发酵工程第8章.ppt

第8章 发酵过程的参数检测和自动控制
对发酵过程实现有效的控制的目的是高效地利用微生物所具有的内在生产能力，以较低的能耗和物耗最大限度地生产生物产品。
发酵过程是通过各种参数的检测，对生产过程进行定性和定量地描述，以期达到对发酵过程进行第8章 发酵过程的参数检测和自动控制
对发酵过程实现有效的控制的目的是高效地利用微生物所具有的内在生产能力，以较低的能耗和物耗最大限度地生产生物产品。
发酵过程是通过各种参数的检测，对生产过程进行定性和定量地描述，以期达到对发酵过程进行有效控制的目的。

根据参数的性质特点，发酵参数可以分为三类：
物理参数，化学参数，间接参数。见表8-1。
发酵过程的参数按测量形式又可以分为：就地信号系统、在线测量系统、离线测量。
就地信号系统对发酵过程不发生影响的检测系统。
在线测量是利用连续的取样系统与相关的分析器联接，取得测量信号。
离线测量是指在一定的时间内离散取样，采用常规的化学分析和自动的分析系统，在发酵罐外进行样品的处理和分析测量。



1）感温元件：
液体温度计
热电偶
热电阻
2）二次仪表
信号放大、显示和记录：
模拟值
数字值
物理参数检测

测量方法：
恒温法；
绝热量热法；
热流量热
流通式量热计
动态量热法
补偿法连续测量法
物理参数检测

在微生物深层培养中，通入无菌空气起到供应氧气、提高KLa值以及排出废气的重要作用。通气量的大小直接影响发酵液中氧的传递。根据作用原理，测量空气流量的流量计分成两大类：体积流量型和质量流量型。
1）体积流量型
这是一类根据流体动能的转换以及流体流动类型的改变而设计的测量装置。
(1)同心孔板压差式流量计
(2)转子流量计
2 ）质量流量型
这是根据流体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应性、离子化、热传导性能等设计的流量计。
物理参数检测
5. 罐压测量
发酵过程中维持一定的正压，是防止杂菌污染的重要措施。
压力信号转换器很多，如电阻式、电感式、电容式和半导体式等。
物理参数检测

压差法
称重器法
流量计法
液位探针
物理参数检测

毛细管黏度计
回转式黏度计
涡轮旋转黏度计
物理参数检测
1 pH的测量
pH是微生物重要的生长环境条件。在发酵过程中，微生物的代谢活动会明显改变发酵液的pH。
1）复合pH电极（探头）
2 ）pH测量仪器（处理和显示）
化学参数检测
2溶解氧的测量
溶解氧浓度直接影响微生物的代谢，它的大小与氧的传递速率、微生物的摄氧率等有关。所以也是一个重要的参数。
1）复膜氧电极
2 ）测量和显示
化学参数检测
3溶解二氧化碳测量
发酵液中二氧化碳的浓度，指示的是菌体的呼吸商，呼吸商实际上反映出微生物的代谢强度。
1）复膜氧电极
2 ）测量和显示
化学参数检测
4 气态二氧化碳浓度测量
用以测定尾气二氧化碳含量的方法和检测仪器：
热导式气相色谱法（GC）；
二氧化碳电极法；
红外线二氧化碳测定仪（IR）；
质谱仪。
较为常用的是IR法和电极法。
化学参数检测
5气相氧浓度测定
（1）磁氧分析仪
（2）极谱氧电极法
（3）质谱分析仪
6 菌浓度的测量
微生物在生命活动中总是伴随着增殖和增长。有关菌量的测量方法很多。
离线取样分析：
称重法；
细胞蛋白质测定法；
核酸测定法；
平板计数法。
在线连续菌量测量方法：
浊度法；
荧光测量法；
电容测定法；
排气分析法等。
化学参数检测
间接参数可以分成质量传递速率、成分比率、质量传递系数、热传递系数和能量平衡等几方面。
间接参数可以反映微生物细胞的生理特性或对象的工程特性。
间接参数检测
发酵过程采用的基本自控系统主要有前馈控制、后馈控制和自适应控制。
1前馈控制
如果被控对象动态反应慢，并且干扰频繁，则可通过对一种动态反应快的变量（干扰量）的测量来预测被控对象的变化，在被控对象尚未发生变化时，提前实施控制。这种控制方法叫做前馈控制。
2反馈控制
被控过程的输出量x(t)被传感器检测，以检测量y(t)反馈到控制系统，控制器使之与预定的值r(t)（设定点）进行比较，得出偏差值e，然后采用某种控制算法根据偏差e 确定控制动作u(t)。根据算法的不同，可分为开关控制、PID控制、串级反馈控制、前馈／反馈控制。

3自适应控制
对于复杂和不确定的发酵过程的控制，