发酵过程的参数检测

5气相氧浓度测定
• （1）磁氧分析仪 • （2）极谱氧电极法 • （3）质谱分析仪
8.1.2 化学参数检测
6 菌浓度的测量
微生物在生命活动中总是伴随着增殖和增长。有关菌量 的测量方法很多。 离线取样分析： 称重法； 细胞蛋白质测定法； 核酸测定法； 平板计数法。 在线连续菌量测量方法： 浊度法； 荧光测量法； 电容测定法； 排气分析法等。
8.1发酵过程的参数检测
8.1发酵过程的参数检测
8.1.1 物理参数检测
1.温度测量 1）感温元件： 液体温度计 热电偶 热电阻 2）二次仪表 信号放大、显示和记录： 模拟值 数字值
8.1.1 物理参数检测
2.热量测量 测量方法： 恒温法； 绝热量热法； 热流量热 流通式量热计 动态量热法 补偿法连续测量法
8.1.1 物理参数检测
3.搅拌转速和搅拌功率的测量 1)搅拌转速 搅拌转速的检测一般应用磁感应式、光感应式或测 速发电机来实现。 磁感应式和光感应式检测器是通过计测脉冲数来测 量转速。安装在搅拌轴或电动机轴上的切片切割磁场或 光速而产生脉冲电信号，一定时间间隔内的脉冲频率反 应了搅拌转速的大小。 测速发电机是安装在搅拌轴或电动机轴上的小型发 电机，它的输出电压与转速之间有良好的线形对应关系。 大型发酵罐可以采用变频控制器来调节交流电动机 的转速，也可以采用直流电动机进行调速。小型机械搅 拌式发酵罐的搅拌转速都是可调的。
8.1.1 物理参数检测
5. 罐压测量 发酵过程中维持一定的正压，是防止杂菌污染的重 要措施。 压力信号转换器很多，如电阻式、电感式、电容式 和半导体式等。
8.1.1 物理参数检测
6.料液计量测量 压差法 称重器法 流量计法 液位探针
8.1.1 物理参数检测
7.发酵液黏度测定 毛细管黏度计 回转式黏度计 涡轮旋转黏度计
8.1.2 化学参数检测
1 pH的测量 pH是微生物重要的生长环境条件。在发酵过程中， 微生物的代谢活动会明显改变发酵液的pH。 1）复合pH电极（探头） 2 ）pH测量仪器（处理和显示）
8.1.2 化学参数检测
2溶解氧的测量 溶解氧浓度直接影响微生物的代谢，它的大小与 氧的传递速率、微生物的摄氧率等有关。所以也是一个 重要的参数。 1）复膜氧电极 2 ）测量和显示
8.2.1基本的自动控制系统
3自适应控制 对于复杂和不确定的发酵过程的控制，须要提取有 关的输入、输出信息，对模型和参数不断进行辨识，使 模型逐渐完善，同时自动修改控制器的控制动作，使之 适应于实际过程。这样的控制系统称为自适应控制系统。
8.2.2 发酵自控系统的硬件组成
发酵自控系统组成： 传感器； 变送器； 执行机构； 转换器； 过程接口； 监控计算机。
除了直接用于发酵过程检测的传感器外，一些根据 直接测量数据对不可测变量进行估计的变量估计器，也 称为传感器。 传感器获取的信息需要特殊的电路将其转变为标准 输出信号，才能被控制器所接受。这种电路装置称做变 送器。 执行机构是直接实施控制动作的元件。 当涉及到计算机时，控制器输入信号必须转化成数 字当量，而与执行机构连接的模拟输出信号必须有数字 当量产生。所以对于计算机控制系统，必须使用 A/D 和 D/A转换器。
8.1.1 物理参数检测
3.搅拌转速和搅拌功率的测量 2)轴搅拌功率 轴搅拌功率是主要的测量参数，在设备和操作条件 固定的情况下，搅拌功率随着发酵过程中发酵液性质的 不同而发生变化。因此有时也作为发酵工艺正常与否的 判断依据。 搅拌功率与氧的传递系数，与KLa值有正相关关系。 常用功率表来测量电动机进线功率，但由于减速机 构的能量消耗、机械磨损等原因，容易造成较大的误差。 还有几种比较精确的测定方法，如电机反转矩测定法、 轴功率和应片法，多数是测定力矩来求得功率。
8.1.3 间接参数检测
间接参数可以分成质量传速率、成分比率、质量 传递系数、热传递系数和能量平衡等几方面。 间接参数可以反映微生物细胞的生理特性或对象的 工程特性。
8.2.1基本的自动控制系统
发酵过程采用的基本自控系统主要有前馈控制、后 馈控制和自适应控制。 1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。这种控制方法叫做前馈控制。 2反馈控制 被控过程的输出量 x(t) 被传感器检测，以检测量 y(t) 反馈到控制系统，控制器使之与预定的值r(t)（设定点） 进行比较，得出偏差值 e ，然后采用某种控制算法根据 偏差e 确定控制动作u(t)。根据算法的不同，可分为开关 控制、PID控制、串级反馈控制、前馈／反馈控制。
8.1.1 物理参数检测
4.空气流量测定 在微生物深层培养中，通入无菌空气起到供应氧气、 提高KLa值以及排出废气的重要作用。通气量的大小直 接影响发酵液中氧的传递。根据作用原理，测量空气 流量的流量计分成两大类：体积流量型和质量流量型。 1）体积流量型 这是一类根据流体动能的转换以及流体流动类型 的改变而设计的测量装置。 (1)同心孔板压差式流量计 (2)转子流量计 2 ）质量流量型 这是根据流体的固有性质，如质量、导电性、电磁 感应性、离子化、热传导性能等设计的流量计。
8.1.2 化学参数检测
3溶解二氧化碳测量 发酵液中二氧化碳的浓度，指示的是菌体的呼吸商， 呼吸商实际上反映出微生物的代谢强度。 1）复膜氧电极 2 ）测量和显示
8.1.2 化学参数检测
4 气态二氧化碳浓度测量 用以测定尾气二氧化碳含量的方法和检测仪器： 热导式气相色谱法（GC）； 二氧化碳电极法； 红外线二氧化碳测定仪（IR）； 质谱仪。 较为常用的是IR法和电极法。
第8章 发酵过程的参数检测和自动控制
对发酵过程实现有效的控制的目的是高效地利用微 生物所具有的内在生产能力，以较低的能耗和物耗最大 限度地生产生物产品。 发酵过程是通过各种参数的检测，对生产过程进行 定性和定量地描述，以期达到对发酵过程进行有效控制 的目的。
8.1发酵过程的参数检测
根据参数的性质特点，发酵参数可以分为三类： 物理参数，化学参数，间接参数。见表8-1。 发酵过程的参数按测量形式又可以分为：就地信号 系统、在线测量系统、离线测量。 就地信号系统对发酵过程不发生影响的检测系统。 在线测量是利用连续的取样系统与相关的分析器联 接，取得测量信号。 离线测量是指在一定的时间内离散取样，采用常规 的化学分析和自动的分析系统，在发酵罐外进行样品的 处理和分析测量。