生化过程的检测与控制(西农).doc

因为上传问题，特别添加了三个无关的图片，不然没法让其他人阅读自己下完后删除即可多打些无感的字，减小与另一个的相似率一、绪论1、基本概念生化过程：即(发酵过程)，利用微生物细胞或酶转化基本原料合成目的产物的过程。状态变量：可显示过程状态及其特征的参数，一般指反应生物浓度、生物活性及反应速率的参数。测量变量：指那些可以测量的状态变量。操作变量： 所谓的环境因子或操作条件，而改变这些环境因子和操作条件，可以造成生化过程状态变量的改变。构造模型：包含胞内代谢网络在内，细致到考虑细胞内构成成分变化的数学模型。非构造模型：介于构造模型和状态模型之间, 把生物过程的理论定理与经验公式结合起来，生化过程控制和优化中使用最广泛的模型。状态模型：完全基于生物过程状态变量和操作变量时间序列数据的模型。2、简答题1、简述生化过程的控制特点。答：(1)不需太高的控制精度，除温度、pH感受强的菌株发酵过程外，控制指标不需精确也不可能100%地控制在某一水平；(2)生物过程的各状态变量之间存在一定的连带关系，难以检测的生物量在一定程度上可通过易检测的物理化学量间接检测，因此相当部分的生化过程控制是一种间接的优化和控制；(3)相当数量的工业规模或实验室规模的生物过程，没有合适的定量数学模型可循，控制和优化操作必须依靠操作人员的经验和知识。2、 实现发酵过程的优化与控制，必须解决的5个问题答：(1)系统动力学；(2)生物模型；(3)传感器技术；(4)适用于生物过程的最优化技术；(5)计算机检测系统发酵罐之间的接口技术(如神经网络、专家系统)3、 生化过程控制理论存在的难点。答：(1)无论是前馈还是反馈控制，都必须建立在在线监测的各种参数上，但适用于生化反应过程的传感器的研究大大落后于生物工业的发展。(2)各种微生物具有独特的生理特性、生产各种代谢产物又有各自的代谢途径，应用于生化反应过程的控制理论不具有普适性。(3)控制理论自身的局限，至今不能模拟生化反应过程的高度非线性的多容量特性。(4)在具体的控制模型构建时，缺乏以细胞代谢流为核心的过程分析，采用以动力学为基础的最佳工艺控制点为依据的静态操作方法实质上是化学工程动力学概念在发酵工程上的延伸。(5)目前发酵动力学模型主要通过经验法、半经验法或简化法得到，一般为非结构动力学模型，如Monod、Moser、Tessier、Contois等模型方程。二、生化过程参数中物理参数检测技术1、基本概念准确度：测量值与被测量真值的接近程度。精密度：在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致(符合)程度。灵敏度：仪表的指示位移变化量S与被测参数变化量m之比。它是选择传感器的基本技术指标。线性度：测量仪表在全量程范围内实际校准值与理论对应值的吻合程度。无源传感器：按能量控制(或调制)原理设计而成的传感装置。有源传感器：按能量变换原理设计而成的传感装置。2、 分类温度测量元件：膨胀式、压力试、热电偶、热电阻、辐射式、红外线。压力计：液柱式压力计（流体的重量相平衡）,活塞式压力计（固体的重量相平衡）,弹性式压力计（弹性体的变形应力相平衡）,电气式压力计（将压力直接或间接地转换成与压力有一定关系的各种电量）;弹性式压力传感器：波登管式压力传感器、波纹管式压力传感器、薄膜式压力传感器电气式压力变换器（压力探头）：电阻应变式压力变换器、电感式压力变换器、电容式压力变换器、霍尔式压力变换器电气压力计前置放大器（将传感器信号转换为标准通讯信号）电阻和电容传感器一般采用电桥放大，以电压方式输出；电感式传感器一般采用振荡电路放大，以频率方式输出；电压传感器一般采用直流放大器，以电压或电流方式输出。液位的测量：直读式液位计、压差式液位计、电容式液位计、电极式液位计速度式流量计：差压式流量计、转子流量计、超声波流量计、电磁流量计容积式流量计：齿轮流量计、活塞流量计质量流量计：直接型质量流量计（通过直接检测与质量流量成比例的参数实现质量流量的测定）间接型质量流量计（通过体积流量级和质量流量计的组合来实现）3、测定原理1.电阻应变式压力计:(1)金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应;(2)电线的电阻为 R=rL/S;(3)当电线受到拉（应）力作用时，L变大，S变小，R变大;(4)一组串联平行细导线（电阻应变片）的金属（弹性元件）因压力变化而发生微小变形（应变）时，细导线的电阻随之发生变化。从而，将压力参数转化为电阻参数.2.电极式液位计:(1)对于导电电极式,当液面或泡沫达到不绝缘的金属棒的端点时，就会有电流信号产生;(2)对于电阻式泡沫电极,其电极电流正比于不绝缘电极棒浸没入液体的长度，由此来测定泡沫液位高度.3. 电磁流量计:当流道两侧有磁场作用时,导电流体在流动过程中切割磁力线,产生感应电动势:E=KBdv;其中E为感应电势,K是常数,B为磁感应强度,d为管径，v为平均流速。当d与B确定后，有Q=KE，则Q与E成线性关系，只要测得感应电动势就可知流体流量。4. 热电偶温度计：（1）基于物体的热电效应；（2）由两种不同导体组成回路，当两个接点温度不同时，回路中将产生电势，该电势大小和方向取决于导体的材料和两接点温度差，这个现象称为“热电效应”。回路称为“热电偶”，电势为“热电势”，高温端叫“热端”，低温端为“冷端”；（3）EAB(t, t0)=eAB(t)-eAB(t0).4、简答题1、生化过程参数检测的特点答：（1）反应器内插入的传感器必须耐高温并经受高温灭菌，增加了生化过程参数测定的复杂性；（2）菌体及其它固体物质附在表面，使传感器灵敏度降低；（3）生化反应器内存有气泡，对检测传感器带来干扰；（4）在传感器及其安装附件必须没有杂菌和灭菌死角；（5）化学成分分析给电信号转换带来困难或者可靠性降低。2、 热电偶的材质要求答：单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系； 热电性质稳定； 化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀； 具有较好的延展性，易于加工； 复现性好，便于批量生产和互换。3、 热电偶的补偿答：（1）热电偶的导线补偿用廉价材料将冷端延伸到温度相对稳定的控制室内；（2）冷端温度补偿将冷端浸泡在恒温的冰水中；采用电路差减法消除冷端热电势；(注意：补偿导线应与热电偶的电极材料配合使用，补偿导线的材质不同，接线时应特别注意不能接错)4、 压力计的选型及安装答：选型：类型选择（功能：显示、报警、记录、传送（数字、模拟）；介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏污程度等；如：氨气表防腐，氧气表禁油。环境条件：温度、震动、电磁场等。）量程与盘面大小（工作压力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程；）盘面大小应方便安装和观察。精度等级：根据工艺需要确定。作为现场的压力测量仪表，多用价格便宜的弹性压力仪表，如压力计。重要部位压力信号，远距离传送到操作室，有的要进行自动控制，则选用压力测量变送器。安装：取压位置：由工艺条件确定；（尽量避免涡流影响；避免流速影响；避免导压管产生压差。隔离（(采用密封隔离，如虹吸等)：温度隔离：采用铜管散热；腐蚀性隔离：采用隔离箱（凝液管）；脏污隔离：采用空气包。）5、 生化过程参数检测传感器的要求答：可靠 灵敏度 精度 可互换性 可清洗 耐消毒 无菌 无毒三、生化过程中化学及生物参数检测技术1、基本概念电位型电极：是利用一个特定离子的活性产生电位。测量的是指示电极与一个惰性参考电极之间的电位差，而参考电极的电位必须是恒定的。电流型电极：电流型电极: 对活度的测定是基于电流的测量. 包含一个阴极与一个阳极的氧电极由一种电解质传导连接。加在阳极与阴极之间的适宜的极化电位在阴极上选择性地将氧还原. 阴极反应 O2 2H2O 4e- 40H- ; 阳极反应 4Ag 4Cl- 4AgCl4e - ; 化学反应产生一个与氧分压（PO2）成正比的电流.极谱型DO电极：在电极系统中，如果选用一个电位比阴极电位低或相等的参比电极，就需要外加一个电源电压，使之维持在-0.6 -0.8V（相对于AgCl电极电位）的氧极谱电位，这种氧电极称为极谱型氧电极。原电池型DO电极：在电极系统中，如果选用阴极电位高于阳极电位的参比电极，例Zn、Pb或Ag等碱性金属作阴极，这时，氧就可在阴极表面自发地被还原，产生电动势，当接上电流表，就有电流产生，这种电极被称为原电池型氧电极。 复膜DO电极： 氧浓度与饱和电流成正比关系，实质上是涉及到了稳定的氧扩散电流问题. 当把电极放在被测溶液中时，在阴极表面发生了电极反应，使距表面越近的溶液中的氧被还原，此时，电极表面的氧浓度与液流主体中的氧浓度就形成了一个梯度，这时电极反应速度是受氧扩散控制的.流通式浊度计：使发酵罐中的发酵液进入一流通式薄层比色杯，用 500600 nm波长的光束测定发酵液的光密度（也称消光系数O.D.值），然后发酵液再返回发酵罐中。所测定的光密度O.D.与菌体浓度成线性关系。酶键合标记法：采用专一性强的键合剂，根据标记与非标记物在键合中心的竞争性反应，测定由键合剂置换下来的溶液含量，由此测知代谢中间物或基质的含量。2、 分类参比电极：甘汞电极、氯化银电极溶氧检测：化学法、导管法、质谱电极法、电化学检测法（质谱分析法）、复膜氧电极法尾气二氧化碳含量检测：热导法、气相色谱法（GC）、二氧化碳电极法、不分光红外线式二氧化碳测定仪（IR）和质谱仪（MS）Kla的测定：亚硫酸盐氧化法、取样质谱法、物料衡算法、动态法、排气法、复膜电极法荧光测量菌量：直接荧光测量法、荧光试剂测量法、酶键合标记法菌浓测定方法：全细胞浓度法（压缩体积法，静置沉降体积法，干重法，光密度测定法）和活细胞浓度法（荧光测量，排气分析法，热量恒算法，酶电极法，恒电位电极法）。3、 原理PH测量:指示电极和参比电极在溶液中构成了一个原电池，该电池所产生的电动势 E的大小与溶液的 pH值有关，电动势 E与pH的变化关系可用下式表示： EE* D pH；式中 E 测量电池产生的电动势； E*测量电池的电动势常数（其与温度有关）；pH溶液的 pH值；D测量电极的响应级差（其与温度有关）。极谱型DO电极:在电极系统中，选用一个电位比阴极电位低或相等的参比电极，就需要外加一个电源电压，使之维持在-0.6 -0.8V（相对于AgCl电极电位）的氧极谱电位。原电池型DO电极:在电极系统中，选用阴极电位高于阳极电位的参比电极，氧可在阴极表面自发地被还原，产生电动势，当接上电流表，就有电流产生。磁氧分析仪：基于氧的磁化率远大于其他气体磁化率这一物理现象，混合气体的磁化率与氧气含量成线性关系，于是将混合气体导入磁场，非均匀磁场中的气体分子受到的力可以转化成气体压力变化，即与无磁场的空间存在压力差，通过测量就可得到氧含量。动态发测定Kla:发酵过程中停止通气片刻，人为制造一个不稳定状态来求KLa。不稳定状态时发酵液中某一时间间隔的溶氧量为：可改写为：停气t1, C1 C2, =QO2x=通气t2， C2 C1，将CL对 作图可得一直线，斜率为1/KLa, 在CL轴上截距为C*. 直接荧光检测法:对于自身能够受激发发出荧光的物质，可不加试剂直接在激发光照射下进行比色，由于一定的荧光物质只能吸收一定的频率的光，而且能产生的荧光的物质发出的荧光波长也不同，因而控制激发光和荧光单色器的波长，便可得到好的选择性结果。4、简答题1、 一个理想的参比电极要满足的条件答：（1）电位稳定；（2）没有极化性；（3）在重负荷下指示电位可逆变化;（4）电位响应只遵守能斯特方程；（5）没有温度滞后现象；（6）温度系数低。2、 复合PH电极的技术指标有哪些答：零点与零点漂移；级差与斜率；电极内阻与膜电阻；电极响应时间；等电位点；温度影响；线性范围。3、 避免PH电极污染及清洗方法答：避免污染方法： 经常用适当溶剂冲洗电极； 如果可能有固体物质沉淀于膜表面，则可提高搅拌转速或增大通气速率来去除之；清洗方法：4、 溶氧电极的技术标准答：灵敏度，响应时间，残余电流，温度效益。5、 DO电极的标定方法答：（1）把DO电极置于无氧环境中（纯氮气中或新配制的亚硫酸钠溶液中），待电极响应稳定后，调零点补偿旋钮，使仪表显示为零；（2）把电极再置于一个已知DO水平的环境（一定压力下空气饱和的水或培养基中）中，调DO仪灵敏度或斜率旋钮，使仪表显示为以某DO水平单位表示的该已知环境的DO水平。6、 生产氧化还原电位下降的原因是什么答：（1）菌体培养物产生的还原电位；（2） 在氧化还原链中一系列的氧化还原物质，如在呼吸链中酶的排列次序所造成的影响；（3）培养液中可能形成所需产物的氧化还原物质的自由能，通过营养液和活性细胞液之间的电位差，就可以获得生化反应所需的能量。四、生化过程参数检测中的生物传感器1、基本概念生物传感器：是利用酶、抗体、微生物等作为敏感材料，将所感受的生物体信息转换成电信号进行检测的传感器。生物分子识别原件：生物传感器中能与待测物质发生特定的生化反应的生物制。如酶，生物膜等。信号转换器：生物传感器中能将生化反应产生的光，热等信号转换为可测量的电信号的器件。酶电极：由电化学探头和附着在其上的固定化酶层构成的生物传感器。微生物电极：由电化学探头和产酶微生物构成的生物传感器（用产酶微生物替代酶电极上的酶层而得到的一类生物传感器）。免疫敏电极：利用抗原对抗体识别和结合的原理而制成的生物电极。酶热敏生物电极：固定化酶在促进底物参加反应时，总是伴随着热量的产生或吸收，如果配用一个灵敏度足够高的热敏电阻来检测变化的温度，并用记录仪记录，就可以得到有关待测物的含量。2、分类分子识别原件分类方法：酶传感器 微生物传感器 免疫传感器 组织传感器 基因传感器 细胞及细胞器传感器信号转化器分类法：光生物传感器，热生物传感器，声波生物传感器，电导/阻抗生物传感器，电化学生物传感器，半导体生物传感器，悬梁臂生物传感器。3、原理生物传感器 ：待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度呼吸测定型微生物电极：把生存状态的微生物固定在胶原膜中，再把这个膜附着在复膜式氧电极的透气膜上并将这类电极放入待测有机溶液，待测物向微生物膜扩散，并被微生物摄取，呼吸旺盛，产生二氧化碳量或消耗氧气量增加，通过二氧化碳电极或氧电极测定气体变化量，进而求出待测物量。代谢测定型微生物电极：待测有机物被微生物摄取后，产生各种代谢产物，其中含有能使电极响应或与之反应的电极活性物质，反映产生的电信号表示代谢物质，进而换算成待测测有机物的量。膜免疫敏电极：把固定化抗原膜安装在凹槽内，槽被间隔成、室，与室被抗原膜分开，与之间装上不含抗原的膜，I、室注入0.9的生理盐水，若室也注入生理盐水，则在、室中的电极不产生电位差。若注入含有抗体的生理盐水，则抗体会在固定化抗原膜表面进行抗原抗体反应，抗体是带有电荷的蛋白质，由于反应而引起固定化抗原膜表面电荷状态的变化，产生感应性膜电位差，其数值随膜上抗体的密度、被测抗原的浓度、抗原抗体反应的时间及测定条件而定。因此，如能使被测抗原浓度以外的各项保持恒定，就可由电位差或电位差的变化速率来求出被测抗原浓度。4、简答题1、 生物传感器的主要特点答：（1）多样性。根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的酶传感器；（2）无试剂分析。除了缓冲液以外，大多数酶传感器不需要添加其它分析试剂；（3）操作简单，快速、准确，易于联机体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续在位检测；（4）通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次使用；（5）准确度高,一般相对误差可达到1%以内；（6）可进行活体分析；（7）传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪,因而便于推广普及；（8）有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。2、 酶生物传感器必须固定化酶的原因答：（1）固定化酶往往要比非固定化酶稳定，酶活力不易丧失；（2）酶不易流失，因而不需要使用过量的酶；（3）保持稳定的几何外形，有利于稳定扩散，改善电极的响应特性；（4）被固定的酶可以有单酶、多酶系统，以及酶和辅酶系统的固定，制造成各种生化反应机理较复杂的酶电极。（5） 酶的固定化方法的选择对酶电极的使用性能有很大影响。3、 酶电极标定曲线的制作方法答：（1）将酶电极放入一定的基质溶液中，以电极信号对时间作图；（2） 以上图中变化的初速率对已知基质浓度作图，得动态原理标定曲线；（3）以上图中电极的稳态响应值对已知浓度作图，得静态原理标定曲线。4、 提高酶电极使用寿命的稳定性的方法答：在酶固定化时采用化学法或物理法；在酶层外面增加半渗透支撑薄膜，辅酶的使用以及恰当的酶电极保存方法。五、生化过程状态估计方法1、基本概念数字滤波：通过一定的计算机程序对采样信号进行平滑加工，提高其有用信号，消除或删减各种干扰和噪声。限幅滤波：指把两次相邻的采样值进行比较，其增量（以绝对值表示）与两次采样允许的最大差值y比较，如果小于或等于y ，则取本次采样的值；如果大于y ，则仍取上一次采样的值作为本次的采样值。状态方程式：描述生化反应过程状态的方程式。 x状态变量 y可测量变量 u操作变量OUR：氧利用速率。单位时间、单位发酵液体积内细胞消耗的氧量。CER：二氧化碳释放速率。单位时间、单位发酵液体积内细胞释放二氧化碳的量。RQ：呼吸商。二氧化碳释放速率与氧消耗速率的比值，即2、 分类滤波方法分类：程序判断滤波、递推平均滤波、加权递推平均滤波、一阶惯性滤波描述生化过程的数学模型：非构造式力学模型、代谢网络模型、基于在线时间序列数据的自回归平均移动模型、人工神经网络模型、正交和多项式回归模型呼吸代谢参数：氧利用速率（OUR），二氧化碳释放速率(CER)，呼吸商（RQ）。3、简答题1、 研究细胞合成和代谢的意义答：了解反映过程特征的、整体和统合形式的表观反应模型的内在实质； 推定细胞、基质及代谢产物的生长、消耗和生成速率；推定细胞和各类代谢产物的得率；整个发酵过程的代谢流分布和走向；找出生物过程最优操作和控制的可能、有效的手段和途径。2、 简述人工神经网络（ANN）建模方法答：膜电位变化（y）：人工神经细胞的输出函数形式3、 简述BP算法的训练过程答：假定M套过程输入和输出（教师信号）的数据对，选其最大值，在0,1或-1,1间正规化； 在0,1间随机产生各层各单元初始结合系数，所有初始惯性项为0；启动ANN模型软件包，指定层数、单元个数、输出函数形式、学习系数、惯性系数； 教师信号输入到人工神经网络中；运行软件，总的二乘误差收敛至某规定值以下结束。4、 人工神经网络学习方法答：（1）误差逆向传播法（） （2）霍普菲尔德网络法（3）波茨曼机器法（4）竞争学习法（5）自我联想记忆法。5、 发酵热产生的来源答：1）微生物生长过程产生的热量；2）微生物为维持活力而需消耗基质同时释放出的热量（维持热）；3）合成产物释放的热。六、生化过程自动控制1、基本概念自动控制：无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控变量）按预定的规律（给定量）运行。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。这种控制方法叫前馈控制。反馈控制：将被控变量与期望值进行比较，然后根据这两者之差产生一校正作用，使两者值一样，这种控制方法叫反馈控制。双位控制：被控变量与设定值有偏差时控制器的输出非关即开，操作变量不是处于最大就是处于最小。也称开关控制。比例控制：使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。比例度：是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。公式如下：其中xmaxxmin：即测量仪表的量程；pmaxpmin：控制器输出的变化范围。临界比例度：比例度愈大，过渡过程曲线愈平稳，余差也愈大。比例度愈小，过渡过程曲线振荡愈厉害。当比例度减小到某一数值时，系统会出现等幅振荡，此时的比例度称为临界比例度k。微分控制：控制器输出与偏差e的关系为：TD为微分时间常数，微分时间是表征微分作用强弱的一个重要参数，它决定了微分作用的衰减快慢。积分控制：积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比，即： KI积分比例系数，或积分速度2、 分类前馈流加：恒速流加、指数流加、线性流加、脉冲流加、基于最优化控制的前馈流加反馈流加：DOStat法（以DO变化为反馈指标的流加培养控制）、PHStat法（以pH变化为反馈指标的流加培养控制）、RQStat法（以RQ为反馈指标的发酵过程控制）、底物浓度Stat法（以底物浓度为反馈指标的发酵过程控制）、代谢副产物Stat法（以代谢副产物浓度为反馈指标的流加培养控制）3、 简答题1、 简述被控变量选择的原则答：工艺过程的重要参数；在工艺系统中易受干扰变化，需要经常调节的参数；尽可能选用直接指标作为被控参数，必要时可用与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量;被控变量应方便检测，并有足够的灵敏度；适当考虑系统测控代价；被控变量应是独立可控的。2、 造成检测系统滞后的主要原因答： 被测对象滞后：测量点不能及时反映参数的变化。存在容积滞后和/或传递滞后;检测元件滞后：因热容、热阻等惯性因素的影响，导致检测仪表的输出不能及时反映参数的变化;信号传递滞后：主要是气动信号传递较慢导致系统反映滞后。3、 计算机控制系统的典型形式答：（1）操作指导控制系统;（2）直接数字控制系统（Direct Digital Control）;（3）监督控制系统 （Supervisory Computer Control);（4）分散型控制系统（Distributed Control System-DCS);（5）现场总线控制系统（Fieldbus Control System-FCS) .4、 发酵自控系统的硬件组成答：传感器;变送器;执行机构;转换器;过程接口;监控计算机.5、 比例度选择的原则答：若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定.6、 比例度对控制过程的影响答：比例度愈大，过渡过程曲线震荡愈小，余差愈大； 比例度愈小，过渡过程曲线震荡激烈，可能不稳定。7、 积分时间的物理意义答：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间.8、 微分时间TD的影响答：TD表征微分作用强弱的参数。TD越大微分作用越强，反之越弱，TD0微分不起作用;TD值过大:系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有时甚至会出现大幅振荡;TD值过小:微分作用不明显，超调量大;TD值适中