发酵过程参数检测与控制.ppt

生化过程参数检测与控制 马晓轩  Reference 生化过程自动化技术. 王树青 编著. 1999, 05. 化学工业出版社. 生物化学实验. 韩跃武 编著. 2006, 08. 兰州大学出版社. 发酵过程解析、控制与检测技术. 史仲平, 潘丰 编著. 2005, 04. 化学工业出版社. 参数检测与自动控制. 李登超 编著. 2004, 02. 冶金工业出版社 第一章、总论 生化过程是指： 通过对微生物或细胞生长的外部条件如温度、pH、DO等物理化学条件的检测与控制，达到对细胞的遗传组成和代谢途径等内部控制，从而使其尽可能多的生产目标产物； 然后采用各生化分离的方法对目标产物进行分离，并以适当的检测手段进行分析，使产品的含量、纯度、活性等达到人们所需。 以微生物发酵为例： 微生物发酵过程是极其复杂的生化反应过程。对于生化反应的操作，以前是凭着人们的实践经验来进行的。由于缺乏生化反应过程参数的测量、监视和控制系统，使得产品成本高，操作费用大； 为此，要对生化反应过程实行优化操作与控制，首先要解决生化过程有关参数的在线测量问题； 然后再根据检测结果对生化过程进行反馈控制或神经网络、人工智能等优化操作。 1.1、参 数 （一）：物理参数 反应器温度(T) 反应压力(P) 空气流量(FA) 体积(V) （二）：化学参数 pH值 溶解氧浓度(DO，dissolved oxygen) 出口氧气和二氧化碳分压或浓度（尾气分析） （三）：生物参数 菌体干重(或菌体浓度X，光密度OD，optical density) 菌体比生长速率(μ) 氧利用速率(OUR) ，摄氧率 氧比消耗速率(ro2) ，呼吸强度 二氧化碳释放速率(CER) 二氧化碳比释放速率 呼吸商(RQ) ，= CER/ OUR 糖比消耗速率(rc) 氮比消耗速率(rN) 产品比形成速率(rP) （四）：产品相关参数 蛋白质浓度 蛋白质纯度 杂质含量 1.2、参数测量的分类 1、就地（在位）测量，in-place、in-situ 指测量系统中的传感器直接与培养体系接触，给出连续和快速响应的信号，测量信号系统对过程没有发生影响，例如T、pH、溶解氧浓度和罐压测量。 2、在线测量，on-line 指利用连续的取样系统与有关的分析仪器连接，取得测量信号响应速度快，可用于实时操作和生产过程控制。例如从尾气取样并测量的尾气分析仪 。 3、离线测量，off-line 指在一定时间内离散取样，在反应器外进行样品处理和分析的测量，包括常规的化学分析和其他仪器分析仪系统。 1.3、传感器所应具备的特性 可靠性 灵敏性 精度 可更换性 易清洗 耐高温消毒 材质无毒 与设备连接的密封性 第二章、过程工程参数的测量 2.1、压力测量 生化反应器操作压力的变化，将会引起氧在反应液中的分压改变，也就是说影响着溶解氧浓度的变化； 同时，压力对溶解二氧化碳浓度的影响更大，而高的溶解二氧化碳浓度可能会对细胞产生毒性，抑制细胞的生长和目标产物的表达。  压力测量原理 1）压力与流体的重量相平衡，由对应的液体量求得压力，如U形管压力计； 2）压力与固体的重量相平衡，由对应的固体量求得压力，多用于标定压力计； 3）压力与电磁力相平衡，并将其变换成力或电流，多用于工业压力变送器； 4）压力与弹性体的变形相平衡，并转换成弹性体的位移，由弹性体的位移求得压力。 弹性压力传感器是在“虎克定律”成立的范围内，把压力变换成与之成比例的变形量的一种方式。 2.1.1、波登（Bourdon）管式压力传感器 把具有扁平断面的管子弯成圆形，将一端固定，从这一端接入被测压力，另一端为自由端，并把端部密封起来； 如果在管内加上内压时，管子的截面就变成近似于扁圆形状，其结果使自由端向外延展成如图中虚线所示的形状。 采用蜗线波登管或者螺旋波登管后，相当于弹簧管中心角γ的初始值增大了，输出的Δγ也就相应增大了，这样就可以不用齿轮放大机构而直接使指针转动，因而消除了间隙与滞后，提高了精度。 2.1.2、波纹管式压力传感器 在很薄的金属圆筒上做出很深的褶性波纹，轴向可以伸缩而径向不发生变化，如果圆筒内外产生压力差时，便成为轴向伸缩元件，故将其称为波纹管。 如果在波纹管内放入压缩弹簧，则可以控制其响应性能。 x=K*△p X: 波纹管轴向位移（以指针指示）； K: 常数，与波纹管的材质、厚度、内外 径、波纹数有关； △ p：波纹管内外压差 2.1.