品的操作，它们的测定和控制动作的之后时间更长。 灵敏度是衡量仪表输出结果变化和输入信号变化之间的关系。通常，考虑到高灵敏度的仪表可以测量微小的输入变化，灵敏度越高的仪表越好。然而，仪表的其它参数，如线性，精确性，和测定范围也是选择仪表的考虑因素。 输入与输出的线性关系是二者最简单的关系，校正过程也最为容易。 分辨率是可以测定的输入信号的最小值，通常以仪表读数最大偏转角的百分数来表示。 残留误差是指输出结果与输入保持恒定时的真实结果的偏离值。 重现性永远不要被忽视，只要有可能，就要对仪表进行校正，尤其是那些测定氧气和二氧化碳测定的仪表。 7.3 过程控制 在过程控制中，有三种可能实现的目标： （1）保持变量随时间不变 （2）使变量随时间按规定的趋势变化 （3）优化系统变量的一些函数 第一个目标可以通过调整实现，第二个目标可以通过伺服机构第三个目标可以通过最佳控制实现。在过程控制系统中，有四种变量： 受控变量 干扰变量 控制变量 参比变量 受控变量是输出变量，即我们希望控制的变量。控制变量是输入变量，即我们正在控制的变量。干扰变量是输入变量干扰受控变量通过其它非控制变量，参比变量是理想的受控变量的值。 7.4 通气量检测 在通气发酵中空气通过发酵罐以提供氧气，同时还要将二氧化碳出去，否则会影响菌种的代谢活动。在塔和空气上升的生物反应器中，空气也可以作为搅拌动力。通常，空气流率在0.5～1.5vvm之间。过高的空气流率应该避免，因为这会表面气体速度过快。 空气流速一般通过改变流量计控制区域手动控制。如果压力改变，要采用控制阀使流速保持不变。转速剂浮子的位置可以由附近的感测器探知，但是如果需要过程控制的信号，热质流量计根为普遍应用。表7.5说明其结构，有两个探头阅读气体通过一根加热管后，流入气体和流出气体的温度差来计算气体的流量。 7.6 温度测定 大多数的微生物只有在很小的范围内保持最佳的生物活性。热能很容易传送进入细胞，因此，温度控制是一个非常重要的过程参数。并且，温度影响一些和温度无关一些仪表的性质，因此，这些仪表能够通过手动，最好是自动完成温度补偿回路是非常重要的。 7.6.1 电阻电热计 改种电热计基于的原理是金属的电阻随温度的升高而增加。它们用一定长度的金属线制成，通常为减少尺寸将金属线制成线圈状。当电流通过线圈时，电压改变，电压的改变又是和温度相关的。热度计本身的反应时间在1s数量级，但是通常，将它们放入保护套中，这将增加它们的反应时间为5s～10s。 7.6.2 热敏电阻 热敏电阻是由半导体制成的，半导体的导电率随温度的增加而增加。当与热源接触良好时，它们的反应时间在1s数量级。将它们放入保护套中也会增加它们的反应时间。 热敏电阻非常敏感，但是输出结果并非完全现行。对温度的微小变化就会产生很大的变化，热敏电阻适应于有限的温度范围，在这个温度范围内，热敏电阻对温度的反应是呈线性变化的。热敏电阻的价格也是相对比较昂贵的。 7.7流变学测定 粘滞性，流体流动所受到的阻力，可以用来表征液体流变学的特性，这是一个非常重要却有容易被忽略的过程参数。生物反应器的性质受到发酵液流变性质的影响，因此，能够快速准确地测定液体流变学性质的仪表非常