生物反应器控制系统系列：Thermo Scientific HyBrun_（7）.HyBrun控制系统的pH调节.docx

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pH调节

pH调节的基本概念

pH调节是生物反应器控制中的一个关键环节。pH值对于细胞生长、代谢和产品质量有着重要影响。在生物反应过程中，pH值的变化会影响酶的活性、细胞膜的通透性以及营养物质的吸收。因此，精确控制pH值是确保生物反应过程顺利进行的重要条件。

在ThermoScientificHyBrun控制系统中，pH调节是通过在线监测pH值并自动调整酸碱添加量来实现的。系统使用pH传感器实时监测反应器内的pH值，并通过控制算法计算出需要添加的酸或碱的量，以维持设定的目标pH值。

pH传感器

pH传感器的类型

ThermoScientificHyBrun控制系统支持多种pH传感器，包括玻璃电极、复合电极和光纤pH传感器。这些传感器可以精确地测量反应器内的pH值，并将数据传输到控制系统。

pH传感器的安装与校准

安装位置：pH传感器应安装在反应器内流体混合均匀的位置，以确保测量的pH值具有代表性。

校准步骤：

软件校准：在HyBrun控制系统中，可以通过软件进行pH传感器的校准。

标准溶液：使用标准缓冲溶液（如pH4.01、7.00和10.01）进行校准。

校准方法：

将pH传感器浸入标准缓冲溶液中。

在HyBrun控制界面中选择“校准”选项。

输入标准缓冲溶液的pH值。

点击“开始校准”。

等待系统自动完成校准过程。

重复上述步骤，使用其他标准缓冲溶液进行多点校准。

pH调节算法

比例积分微分（PID）控制

PID控制是pH调节中最常用的控制算法。PID控制器通过比例（P）、积分（I）和微分（D）三个参数来调整控制输出，以实现精确的pH值控制。

比例控制（P）

比例控制是根据当前pH值与设定值的差值（误差）来调整控制输出。比例增益（Kp）决定了输出变化的幅度。

#比例控制示例

defproportional_control(error,Kp):

计算比例控制输出

:paramerror:当前pH值与设定值的误差

:paramKp:比例增益

:return:控制输出

returnKp*error

#示例数据

current_pH=7.2

setpoint_pH=7.0

Kp=0.5

#计算误差

error=setpoint_pH-current_pH

#计算控制输出

control_output=proportional_control(error,Kp)

print(f比例控制输出:{control_output})

积分控制（I）

积分控制是根据误差的累积来调整控制输出。积分时间（Ti）决定了积分项的权重。

#积分控制示例

defintegral_control(error,Ti,dt,integral_error=0):

计算积分控制输出

:paramerror:当前pH值与设定值的误差

:paramTi:积分时间

:paramdt:时间间隔

:paramintegral_error:上一次的积分误差

:return:控制输出,新的积分误差

integral_error+=error*dt

return(1/Ti)*integral_error,integral_error

#示例数据

current_pH=7.2

setpoint_pH=7.0

Ti=100#积分时间

dt=1#时间间隔

integral_error=0

#计算误差

error=setpoint_pH-current_pH

#计算控制输出

control_output,integral_error=integral_control(error,Ti,dt,integral_error)

print(f积分控制输出:{control_output})

微分控制（D）

微分控制是根据误差的变化率来调整控制输出。微分时间（Td）决定了微分项的权重。

#微分控制示例

defderivative_control(error,Td,dt,previous_error=0):

计算微分控制输出

:paramerror:当前pH值与设定值的误差

:paramTd:微分时间

:paramdt:时间间隔

:paramprevi