第8章發(fā)酵過程的參數(shù)檢測和自動控制對發(fā)酵過程實現(xiàn)有效的控制的目的是高效地利用微生物所具有的內(nèi)在生產(chǎn)能力，以較低的能耗和物耗最大限度地生產(chǎn)生物產(chǎn)品。發(fā)酵過程是通過各種參數(shù)的檢測，對生產(chǎn)過程進(jìn)行定性和定量地描述，以期達(dá)到對發(fā)酵過程進(jìn)行有效控制的目的。第8章發(fā)酵過程的參數(shù)檢測和自動控制對發(fā)酵過程實現(xiàn)有效的控18.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)特點，發(fā)酵參數(shù)可以分為三類：物理參數(shù)，化學(xué)參數(shù)，間接參數(shù)。見表8-1。發(fā)酵過程的參數(shù)按測量形式又可以分為：就地信號系統(tǒng)、在線測量系統(tǒng)、離線測量。就地信號系統(tǒng)對發(fā)酵過程不發(fā)生影響的檢測系統(tǒng)。在線測量是利用連續(xù)的取樣系統(tǒng)與相關(guān)的分析器聯(lián)接，取得測量信號。離線測量是指在一定的時間內(nèi)離散取樣，采用常規(guī)的化學(xué)分析和自動的分析系統(tǒng)，在發(fā)酵罐外進(jìn)行樣品的處理和分析測量。8.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)特點，發(fā)酵參數(shù)可以分為28.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測8.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測38.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測8.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測41.溫度測量1）感溫元件：液體溫度計熱電偶熱電阻2）二次儀表信號放大、顯示和記錄：模擬值數(shù)字值8.1.1物理參數(shù)檢測1.溫度測量8.1.1物理參數(shù)檢測52.熱量測量測量方法：恒溫法；絕熱量熱法；熱流量熱流通式量熱計動態(tài)量熱法補(bǔ)償法連續(xù)測量法8.1.1物理參數(shù)檢測2.熱量測量8.1.1物理參數(shù)檢測63.攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量1)攪拌轉(zhuǎn)速攪拌轉(zhuǎn)速的檢測一般應(yīng)用磁感應(yīng)式、光感應(yīng)式或測速發(fā)電機(jī)來實現(xiàn)。磁感應(yīng)式和光感應(yīng)式檢測器是通過計測脈沖數(shù)來測量轉(zhuǎn)速。安裝在攪拌軸或電動機(jī)軸上的切片切割磁場或光速而產(chǎn)生脈沖電信號，一定時間間隔內(nèi)的脈沖頻率反應(yīng)了攪拌轉(zhuǎn)速的大小。測速發(fā)電機(jī)是安裝在攪拌軸或電動機(jī)軸上的小型發(fā)電機(jī)，它的輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有良好的線形對應(yīng)關(guān)系。大型發(fā)酵罐可以采用變頻控制器來調(diào)節(jié)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可以采用直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。小型機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐的攪拌轉(zhuǎn)速都是可調(diào)的。8.1.1物理參數(shù)檢測3.攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量8.1.1物理參數(shù)檢測73.攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量2)軸攪拌功率軸攪拌功率是主要的測量參數(shù)，在設(shè)備和操作條件固定的情況下，攪拌功率隨著發(fā)酵過程中發(fā)酵液性質(zhì)的不同而發(fā)生變化。因此有時也作為發(fā)酵工藝正常與否的判斷依據(jù)。攪拌功率與氧的傳遞系數(shù)，與KLa值有正相關(guān)關(guān)系。常用功率表來測量電動機(jī)進(jìn)線功率，但由于減速機(jī)構(gòu)的能量消耗、機(jī)械磨損等原因，容易造成較大的誤差。還有幾種比較精確的測定方法，如電機(jī)反轉(zhuǎn)矩測定法、軸功率和應(yīng)片法，多數(shù)是測定力矩來求得功率。8.1.1物理參數(shù)檢測3.攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量8.1.1物理參數(shù)檢測84.空氣流量測定在微生物深層培養(yǎng)中，通入無菌空氣起到供應(yīng)氧氣、提高KLa值以及排出廢氣的重要作用。通氣量的大小直接影響發(fā)酵液中氧的傳遞。根據(jù)作用原理，測量空氣流量的流量計分成兩大類：體積流量型和質(zhì)量流量型。1）體積流量型這是一類根據(jù)流體動能的轉(zhuǎn)換以及流體流動類型的改變而設(shè)計的測量裝置。(1)同心孔板壓差式流量計(2)轉(zhuǎn)子流量計2）質(zhì)量流量型這是根據(jù)流體的固有性質(zhì)，如質(zhì)量、導(dǎo)電性、電磁感應(yīng)性、離子化、熱傳導(dǎo)性能等設(shè)計的流量計。8.1.1物理參數(shù)檢測4.空氣流量測定8.1.1物理參數(shù)檢測95.罐壓測量發(fā)酵過程中維持一定的正壓，是防止雜菌污染的重要措施。壓力信號轉(zhuǎn)換器很多，如電阻式、電感式、電容式和半導(dǎo)體式等。8.1.1物理參數(shù)檢測5.罐壓測量8.1.1物理參數(shù)檢測106.料液計量測量壓差法稱重器法流量計法液位探針8.1.1物理參數(shù)檢測6.料液計量測量8.1.1物理參數(shù)檢測117.發(fā)酵液黏度測定毛細(xì)管黏度計回轉(zhuǎn)式黏度計渦輪旋轉(zhuǎn)黏度計8.1.1物理參數(shù)檢測7.發(fā)酵液黏度測定8.1.1物理參數(shù)檢測121pH的測量pH是微生物重要的生長環(huán)境條件。在發(fā)酵過程中，微生物的代謝活動會明顯改變發(fā)酵液的pH。1）復(fù)合pH電極（探頭）2）pH測量儀器（處理和顯示）8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測1pH的測量8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測132溶解氧的測量溶解氧濃度直接影響微生物的代謝，它的大小與氧的傳遞速率、微生物的攝氧率等有關(guān)。所以也是一個重要的參數(shù)。1）復(fù)膜氧電極2）測量和顯示8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測2溶解氧的測量8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測143溶解二氧化碳測量發(fā)酵液中二氧化碳的濃度，指示的是菌體的呼吸商，呼吸商實際上反映出微生物的代謝強(qiáng)度。1）復(fù)膜氧電極2）測量和顯示8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測3溶解二氧化碳測量8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測154氣態(tài)二氧化碳濃度測量用以測定尾氣二氧化碳含量的方法和檢測儀器：熱導(dǎo)式氣相色譜法（GC）；二氧化碳電極法；紅外線二氧化碳測定儀（IR）；質(zhì)譜儀。較為常用的是IR法和電極法。8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測4氣態(tài)二氧化碳濃度測量8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測165氣相氧濃度測定（1）磁氧分析儀（2）極譜氧電極法（3）質(zhì)譜分析儀5氣相氧濃度測定（1）磁氧分析儀176菌濃度的測量微生物在生命活動中總是伴隨著增殖和增長。有關(guān)菌量的測量方法很多。離線取樣分析：稱重法；細(xì)胞蛋白質(zhì)測定法；核酸測定法；平板計數(shù)法。在線連續(xù)菌量測量方法：濁度法；熒光測量法；電容測定法；排氣分析法等。8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測6菌濃度的測量8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測18間接參數(shù)可以分成質(zhì)量傳遞速率、成分比率、質(zhì)量傳遞系數(shù)、熱傳遞系數(shù)和能量平衡等幾方面。間接參數(shù)可以反映微生物細(xì)胞的生理特性或?qū)ο蟮墓こ烫匦浴?.1.3間接參數(shù)檢測間接參數(shù)可以分成質(zhì)量傳遞速率、成分比率、質(zhì)量傳遞系數(shù)、熱傳遞19發(fā)酵過程采用的基本自控系統(tǒng)主要有前饋控制、后饋控制和自適應(yīng)控制。1前饋控制如果被控對象動態(tài)反應(yīng)慢，并且干擾頻繁，則可通過對一種動態(tài)反應(yīng)快的變量（干擾量）的測量來預(yù)測被控對象的變化，在被控對象尚未發(fā)生變化時，提前實施控制。這種控制方法叫做前饋控制。2反饋控制被控過程的輸出量x(t)被傳感器檢測，以檢測量y(t)反饋到控制系統(tǒng)，控制器使之與預(yù)定的值r(t)（設(shè)定點）進(jìn)行比較，得出偏差值e，然后采用某種控制算法根據(jù)偏差e確定控制動作u(t)。根據(jù)算法的不同，可分為開關(guān)控制、PID控制、串級反饋控制、前饋／反饋控制。8.2.1基本的自動控制系統(tǒng)發(fā)酵過程采用的基本自控系統(tǒng)主要有前饋控制、后饋控制和自適應(yīng)控20發(fā)酵過程的參數(shù)檢測課件213自適應(yīng)控制對于復(fù)雜和不確定的發(fā)酵過程的控制，須要提取有關(guān)的輸入、輸出信息，對模型和參數(shù)不斷進(jìn)行辨識，使模型逐漸完善，同時自動修改控制器的控制動作，使之適應(yīng)于實際過程。這樣的控制系統(tǒng)稱為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。8.2.1基本的自動控制系統(tǒng)3自適應(yīng)控制8.2.1基本的自動控制系統(tǒng)22發(fā)酵自控系統(tǒng)組成：傳感器；變送器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；轉(zhuǎn)換器；過程接口；監(jiān)控計算機(jī)。8.2.2發(fā)酵自控系統(tǒng)的硬件組成發(fā)酵自控系統(tǒng)組成：8.2.2發(fā)酵自控系統(tǒng)的硬件組成23除了直接用于發(fā)酵過程檢測的傳感器外，一些根據(jù)直接測量數(shù)據(jù)對不可測變量進(jìn)行估計的變量估計器，也稱為傳感器。傳感器獲取的信息需要特殊的電路將其轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)輸出信號，才能被控制器所接受。這種電路裝置稱做變送器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是直接實施控制動作的元件。當(dāng)涉及到計算機(jī)時，控制器輸入信號必須轉(zhuǎn)化成數(shù)字當(dāng)量，而與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接的模擬輸出信號必須有數(shù)字當(dāng)量產(chǎn)生。所以對于計算機(jī)控制系統(tǒng)，必須使用A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。除了直接用于發(fā)酵過程檢測的傳感器外，一些根據(jù)直接測量數(shù)據(jù)對不24第8章發(fā)酵過程的參數(shù)檢測和自動控制對發(fā)酵過程實現(xiàn)有效的控制的目的是高效地利用微生物所具有的內(nèi)在生產(chǎn)能力，以較低的能耗和物耗最大限度地生產(chǎn)生物產(chǎn)品。發(fā)酵過程是通過各種參數(shù)的檢測，對生產(chǎn)過程進(jìn)行定性和定量地描述，以期達(dá)到對發(fā)酵過程進(jìn)行有效控制的目的。第8章發(fā)酵過程的參數(shù)檢測和自動控制對發(fā)酵過程實現(xiàn)有效的控258.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)特點，發(fā)酵參數(shù)可以分為三類：物理參數(shù)，化學(xué)參數(shù)，間接參數(shù)。見表8-1。發(fā)酵過程的參數(shù)按測量形式又可以分為：就地信號系統(tǒng)、在線測量系統(tǒng)、離線測量。就地信號系統(tǒng)對發(fā)酵過程不發(fā)生影響的檢測系統(tǒng)。在線測量是利用連續(xù)的取樣系統(tǒng)與相關(guān)的分析器聯(lián)接，取得測量信號。離線測量是指在一定的時間內(nèi)離散取樣，采用常規(guī)的化學(xué)分析和自動的分析系統(tǒng)，在發(fā)酵罐外進(jìn)行樣品的處理和分析測量。8.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)特點，發(fā)酵參數(shù)可以分為268.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測8.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測278.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測8.1發(fā)酵過程的參數(shù)檢測281.溫度測量1）感溫元件：液體溫度計熱電偶熱電阻2）二次儀表信號放大、顯示和記錄：模擬值數(shù)字值8.1.1物理參數(shù)檢測1.溫度測量8.1.1物理參數(shù)檢測292.熱量測量測量方法：恒溫法；絕熱量熱法；熱流量熱流通式量熱計動態(tài)量熱法補(bǔ)償法連續(xù)測量法8.1.1物理參數(shù)檢測2.熱量測量8.1.1物理參數(shù)檢測303.攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量1)攪拌轉(zhuǎn)速攪拌轉(zhuǎn)速的檢測一般應(yīng)用磁感應(yīng)式、光感應(yīng)式或測速發(fā)電機(jī)來實現(xiàn)。磁感應(yīng)式和光感應(yīng)式檢測器是通過計測脈沖數(shù)來測量轉(zhuǎn)速。安裝在攪拌軸或電動機(jī)軸上的切片切割磁場或光速而產(chǎn)生脈沖電信號，一定時間間隔內(nèi)的脈沖頻率反應(yīng)了攪拌轉(zhuǎn)速的大小。測速發(fā)電機(jī)是安裝在攪拌軸或電動機(jī)軸上的小型發(fā)電機(jī)，它的輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有良好的線形對應(yīng)關(guān)系。大型發(fā)酵罐可以采用變頻控制器來調(diào)節(jié)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可以采用直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。小型機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐的攪拌轉(zhuǎn)速都是可調(diào)的。8.1.1物理參數(shù)檢測3.攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量8.1.1物理參數(shù)檢測313.攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量2)軸攪拌功率軸攪拌功率是主要的測量參數(shù)，在設(shè)備和操作條件固定的情況下，攪拌功率隨著發(fā)酵過程中發(fā)酵液性質(zhì)的不同而發(fā)生變化。因此有時也作為發(fā)酵工藝正常與否的判斷依據(jù)。攪拌功率與氧的傳遞系數(shù)，與KLa值有正相關(guān)關(guān)系。常用功率表來測量電動機(jī)進(jìn)線功率，但由于減速機(jī)構(gòu)的能量消耗、機(jī)械磨損等原因，容易造成較大的誤差。還有幾種比較精確的測定方法，如電機(jī)反轉(zhuǎn)矩測定法、軸功率和應(yīng)片法，多數(shù)是測定力矩來求得功率。8.1.1物理參數(shù)檢測3.攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量8.1.1物理參數(shù)檢測324.空氣流量測定在微生物深層培養(yǎng)中，通入無菌空氣起到供應(yīng)氧氣、提高KLa值以及排出廢氣的重要作用。通氣量的大小直接影響發(fā)酵液中氧的傳遞。根據(jù)作用原理，測量空氣流量的流量計分成兩大類：體積流量型和質(zhì)量流量型。1）體積流量型這是一類根據(jù)流體動能的轉(zhuǎn)換以及流體流動類型的改變而設(shè)計的測量裝置。(1)同心孔板壓差式流量計(2)轉(zhuǎn)子流量計2）質(zhì)量流量型這是根據(jù)流體的固有性質(zhì)，如質(zhì)量、導(dǎo)電性、電磁感應(yīng)性、離子化、熱傳導(dǎo)性能等設(shè)計的流量計。8.1.1物理參數(shù)檢測4.空氣流量測定8.1.1物理參數(shù)檢測335.罐壓測量發(fā)酵過程中維持一定的正壓，是防止雜菌污染的重要措施。壓力信號轉(zhuǎn)換器很多，如電阻式、電感式、電容式和半導(dǎo)體式等。8.1.1物理參數(shù)檢測5.罐壓測量8.1.1物理參數(shù)檢測346.料液計量測量壓差法稱重器法流量計法液位探針8.1.1物理參數(shù)檢測6.料液計量測量8.1.1物理參數(shù)檢測357.發(fā)酵液黏度測定毛細(xì)管黏度計回轉(zhuǎn)式黏度計渦輪旋轉(zhuǎn)黏度計8.1.1物理參數(shù)檢測7.發(fā)酵液黏度測定8.1.1物理參數(shù)檢測361pH的測量pH是微生物重要的生長環(huán)境條件。在發(fā)酵過程中，微生物的代謝活動會明顯改變發(fā)酵液的pH。1）復(fù)合pH電極（探頭）2）pH測量儀器（處理和顯示）8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測1pH的測量8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測372溶解氧的測量溶解氧濃度直接影響微生物的代謝，它的大小與氧的傳遞速率、微生物的攝氧率等有關(guān)。所以也是一個重要的參數(shù)。1）復(fù)膜氧電極2）測量和顯示8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測2溶解氧的測量8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測383溶解二氧化碳測量發(fā)酵液中二氧化碳的濃度，指示的是菌體的呼吸商，呼吸商實際上反映出微生物的代謝強(qiáng)度。1）復(fù)膜氧電極2）測量和顯示8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測3溶解二氧化碳測量8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測394氣態(tài)二氧化碳濃度測量用以測定尾氣二氧化碳含量的方法和檢測儀器：熱導(dǎo)式氣相色譜法（GC）；二氧化碳電極法；紅外線二氧化碳測定儀（IR）；質(zhì)譜儀。較為常用的是IR法和電極法。8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測4氣態(tài)二氧化碳濃度測量8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測405氣相氧濃度測定（1）磁氧分析儀（2）極譜氧電極法（3）質(zhì)譜分析儀5氣相氧濃度測定（1）磁氧分析儀416菌濃度的測量微生物在生命活動中總是伴隨著增殖和增長。有關(guān)菌量的測量方法很多。離線取樣分析：稱重法；細(xì)胞蛋白質(zhì)測定法；核酸測定法；平板計數(shù)法。在線連續(xù)菌量測量方法：濁度法；熒光測量法；電容測定法；排氣分析法等。8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測6菌濃度的測量8.1.2化學(xué)參數(shù)檢測42間接參數(shù)可以分成質(zhì)量傳遞速率、成分比率、質(zhì)量傳遞系數(shù)、熱傳遞系數(shù)和能量平衡等幾方面。間接參數(shù)可以反映微生物細(xì)胞的生理特性或?qū)ο蟮墓こ烫匦浴?.1.3間接參數(shù)檢測間接參數(shù)可以分成質(zhì)量傳遞速率、成分比率、質(zhì)量傳遞系數(shù)、熱傳遞43發(fā)酵過程采用的基本自控系統(tǒng)主要有前饋控制、后饋控制和自適應(yīng)控制。1前饋控制如果被控對象動態(tài)反應(yīng)慢，并且干擾頻繁，則可通過對一種動態(tài)反應(yīng)快的變量（干擾量）的測量來預(yù)測被控對象的變化，在被控對象尚未發(fā)生變化時，提前實施控制。這種控制方法叫做前饋控制。2反饋控制被控過程的輸出量x