生化过程的检测与控制(西农)

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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） 供桥

电压

输出

电压输出频率输出电压

输入电压

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= L/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）E AB(t, t0)=e AB(t)-e AB(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；