第七章 生物反应器的检测和控制 3生物反应器的控制

7.3 生物反应器的控制
7.3.2 控制系统概述
1、基本反馈控制系统 基本反馈控制系统由控制器和控制对象两个基本元素组 成。图7-15是一个温度反馈控制系统，温度传感器检测到控 制对象值为T并反馈到控制器中， 控制器将反馈值T与设定值 Ts进行比较得出一个偏差e, 然后根据这个偏差输出一个控制 信号大小为P，自动阀门根据P的大小控制阀门的开度。测量 值T如果高于设定值Ts，阀门开大，偏差越大，信号P越大， 阀门的开度愈大。
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②
P
k
e
1 T
t 0
edt
在以上公式中，k 为常数，Ti为积分时间。P不 仅与e有关，而且与e对时间的积分有关，即P的值分 为两部分，第一部分为比例部分，第二部分为积分 部分，因此这种控制方式又称为比例积分控制，也 常称为PI控制。
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③
P

k
e
1 T
t
0 edt Td
de dt
在以上公式中，Td为微分时间，P的值除包含比例和积分 部分外，还与e对时间的导数有关，这部分即微分部分。因此, 这种控制方式称为比例积分微分控制，常称PID控制。
这三种控制方式的控制效果可以从图7-16进行比较。由 图可见PID控制最有效。
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2、时间-比例控制系统 PID反馈控制系统输出一个连续变化的控制信号，需要 有一个能够连续调节的控制执行机构， 比如气动阀门等， 这对一些较小的反应器，或者较简单的控制场合显然不太适 用。比如在图7-16中，如果温度低于设定值，就关闭冷却水 阀门，否则打开冷却水阀门，温度可能无法控制。但是，如 果将PID控制方法输出的连续信号转化为一系列的开、关指 令，转化的原则是PID输出信号P越大，开指令持续的时间越 长，否则越短，这种控制方式就是时间-比例控制。
生物工程设备
第七章 生物反应器的检测和控制
生物反应器的检测和控制
7.1 概述 7.2 生物反应过程常用检测方法及仪器 7.3 生物反应器的控制
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7.3.1 生物反应过程主要参数的控制
生物反应器检测的目的是为了控制，而控制的目的是为 了使生物反应处于最佳的反应条件下，反映在生产上就是以 最少的消耗产生最优、最多的合格产品。在实际运行过程中， 生物反应器的主要控制参数包括温度、pH值（酸度）、溶氧、 泡沫、生物体（菌体）浓度、生物体（菌体）比生长速率、 呼吸商。以下详细介绍工业上对这些参数的控制。
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图7-13 溶氧浓度控制方案示意图
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图7-13中的A方案使用了三个阀门分别调节高浓度氧、氮 气、和空气进入速度。在生物培养的开始和结尾阶段，生物 的耗氧量比较少，采取同时通入空气和氮气的方法，以稀释 空气中氧的浓度。在生物高速生长阶段，可以单独通入空气， 或者空气和高纯度氧气同时通入以增加氧气的浓度。生物反 应器内的溶氧浓度由溶氧电极传到溶氧浓度信号放大和控制 仪，然后由控制仪分别调节三个阀门的开度。在这个方案中， 不调节搅拌速度，适用于动物和植物细胞等对搅拌剪切力比 较敏感的生物培养。
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总之，由于计算机强大的功能，计算机可以组成各种类 型的控制系统，主要有以下几种：
（1）操作指导系统 计算机不直接参与生产过程的控制，仅用来巡回检测、 数据记录、加工处理、列表和图形输出，作为分析和控制的 依据。 （2）直接数控系统（DDC） 计算机将巡回检测结果与设定值比较，然后按照事先确 定的控制算法进行运算，根据运算结果直接指令执行机构对 生产过程实施控制。
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图7-12 规模较大的生物反应器的温度控制
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（2）溶氧浓度的控制 溶氧的浓度取决于氧气进入培养液的速度和生物消耗氧 气的速度，如果前者大于后者，氧气浓度增加，否则降低， 而在这两者中，我们能够控制的只有氧气进入培养液的速度。 氧气进入培养液的速度取决于四个因素：搅拌速度、鼓入的 空气的速度、鼓入气体中氧气的含量和反应器内氧气的分压。 增加氧气的浓度和增加反应器内氧气的分压具有类似的效果， 都能够提高氧气进入液相的推动力。图7-13 给出了两种溶氧 浓度控制方案示意图。
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图7-14 生物方应器的pH值控制
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（4）泡沫的控制 过度、持久的稳定性泡沫对生物培养过程造成一系列伤 害：1、大量的泡沫充斥反应器内，降低了反应器可用操作容 量。2、由于泡沫的飘浮作用，降低营养液层内生物体和营养 物质的浓度，影响产率。3、附着在泡沫层上的生物体由于缺 氧容易死亡自溶，释放出的生物体蛋白将进一步促使泡沫的 形成。4、泡沫层不容易被搅动，覆盖在培养液的上方，造成 局部生物生长和产物合成的损害。5、泡沫容易进入搅拌轴密 封及反应器排气管道增加染菌的机会。6、泡沫容易夹带培养 液从排气管道溢出造成所谓“逃液”现象，给生产带来损失。 因此必须对泡沫进行控制。
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（5）生物体浓度的控制 在生物培养过程中，生物体是生产的核心，当然它们在 培养液中的浓度不能太低，太低的浓度会造成生物产品的产 量降低从而增加成本，但是生物体的浓度也不能太高，否则 将因生物反应器传氧能力的限制无法满足生物体呼吸的需要， 造成它们生长与代谢的抑制，从而降低生产能力。因此生物 体浓度必须在培养过程中加以适当控制，以使生产能力最大， 消耗最少。
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图7-11小规模生物反应器的温度控制
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在比较大的生物反应器中，使用内置换热器，包括内置 蛇管换热器和空心隔板，或者夹套换热器调节反应器内的温 度。如图 7-12 所示，温度控制仪使用铂电阻探头感知生物 反应器内的温度，与设定温度比较后，调节外置水浴的冷水 进口阀门和加热装置以改变水浴内的温度，水浴内的换热介 质通过生物反应器的内置换热器，或者夹套换热器与培养液 进行热交换，从而维持反应器温度在一定范围。
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使用消沫剂消沫时，生物反应器上的泡沫探头首先检测 到泡沫的出现产生电信号，这个电信号立即开启电磁阀使消 沫剂自动加入将泡沫消灭在开始生成阶段中。
② 机械消泡 急剧变化的压力、剪切力、压缩力和冲击力可以起到破 碎泡沫的作用。最常用的机械消泡装置是安装在搅拌轴上的 消沫碟片，旋转叶片（消沫碟片）随搅拌轴转动，以冲击力 和剪切力将泡沫破碎。
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图 7-17 用于微生物发酵过程的某个计算机控制系统示意图
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（1）温度的控制 温度是影响发酵过程的一个重要参数，不仅因为生物本 身对温度敏感，而且，生物生长和产物合成的所必需的酶在 一定的温度下才能发挥较高的活性。图7-11小规模生物反应 器的温度控制 如图7-11 所示， 控制器使用温度探头感应反应器内的 温度，当温度大于设定值时，将电加热器关闭，通入的冷水 很快使温度降低。当温度低于设定值时，控制仪打开电加热 器，使温度升高。控制仪使用开、关控制的办法，配合冷水 将温度控制在一定的范围，温度控制精度可小于+0.5度。
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工业生产中一般使用以下办法控制泡沫： ① 化学消沫 消沫剂是一种表面活性物质，具有较低的表面张力，能
够竞争性地取代泡沫中使泡沫保持稳定的蛋白质类表面活性 化合物，降低泡沫的局部表面张力，使其受力不均匀而破裂。 工业上使用的化学消沫剂一般应满足的要求是：1、在培养液 中不溶解，但容易分散；2、对所培养的生物没有毒性；3、 对热稳定，主要指在高温灭菌时不产生变化；4、不影响产物 的生物合成；5、不对下游过程的提取造成困难；6、消泡能 力强，持续时间长；7、无爆炸性、挥发性和腐蚀性。8、消 沫成本低。
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图7-13中的B方案适合微生物及其他对搅拌剪切力不太 敏感的生物培养，是最为广泛应用的溶氧浓度控制方案。 这个方案采用搅拌优先的控制方法，即，当溶氧浓度低于 设定值时，先增加搅拌速度，如果搅拌速度增加到某个最 大值后还达不到要求，再增加气体通入速度。
在实际操作中，溶氧浓度的控制有一定的难度，原因 在于溶氧探头在经过高温消毒后其重现性和持续性都有所 下降, 再加上反应器内各处不均匀导致局部溶氧浓度过低 而其他部分却正常。
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（3）pH的控制 生物反应器中pH的控制依靠向反应器内滴加酸或碱溶液 完成，如图 7-14，当pH探头测得反应器内pH高于设定值时， pH放大控制仪向酸泵发出信号滴加酸溶液，否则，向碱泵发 出信号滴加碱溶液。pH控制仪使用比例，或者PI，或者PID 方式调节酸碱加入的频度、滴入持续时间来进行控制。在有 些情况下，可将培养液的pH值控制在一定的范围内， 即允 许培养液的pH值在一定的上下限内波动，pH值超过上限或低 于下限时才加入酸或者碱溶液。
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（3）监督控制系统(SCC) 计算机根据描述生产过程的数学模型或其他方式，自动 改变系统的设定值，再实施直接数字控制。 DDC系统和SCC系统的区别在于前者的设定值是预先给定 的，不能随过程状态的变化进行更改，而后者的设定值是计 算机根据模型计算得出，能根据对过程的检测结果及时、自 动地予以修正。显然，对于分批生物培养过程来说，后者更 为适用。 图7-17 是用于微生物发酵过程的某个计算机控制系统示 意图
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图7-16 三种控制方式效果
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3、计算机控制系统 如果使用计算机代替控制系统的控制器，检测探头将检 测到的信号输入计算机，计算机根据一些初始设定，通过比 较得出偏差值e，然后计算出输出信号P的大小，送到执行机 构进行控制操作，这样的控制系统就是计算机控制系统。 实现计算机控制系统至少需要具备两个条件。首先，计 算机只能识别数字信号，而检测探头输出的是模拟信号，因 此，必须将模拟信号转变为数字信号才能够输入到计算机， 这个过程由模拟/数字转换器完成，即A/D转化器。
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图7-15 反馈控制系统
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在这种控制系统中，控制器将根据偏差e通过计算 给出一个控制信号P，P计算方式一般有以下三种：
① P=ke 其中k为常数。图7-15 反馈控制系统 在以上公式中，输出的控制信号的大小与偏差e成 正比，因此，这种控制方式又称为比例控制，或P控制 方式。
7.3 生物反应器的控制
有了A/D或者D/A转换器，计算机完全可以替代以上控制 回路的控制器。不仅如此，由于计算机强大的算数和逻辑运 算能力，计算机可同时采集多个控制点的测量值，根据非常 复杂的数学模型进行运算，向多个执行机构输出控制信号或 者指令，实现多回路控制。此外，由于计算机可以持有系统 全部控制点的测量值，能够进行多个控制点数据之间的比较， 并根据情况自动修改系统的设定值，实现优化控制。计算机 也可以储存历史数据，供日后研究和调用。