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文档简介
第八章 发酵过程的参数检测 和自动控制,提纲,一、发酵过程的参数检测 1、物理参数检测 2、化学参数检测 3、间接参数检测二、发酵过程的自动控制 1、基本的自动控制系统 2、发酵自动控制系统的硬件组成,一、发酵过程的参数检测,微生物工程的基本任务:通过对发酵过程的有效控制,高效利用微生物内在能力,低能耗、低物耗地最大限度生产生物产品。方法:发酵过程的参数检测,定性、定量描述,有效控制。 微生物的生长代谢过程是动态变化过程,属于开放系统。 根据参数的性质特点,可分为:物理参数、化学参数、 间接参数三类。测参数的测量形式分为:就地信号系统,在线测量系统和 离线测量。测量难度:传感器须耐高温;固形物附着传感器;气泡干扰; 产生灭菌死角;成分分析难转电信号。,一、发酵过程的参数检测,1、物理参数检测1)温度测量 感温元件:铂电阻,铜电阻,半导体; 二次仪表:温度,0150, 与热电阻型号匹配。,1、物理参数检测,2)热量测量 利用热交换原理,测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度;利用温度变化率S(/h):先使罐温恒定,再关闭自控装置,测量S;热力学方法: 根据盖斯定律:“在恒压和横容条件下,一个反应不论是一步完成或几步完成,其反应热是相同的”。这实际上是热力学第一定律的必然推论,因为焓(H)是状态函数,过程的焓变与途径无关,只决定于过程的始态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计算。,1、物理参数检测,3)搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速:磁感应式,光感应式, 测速电机;搅拌功率:功率表,测定力矩求功率法。,1、物理参数检测,4)空气流量测定体积流量型:会引起流体能量损失,受温 度和压力变化的影响;质量流量型:根据流体固有性质(质量、导电性、热传导性能)设计的流量计。,1、物理参数检测,5)罐压测量 就地指示; 转变为电信号。 选测、控点时,要避免死角,防止染菌。,1、物理参数检测,6)料液计量与液位控制 压差法 直接重量测量法 体积计量法 流量计量法 液位探针,1、物理参数检测,7)发酵液粘度测定 毛细管粘度计 回转式粘度计 涡轮旋转粘度计,2、化学参数检测,1)PH测量 复合PH电极 PH测量仪器,2、化学参数检测,2)溶解氧的测量溶氧电极法:这是一种参量变换器:把溶氧浓度变成一个与之呈线性关系的电流量,进行测量,这种溶氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温,可以固定装在发酵罐上,连续地测量培养液中溶氧浓度。亚硫酸盐氧化法取样极普法排气法,2、化学参数检测,3)溶解二氧化碳测量 复膜式电极法 渗透膜碳酸氢钠法4)发酵尾气的在线分析 CO2分析 氧浓度测量,2、化学参数检测,5)菌浓度的测量 浊度法 荧光测量 排气分析法 粘度测定法 热量恒算法 酶电极法 恒电位电极法,3、间接参数检测,1)数据处理2)间接数据的获得 质量传递速率 组分比率 质量传递系数 热传递系数 其他间接参数,二、发酵过程的自动控制,变量测量和变化规律的认识控制器(自动化仪表、计算机组成) 控制关键变量控制发酵过程1、基本的自动控制系统 前馈控制 反馈控制 自适应控制2、发酵自动控制系统的硬件组成,1、基本的自动控制系统,前馈控制: 通过动态反应快的变量测量来预测反应慢、易干扰的被控对象的变化,并提前实施控制。如:通过冷却水压力(控制阀)控制温度变化。,1、基本的自动控制系统,反馈控制反馈控制是自动控制的主要方式,1、基本的自动控制系统,反馈控制 溶解氧的串联 反馈控制,1、基本的自动控制系统,反馈控制 开关控制:控制阀门的全开全关; PID控制:采用比例、积分、微分控制算法; 串联反馈控制:两个以上控制器对一变量实 施联合控制; 前馈/反馈控制:前馈控制与反馈控制相结合。,1、基本的自动控制系统,自适应控制: 提取有关输入、输出信息,对模型和参数不断进行辩识,使模型逐渐完善;同时自动修改控制器的动作,适应实际过程。自适应控制系统。,2、发酵自动控制系统的硬件组成,传感器变送器执行机构 电磁阀、
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