生物反应器控制系统系列：Thermo Scientific HyBrun_（5）.生物反应器过程控制原理.docx

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生物反应器过程控制原理

1.生物反应器的基本概念

生物反应器是用于生物过程中的设备，通过控制和优化各种物理、化学和生物参数，促进生物反应的进行。这些参数包括温度、pH值、溶解氧（DO）、搅拌速度、营养物质供给等。生物反应器广泛应用于制药、食品、环境工程等领域，是生物技术工业的核心装备之一。

1.1生物反应器的类型

生物反应器根据不同的分类标准可以分为多种类型：

按操作方式分类：

分批式反应器：整个过程在一个批次内完成，反应物一次性加入，反应结束后一次性取出。

连续式反应器：反应物连续加入，产物连续流出，反应过程不间断。

半连续式反应器：介于分批式和连续式之间，反应物分多次加入，产物一次性或分多次取出。

按结构分类：

搅拌罐反应器：通过机械搅拌来混合反应物和产物，适用于液态或悬浮液态反应。

气升式反应器：通过气体的上升来实现混合，适用于气体和液体的反应。

固定床反应器：反应物通过固定的催化剂床层，适用于固体催化剂参与的反应。

流化床反应器：通过气体或液体的流动来实现催化剂的流化，适用于固体催化剂参与的反应。

1.2生物反应器的控制参数

在生物反应过程中，控制参数的准确性和稳定性对反应结果至关重要。主要的控制参数包括：

温度：温度直接影响生物反应的速率和产物的性质。通常通过加热或冷却系统来控制。

pH值：pH值影响微生物的生长和代谢，通常通过酸碱调节系统来控制。

溶解氧（DO）：溶解氧是好氧生物反应的重要参数，通常通过曝气系统和搅拌来控制。

搅拌速度：搅拌速度影响反应物的混合和传质，通常通过电动机和转速控制器来控制。

营养物质供给：营养物质的浓度和供给速率直接影响微生物的生长和代谢，通常通过泵和流量控制器来控制。

2.控制系统的组成

生物反应器控制系统由多个部分组成，包括传感器、执行器、控制器和人机界面（HMI）。这些部分协同工作，确保生物反应过程的稳定和高效运行。

2.1传感器

传感器用于监测生物反应器中的各种参数。常见的传感器包括：

温度传感器：如热电偶、RTD（电阻温度检测器）等。

pH传感器：如玻璃电极、复合电极等。

溶解氧传感器：如荧光溶解氧传感器、电化学溶解氧传感器等。

压力传感器：用于监测反应器内的压力。

流量传感器：用于监测营养物质的供给速率。

2.2执行器

执行器用于调整生物反应器中的各种参数。常见的执行器包括：

加热器：如电加热器、蒸汽加热器等。

冷却器：如冷却水系统、制冷剂系统等。

酸碱调节阀：用于调节pH值。

曝气系统：如空气压缩机、氧气发生器等。

搅拌电机：用于调节搅拌速度。

泵：用于调节营养物质的供给速率。

2.3控制器

控制器是生物反应器控制系统的核心部分，负责根据传感器的反馈调整执行器的工作状态。常见的控制器包括：

PID控制器：通过比例、积分和微分控制算法来调整参数。

PLC（可编程逻辑控制器）：通过编程实现复杂的逻辑控制。

DCS（分布式控制系统）：通过网络连接多个控制器，实现分布式控制。

2.4人机界面（HMI）

人机界面（HMI）用于操作人员与控制系统进行交互，监测和调整参数。常见的HMI包括触摸屏、计算机界面等。HMI通常具备以下功能：

实时数据显示：显示当前的温度、pH值、溶解氧等参数。

历史数据记录：记录参数的历史变化，方便分析和调整。

报警系统：当参数超出设定范围时，发出报警。

操作界面：提供操作按钮和输入框，方便操作人员调整参数。

3.温度控制

温度是生物反应过程中的关键参数之一，直接影响生物反应的速率和产物的性质。温度控制通常通过加热和冷却系统来实现，确保反应器内的温度保持在设定范围内。

3.1温度控制的原理

温度控制的基本原理是通过PID控制器来调节加热器和冷却器的工作状态。PID控制器通过以下三个部分来调整温度：

比例控制（P）：根据当前温度与设定温度的偏差，调整加热或冷却的强度。

积分控制（I）：根据偏差的累积，调整加热或冷却的强度，减少稳态误差。

微分控制（D）：根据偏差的变化率，调整加热或冷却的强度，提高响应速度。

3.2温度控制的实现

3.2.1PID控制算法

PID控制算法是一种常见的控制算法，通过以下公式计算控制信号：

#PID控制算法

defpid_control(current_temp,setpoint,last_error,integral_error,Kp,Ki,Kd,dt):

计算PID控制信号

:paramcurrent_temp:当前温度

:paramsetpoint:设定温度

:paramlast_error:上一次的误差

:paramintegral_error:累积误差