第九章 过程参数检测与控制

第九章过程参数检测与控制第一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

9.1发酵过程参数

检测的目的：1）了解过程变量的变化是否与预期的目标值相符；2）决定移种及放罐、补料的时间；3）对不可测变量进行间接估计；4）对过程变量进行手动及自动控制；5）收集建设数学模型所必需的数据，通过过程模型实施计算机控制；第二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五根据参数的性质可将生物反应过程参数分为：物理参数化学参数生物学参数第三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五生物反应参数一览表

参数种类参数名称

参数单位

参数意义及主要作用

物理参数

温度

K，℃

维持菌体正常的生长、生产状态

压力

Pa

维持发酵罐正压，增加溶氧、防止染菌

气体流量

m3/h

反映供氧能力及排气大小液体流量

m3/h

反映前体、碳源、氮源、消沫剂流加速率，体现菌体消耗基质、前体、好氧等情况搅拌转速

m3/h

物料混合，提高传质效率粘度

Pa·s

反映菌体生长变化及对KLa影响发酵罐装液量

L，m3

反映发酵液装载量及其体积变化浊度

(透光率)%

反映菌体的生长情况发酵液密度

g/cm3,Kg/m3

反映发酵液性质泡沫液位

反映菌体代谢情况

第四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

9.2发酵过程参数检测

传感器：

能感受规定的被测量并按照一定的规律，将其转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件、转化元件及相应的机械结构和线路组成。第八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五对传感器的要求

可靠性灵敏度准确性测量范围精确度特异性响应时间可维修性分辨能力特殊要求第九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五发酵用传感器的分类按测量方式分离线传感器：不安装在发酵罐内，人工取样在线传感器：自动测定，流动注射分析系统（FIA）,（HPLC）或质谱仪等原位传感器：直接与发酵液接触，给出连续的响应信号，如温度、压力、pH、溶氧等第十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五生物反应过程参数检测分类

离线测量

在线检测---直接状态参数/间接状态参数

可粗略地把检测仪器分成在线检测和离线检测两大类第十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（1）温度测量：通常可以采用水银温度计、热电阻监测。普遍使用的热电阻有铂电阻和铜电阻。铂电阻精度高、稳定性好、性能可靠，但价格贵；铜电阻价低、超过100℃时易被氧化。1直接状态参数检测pt-100温度传感器探头(发酵罐自动恒温控制)第十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（2）粘度测定毛细管粘度计旋转式粘度计振动式粘度计KV-100在线毛细管粘度计法国Sofraser振动式在线粘度计

第十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（3）pH测定参比电极：输出电位恒定；指示电极：输出电位随被测体系中氢离子浓度变化。原理pH第十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五甘汞电极（a）232型（b）217型1－导线；2－加液口；3-KCl溶液；4－素烧瓷芯；5－铂丝；6－Hg；7－Hg2Cl2一般的参比电极是甘汞电极。电极的外壳是玻璃管，里面套一根小玻璃管，其顶部伸出电极引线，引线的下端浸没在汞中，汞的下端有糊状甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，而汞和甘汞不会漏失，小管和大管之间充满KCl溶液，末端用多孔陶瓷渗入到溶液中，实现电极引线与溶液间的电导通。参比电极第十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五甘汞电极（半电池）可表示为Hg(L)Hg2Cl2(S)Cl-(L)电极电位产生于汞和甘汞的界面，其电极反应为：2Cl-+2HgHg2Cl2+2e-εCl/HgCl,Hg=ε+ln1/α第二十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五指示电极内参比溶液：一定浓度的HCl溶液；内参比电极：一般用银/氯化银电极E[α]=E0-ln1/=E0-2.303pH第二十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五复合电极第二十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五pH电极的使用灭菌校准电解液流失玻璃膜污染第二十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（4）溶氧的测定---溶氧电极

原电池型：银阴极，铅阳极银阴极被还原：O2+2H2O+4e→4OH-铅阳极被氧化：2Pb+2KOH+4OH--4e→2KHPbO2+2H2O极谱型：银阳极、铂丝阴极、氯化钾电解液，外加电源阴极还原:O2+2H2O+4e-4OH-阳极氧化:4Ag+4Cl-4AgCl+4e-总反应:O2+2H2O+4Ag+4Cl-4OH-+4AgCl第二十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五极谱型溶氧电极的构造第二十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五溶氧电极的使用灭菌校准更换电解液和膜第二十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

溶解CO2浓度的检测原理是利用对CO2分子有特殊选择渗透性的微孔膜，并使扩散通过的CO2进入碳酸氢钠缓冲液中，平衡后显示的pH与溶解的CO2浓度成正比，由此可测出溶解CO2浓度。CO2电极结构（5）溶CO2的测定第二十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（6）光密度传感器

第二十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（7）泡沫检测传感器

液面或泡沫上升与电极探针接触产生电信号。第二十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（8）荧光检测传感器细胞内呼吸链上的NADH在336nm处可激发出能在460nm处检出的特征性荧光，荧光测量活细胞装置图第三十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五(9)流速（流量）测定培养基和其他酸碱等液体流量测定多用流量计，如液体质量流量计、电磁流量计、漩涡流量计、椭圆流量计、压差流量计等。蠕动泵第三十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五气体流量计分为体积流量型(根据流动气体动能的转换而检测其流量)和质量流量型(利用液体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应及导热等特性而设计的)转子流量计

第三十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五液位检测的主要方法有压差法、电容法、电导法、浮力法和声波法等。电容式液位计的测定原理(10)发酵液液位检测第三十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五(11)离子选择性电极离子选择性电极可用于离线检测发酵液中特定的无机离子，如NH4+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42-和NO3-等。第三十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五(12)生物传感器生物材料：酶、微生物、抗体、生物体组织或器官等转换元件：电位计、安培计、量热计、光度计等信号、数据处理系统第三十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

酶传感器（enzymesensor）

微生物传感器（microbialsensor）

细胞传感器（organallsensor）

组织传感器（tissuesensor）

免疫传感器（immunolsensor）根据生物传感器中分子识别元件可分为：第三十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五e.g.脲酶电极：把脲酶固定在NH3气敏电极或CO2气敏电极的表面，在脲酶的催化下，尿素可以发生如下的分解反应：CO(NH2)2+H2O2NH3+CO2通过NH3或CO2气敏电极测定NH3或CO2的分压即可达到间接测定尿素的目的。第三十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五(13)尾气分析①尾气氧分压的检测：主要有磁氧分析、极谱电位法和质谱法哑铃形顺磁氧分析仪原理第三十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第三十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五图7-8非色散红外气体分析仪A—光源SA—分析光束SB—参比光束R—旋转遮光片CACBCC—分析室CR—参比室TA—分析检测室TR—参比检测室Z—调零遮光片B—平衡遮光片F—平衡遮光片操纵支撑点M—伺服电极A1A2—放大器P—记录笔②尾气CO2的检测：第四十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第四十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五③尾气中其他气体的分析：质谱仪第四十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五(14)发酵液成分分析高效液相色谱（HPLC）流动注射分析系统（FIA）与自动取样系统连接第四十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第四十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五2间接状态参数检测间接状态参数即可通过直接状态参数计算求得的变量。如氧利用速率(OUR)、二氧化碳释放速率(CER)、比生产速率(μ)、体积氧传质速率(KLa)、呼吸商(RQ)等。可通过对直接反映菌体生理状态的间接状态参数实施过程控制，比单纯控制环境变量在提高发酵产率方面常常能起到更加重要的作用。与传质相关的参数估计

与基质消耗有关的参数估计

与呼吸代谢有关的参数估计

与细胞生长相关参数的估计

第四十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五与基质消耗有关的参数估计

以连续发酵为例，由基质平衡可得基质消耗速率的计算公式：

基质消耗总量可由基质消耗速率对时间积分进行估计，即：第四十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五二氧化碳释放速率（CER）氧利用速率（OUR）呼吸熵（RQ）与呼吸代谢有关的参数估计第四十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

溶氧浓度与传质相关的参数估计第四十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

液相体积氧传递系数

当发酵液中溶氧浓度保持稳定时，即发酵过程中的氧供给量与氧消耗量达到平衡时，与传质相关的参数估计第四十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

生物量

—般以间接方法进行估计，方法主要有由氧消耗率估计和由CO2释放率估计两种。

与细胞生长相关的参数估计第五十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五比生长速率和比生产速率X(t)P(t)第五十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五9.3发酵过程的自动控制自动控制定义自动控制要素自动控制优势第五十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五9.3.1基本自动控制系统

组成：被控过程、检测元件和变送器、控制器、执行器1、基本的自动控制系统①前馈控制②反馈控制③自适应控制第五十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五9.3.1.1前馈控制前馈控制——被控对象尚未发生变化时提前实施控制。被控对象反应慢，测量反应快的干扰量的变化来对控制对象进行控制如：通过冷却水压力（控制阀）控制温度变化。第五十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五9.3.1.2反馈控制反馈控制传感器检测被控输出量，反馈到控制系统，控制器根据与预定值的比较，得出偏差，进而控制动作第五十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五1.开关控制第五十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五①P=ke

②③2.PID控制第五十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五3.串级反馈控制由两个以上控制器对一种变量进行联合控制的方法