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第十章 发酵过程检测与自控 发酵过程的基本任务是要对菌株所具有的内在生产能力实现高效表达，从而以较低的能量和物料消耗生产更多的发酵产品。发酵动力学为这种表达提供了部分理论依据，但要在实际发酵过程中实现，还必须解决一些工程学方面的问题，即环境因素等的检测与自控问题。 检测和自控技术在发酵工业中的应用相当晚，但这种应用一经确立，就形成了迅速发展的势头，并且在某种程度上超过了其他产业。电子计算机的使用，为这一发展注入了巨大的活力，使发酵工业面临一场新的变革。然而，由于发酵过程的反应异常复杂，描述这一反应的数学模型尚欠完善，以及在线检测过程关键变量传感器的缺乏，使自控技术在发酵工业中的应用目前仍受到很大的局限，需要各学科的专家共同作出进一步的努力。 第一节 发酵过程检测 一、概述 发酵过程检测是为了取得所给定发酵过程及其菌株的生理生化特征数据，以便对过程实施有效的控制。 检测的具体目的： ① 了解过程变量的变化是否与预期的目标值相符； ② 决定种子罐移种和发酵罐放罐的时间； ③ 对不可测变量进行间接估计； ④ 对过程变量按给定值进行手动控制或自动控制； ⑤ 通过过程模型实施计算机控制； ⑥ 收集认识和发展过程（包括建立数学模型）所必需的数据。 检测的方法： 物理测量：如温度、压力、体积、流量等； 物理化学测量：pH、DO、溶CO2、氧化还原电位、气相成分等； 化学测量：基质、前体、产物等的浓度； 生物学和生物化学测量：生物量、细胞形态、酶活性、胞内成分等。 这些测量可提供反映环境变化和细胞代谢生理变化的许多重要信息，作为研究和控制发酵过程的基础。 二、发酵传感器 为了适应自控的需要，发酵过程变量变化的信息，应尽可能通过安装在发酵罐内的传感器检知，然后由变送器把非电信号转换为标准电信号。让仪表显示、记录，或传送给电子计算机处理。 （一）发酵过程对传感器的要求 （l）可靠性：这是传感器最重要的特性，它包括物理强度、出现故障的频率及故障发生的方式。 故障发生的方式有急剧故障及慢性或断续故障两种。前者包括传感器破损、线路断开等，后者如传感器中电解液的消耗、膜上培养基或细胞的附着等。一般来说，前者比后者容易发现，造成的损失可能小些。 提高传感器的可靠性可通过GEP（good engineering practice）来达到。GEP首先要求有一个好的设计，其次要有适当的规格，同时要按生产厂的要求安装和维护。 （2）准确性：是测量值与已知值或实际值之差的量度，或称之为误差。一般以一段时间内（一批或一天）测量指示值的平均值与已知值之差或测量指示值与已知值之间的标准差表示。为了提高测量的准确性，传感器必须定期（每天或每批）进行校准。 发酵过程中的在线传感器有时很难校准。例如pH传感器应有特殊的装置保证在不造成污染的情况下从发酵罐取出，校准后再装上。而从发酵罐取样用实验室pH计校准时往往由于样品减压后溶CO2的逸出而造成 pH偏差。 （3）精确度：测量精确度是重复测量的概率，它受测量方法、所用仪器、操作人员、实验室条件等因素的影响，一般以实际值不发生变化的某一段时间内测量指示值的标准差来表示。 （4）响应时间：在测量位点，有指示值与真值之同的时间滞后，它由反应滞后与传递滞后所造成。例如，用盘管法测量溶氧，先有氧通过管壁扩散的一级滞后，接着是气体由盘管到测量仪器的传输滞后，然后又有仪器本身对气流中氧含量变化反应的滞后。响应时间一般以达到真值90%或95％所需的时间表示。对于一级反应的简单情况，它被认为是一种时间常数。 （5）分辨能力：又称识别能力，是指测量中所能分辨的最小变化值。对于模拟量，它主要是一个刻度的观察问题；对于数字量，是有意义的最小数字的单位变化。 （6）灵敏度：对灵敏度有各种各样的描述方式，一般指的是传感器所能反应的最小测量单位。 （7）测量范围：是传感器所能感受的最大值与最小值之差。但在实际应用中一般只取测量范围的一部分，称为设计跨度。如电阻温度计测量范围是-200～＋850℃，但一般在发酵工业中的设计跨度为0—150℃或0—50℃。 （8）特异性：是传感器只与被测变量反应而不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力。影响特异性的因素除传感器本身的非特异性外，还有对传感器信号的干扰如电躁声等。 提高特异性的措施可以有： 控制环境条件（如温度）的稳定； 满足GEP的要求（如安装和维护）； 对干扰因素进行定量，以便从总测量信号中扣除。 （9）可维修性：指的是传感器发生故障或失效后进行修理和校准的可能性及难易程度。 （10）发酵过程对传感器的特殊要求： 传感器与发酵液直接接触，一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌，这对大部分物理和物理化学传感器来说都没有问题，但有的（如pH和