第八章 发酵过程的参数检测和自动控制

电路设计时采用延时方法；采用多支液位探针组成不同 高度的液面检测机构，通过逻辑或智能仪器计算，控制适 量消沫剂的加入。
触点控制
7、发酵液黏度测定 培养液成分、细胞浓度、菌体形态、产物浓度等
发酵液黏度特征
影响质量传递、动量传递、扭矩传递，发酵氧传递
由于发酵液属非牛顿流体，不能利用一般的工业黏度计 或油品黏度计测量。需要专业黏度计
烟雾报警器
生物传感器
生物传感器：检测对象中含生命物质。
根据敏感物质不同,生物传感器分酶传感器、微生物 传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。
数
发
据
酵
分
过
热/光
电信号
析
程
敏感元件
处
控
理
制
微生物/酶等
智能传感器
智能传感器：将传感器与微型计算机集成在一块芯片上， 将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知 的本能外，还具有认知能力。
3) 线性范围
任何传感器都有一定线性工作范围； 在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽， 表明传感器的工作量程愈大。 传感器工作在线性区域内是保证测量精度的基本条件。
4) 稳定性 传感器经长期使用，其输出特性不发生变化的性能； 影响传感器稳定性的因素是时间与环境。
5) 精确度 表示传感器的输出与被测量的对应程度。
“在线测量技术的应用”工业专题讲座
参数在线测定的优点及问题
优点：
及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，便于用计 算机控制。
问题：
发酵液的性质复杂：发酵液是多相体系（液、气、固 体不溶物或油）；
菌体和其他固体物质黏附对传感器性能的影响； 发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽 灭菌。因而传感器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制 造带来很大的困难。
2）直接重量测量法
将整个发酵罐装置在称重器上，称为load cell。 这种装置为半连续发酵中的物料平衡、中间补料、放 料计算提供了很大方便。 随着固态传感器技术的发展，采用各种应变片或硅膜 片技术，可直接用来测量发酵液负荷量。但要求所有 的发酵罐连接的管道必须是挠性连接，为设备改造、 安装和无菌操作提出了更高的要求。
Q蒸发、 Q辐射、 Q显、Q搅拌对生物热的测量都有影响， 使误差较大，且存在罐温和罐温控制的滞后现象，只 能进行定性分析和粗略估计，缺乏热力学意义。
生物热的测量要利用微热量测量仪器。要求： 1）可长时间使用且稳定； 2）适合发酵过程的各种需要（搅拌、补料、通气等） 3）能连续记录和计算Q生物的变化
第七章 发酵过程的参数检测
和自动控制
中国计量学院生命科学学院
高永生
发酵工程的基本任务
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。
发酵过程各种参数的检测
发
酵
发酵过程定性和定量描述和分析
工
动
程
力
学
学
发酵过程的有效控制
发酵工业的低耗优质高产
第一节 发酵过程参数检测
6) 测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。 例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线 与非在线测量等。
一、物理参数： 物理参数是一类直接参数，包括：
温度 压力 功率输出 搅拌转速 空气流量 泡沫水平 加料速率
基质 前体 诱导物 培养液质量 培养液体积 生物热 培养液表观黏度
3、搅拌转速和搅拌功率的测量
搅拌作用： 传递功率； 加强液体翻动混合，促进热量、质量和动量传递； 提高溶氧速率，增加KLα值等
1）搅拌转速的测量
一般应用磁感应式、光感应式或测速发电机来实现搅拌 转速的检测。
磁、光感应式检测器通过计测脉 冲数来测量转速。安装在搅拌轴 或电动机上的切片切割磁场或光 速而产生脉冲电信号。
传感器 传感器 传感器 粘度计 传感器
供氧、排废气、提高KLα 物料混合、提高KLα 反映搅拌情况、 KLα 反映菌的生长、 KLα 反映菌的生长情况
传感器 反映发酵代谢情况
间接计算 反映供氧效率
1、温度测量 温度是发酵中一个重要的检测参数和控制参数。
感温元件： 热电阻检测器（RTD）——铂电阻和铜电阻 Pt100热电阻最常用； 铜的电阻率小，需制成细长且体积稍大的电阻丝，在 超过100℃时容易被氧化； 感温元件一般装置在金属套管中，再插入发酵液或沿 罐壁固定，安装必须保证发酵罐的无菌状态。 （500 ℃以上热电偶）
传感器
一般指能够感知某种物理量（如电、光、磁等）、化 学量（如浓度、pH值等）、生物量（如细菌等）等的 信息，并将该信息转化为电信息的装置。
发酵工业用的传感器应满足的要求
1)传感器能经受高压蒸汽灭菌； 2)传感器及其二次仪表具有长期稳定性； 3)最好能在过程中随时校正； 4)探头材料不易老化，使用寿命长； 5)探头安装使用和维修方便； 6)解决探头敏感部位被物料(反应液)粘住、堵塞问题； 7)价格合理，便于推广应用。
二次仪表显示 记录、数据分析
电子计算机 处理
发酵过程控制
发酵过程的参数测量形式
就地信号系统：对发酵过程不发生影响，如pH值、 DO、罐压等；
在线测量系统：利用连续的取样系统与相关的分析器 联接，取得测量信号，如微孔氟塑料管扩散的培养液挥 发成分分析系统；
离线测量系统：在一定时间内离散取样，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。
积累消耗量 酸、碱 消沫剂 细胞量 气泡含量 气泡表面积 表面张力
物理参数
参数名称 单位 测试方法
意义、主要作用
温度 罐压 空气流量 搅拌转速 搅拌功率 粘度 浊度 泡沫 体积氧传质 系数KLα
ºC Pa V/V.min R/min KW Pa.s 透光度
l/h
传感器 维持生长、合成
压力表 维持正压、增加溶氧
毛细管黏度计 回转式黏度计 涡轮旋转黏度计
1）毛细管黏度计
由一根开口的毛细管与受压贮筒相连，毛细管的半径R与 长度L均要十分精确计算，整个系统处于恒温状态。
被测物料置于贮筒中，在恒定压差ΔP下，使料液从毛细 管排出，其流量为Q，根据Hagen-Poiseuille方程，则：
剪应力τ = ΔP●R/ZL
测速发电机是安装在搅拌轴或 电动机上的小型发电机，它的 输出电压与转速之间有良好的 线形对应关系。
现在大型发酵罐可采用变频控制器来调节交流电动机的转速。
小型机械搅拌式发酵罐的搅拌转速都是可调的。
2）搅拌功率的测量
在设备和操作条件固定的情况下，搅拌功率随着发酵液 性质的不同而发生变化（如菌丝浓度、黏度、泡沫等） 。也可作为发酵工艺正常与否的判断依据。
6பைடு நூலகம்料液计量和液位控制
发酵深层培养中，往往通过补料达到控制发酵的目的 ，如流加碳源、氮源和调节pH值、消沫剂、前体等。 料液计量可反映发酵过程水分蒸发量、营养物利用、 菌体生长和菌体自溶等变化； 流加量和发酵罐中料液量的精确计量，在发酵过程控 制和动力学研究上具有重要意义。
料液计量方法
压差法 直接重量测量法 体积计量法 流量计计量法 液位探针
影响测量的因素：
1）发酵液菌丝团或培养基颗粒较大时，容易产生凝聚 或成珠现象，干扰读数； 2）发酵液中蛋白质在圆筒内壁或转子外壁结成膜； 3）发酵液易于沉降、分层、形成非均匀流体使毛细管 和回转式黏度计测量无法进行。
3）涡轮旋转黏度计
工业上100mm叶径的标准式涡轮搅拌器: 用3L容积的 大烧杯作容器，安装同步电机以挠性轴带动旋转，并 与旋转式黏度计的转矩指示器系统相连，直接读数。 根据非牛顿流体在搅拌条件下剪切率与转速的比例关 系，取得剪应力和剪切率数据。
3）体积计量法 以恒定的流速、或以单位时间中体积量的累计来计算 投入发酵罐中各种营养物的量。 通过泵或阀门实现。
4）流量计计量法
通过液体质量流量计实现
5）液位探针
电触点探针（最常用的泡沫检测装置）：
当泡沫产生使液面上升至电触点时，导通，使控制器发 出消沫信号，控制消沫剂的加入；
飞溅或短暂的泡沫在电极表面的架桥现象产生的假信号 会造成误动作；
l
不平衡电桥输出的电势E计算式
E＝bcM
b:系数；
c: 介质比热容； M：质量流量。
T
T1m
T2m
随流量变化的温度分布
5、罐压测量
维持一定罐压，是防止杂菌污染的重要措施； 对O2、CO2的影响
罐压测量除最常用的就地指示外，也可将压力信号转 变为电信号远传。
压力转换器：电阻式、电感式、电容式和半导体式等 。
KLα ∝ （N/V）0.95
N：功率消耗(kW)，用功率表测量；V：发酵液体积(L)
常用功率表来测量电动机的进线速度，但由于减速机构的 能耗、机械磨损等原因，容易造成较大误差。 较精确方法：电机反转矩测定法、轴功率和应片法。
4、空气流量测定
深层培养中，通入无菌空气，供应氧气、提高KLα及排 出废气。
剪切率du/dγ =
C=
dlogπ4RQ3 dlogΔP●R3
2l
C+3 4
(
π4RQ3)
表观黏度μa ：剪应力与剪切率之比 μa ＝ τ/γ
2）回转式黏度计 同轴圆柱型黏度计 锥体平板型黏度计
同轴圆柱型黏度计： 将发酵液置于不同长的同轴圆柱体之间，其中之一作
不同转速的转动时，另一圆柱上的转矩可被测量，这种 转矩随转速的变化，可以被转化成剪应力和剪应变之间 的关系，从而了解发酵液的流变特性。
二次仪表：
不同型号的热电阻须配置不同的二次仪表。
除考虑测量温度范围外，还要考虑消毒灭菌时的 温度显示，一般选用0－150 ºC
2、生物热测量
生物热多属于“微热量”的测量范畴，须使用“微热量”测 量仪
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q显－Q辐射
Q生物=Q+ Q蒸发+ Q辐射+ Q显- Q搅拌+CdT/dt
发酵过程微生物的生长代谢是动态变化过程； 发酵系统是开放系统； 过程检测的只是环境中状态或操作量的变化值； 发酵参数可以正确的反映发酵条件和代谢的变化。 根据参数的性质特点可分为：物理参数、化学参数及 间接参数。
发酵过程的参数测量 物理参数、化学参数、间接参数 非电量信号 传感器 检测系统 电量信号的变化
测压点和控制点选择应考虑的因素：
1）防止染菌：尽可能选用与发酵罐隔离的硅油不锈 钢膜片传压系统，安装时，避免压力敏感膜、控制 阀门及与发酵罐之间的死角，以防培养液中固形物 堆积，影响蒸汽灭菌效果；
2）如无硅油隔离装置，为避免杂菌污染，测压点与 控制点要远离发酵罐；
3）注意气源波动对压力的影响。小型发酵罐，可采 用减压稳压阀稳压。
1）压差法 利用发酵罐中，上下两点或三点不同压力的大小，计 量出料液的量和它们的视密度。 测量易受通气量和搅拌转速的影响。
培养液的视密度r,
r=ΔP1/ ΔH ΔP1 ：B、C点的压差；ΔH：B、C点间的距离。
压差变送器的传感元件一般是根据力矩平衡原理，把 被测压差通过弹性敏感元件（膜盒或膜片）转换成作 用于主杠杆的力位移检测片的移动，然后通过位移检 测器和电子线路放大后，得到需要的电信号。
b) 转子流量计 把转子的位移通过差动变速器实现流量与电流之间的 转换。 多用于中试和实验室发酵罐的空气流量的指示。
2）质量流量型
a) 根据流体的固有性质，如质量、电磁感应性、离子 化、热传导性能等设计的流量计。
b) 根据气体的热传导性能测量气体流量； 具有无能耗损失、不受温度和压力变化影响、可直 接读出气体质量流量的特点。
微热量测量装置
1）绝热量热计：尽可能把微生物发酵罐与外界隔绝， 以减少热量的损失所造成的测量误差的装置。 2）热流量热计：使热量沿着一定的途径流到一个冷阱 （或热源）中去，计算所传过的热量速率进行计算。 3）流通式量热计：把器内的培养液与器外的培养液进 行交换，试剂或样品的加入在量热器外进行，而不致影 响量热器的测量。
同心孔板压差式流量计
体积流量型
空气流量计
转子流量计
质量流量型
1）体积流量型：
根据流体动能的转换以及流体类型的改变而设计
a)同心孔板压差式流量计 原理：由节流产生压差，用压差变送器加以检测，再 转换成电信号或气压标准信号送到调节器或显示仪表。 一般用于>500L的大中型发酵罐。 已有标准的设计和制造规范。
嵌入式计算机
传感器选用原则
主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确 度、测量方式等6个方面的问题。
1) 灵敏度
一般说来，传感器灵敏度越高越好，但灵敏度的确定要 考虑以下几个问题。
a)灵敏度过高引起的干扰问题； b)量程范围; c)交叉灵敏度问题。
2) 响应特性
指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。 传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但延迟的时 间越短越好。