第12章_发酵过程的检测——【发酵工程 精】

(8) 特异性 指传感器只与被测变量反应，而不受过程中其
他变量和周围环境条件变化影响的能力。影响特 异性的因素除传感器本身外, 还有对传感器信号 的干扰如电噪声等。
(9) 可维修性 指的是传感器发生故障或失效后进行修
理和校准的可能性及难易程度。这对于任何 传感器来说都是非常重要的，除非那种一次 性使用的产品。
第九章 发酵过程中理化参数的检测
主要内容
第一节 概述 第二节 物理参数检测 第三节 物理化学参数检测 第四节 生物学与生物化学参数检测 第五节 生物传感器
第一节 概述 一、发酵过程检测的意义
工业生产中的机械化和自动化是实现高产优质、改善劳动 条件、保障生产安全和降低生产成本的一项重要措施。 发酵过程复杂，要求严格，在生产中应尽可能采用有关检 测及显示仪表以指示或记录生产中有关参数并通过调节器 和执行机构对生产中有关参数进行自动控制或调节，使生 产过程能在规定条件或最适条件下进行。
定。 如用于对发酵液成分进行测定的流动注射分析
(FIA)系统和高效液相层析(HPLC)系统；对尾气成 分进行测定的气体分析仪或质谱仪
3) 原位传感器 传感器安装在发酵罐内，直接与发酵液接触，给
出连续响应信号，如温度、压力、pH、溶氧等的测 量。
在线传感器和原位传感器统称为在线传感器，以 区别于离线传感器。它们给出的信号不受操作者干 预, 可直接输入计算机，并作为控制回路的一部分， 直接为发酵过程控制服务。
小变化值。对于模拟量, 它主要是一个刻度 的观察问题; 对于数字量, 是有意义的最小 数字的单位变化。 (6) 灵敏度
对灵敏度有各种各样的描述方式, 一般指 的是传感器所能反应的最小测量单位。
(7) 测量范围 传感器所能感受的最大值与最小值之差。
但在实际应用中，一般只取测量范围的一部 分, 称为设计跨度。如电阻温度计测量范围 是：-200～+ 850℃, 但在发酵工业中的设计 跨度为： 0～150℃或0～50℃。
(10) 发酵过程对传感器的特殊要求 传感器与发酵液直接接触，因而首先面临灭菌 问题。 一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽 灭菌, 这对于大部分物理和物理化学传感器来说都 没有问题, 但有的传感器(如pH和溶氧)传感器在灭 菌后需要重新校准。 不能耐受蒸汽灭菌的传感器可在罐外用其他方 法灭菌后无菌装入。
4、发酵用传感器的分类
（1）按测量方式分为 1) 离线传感器传感器：不安装在发酵罐内, 由人
工取样进行手动或自动测量操作,测量数据通过人机 对话输入计算机。
这种传感器不能直接作为控制回路的一部分, 但 测量精度一般较高, 可用来对同类在线传感器进行校 准。
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2) 在线传感器传感器 与自动取样系统相连, 对过程变量连续、自动测
(1) 可靠性 这是传感器最重要的特性, 它包括物理强度、出
现故障的频率及故障发生的方式。 提高传感器的可靠性可通过最佳工程实践来
达到。首先要有一个好的设计, 其次要有适当的规格, 同时要按生产厂的要求安装和维护
(2) 准确性 指测量值与己知值或实际值之差的量度，
或称之为误差。一般以一段时间内(一批或一 天)测量指示值的平均值与己知值之差或测量 指示值与已知值之间的标准差表示。为了提高 测量的准确性, 传感器必须定期(每天或每批) 进行校准。
五、目前发酵过程所用的主要传感器
1、温度传感器； 2、pH传感器； 3、溶氧探头； 4、溶二氧化碳； 5、氧化还原电位； 6、消泡探头； 7、补料探头。
六、目前发酵过程所用的传感器现状
由于生物反应过程的复杂性，使得发酵工业生产过程的 监控比其它行业落后。 其原因：传感器不足或质量不过关。有许多重要的物性 参数，如菌体浓度及某些基质浓度至今仍无合适的传感器可 供使用。 因此，要使发酵工程现代化，改进和推广应用现有的传 感器，开发新的可靠、适用的传感器是至关重要的。
1、物理测定：温度、压力、体积、空气流量、搅拌转速、培 养基的粘度等; 2、物理化学测定：pH值、溶氧浓度、溶二氧化碳浓度、氧化 还原电位等 3、化学测定：培养基基质、前体物质、产物等的浓度； 4、生物学及生物化学测定：生物量、细胞形态、酶活性、胞 内成分等。
三、发酵过程检测仪器：传感器
传感器又称探测器或变换器，是利用物理、化学和生 物学某些效应和原理，按照一定制造工艺研制出来和获取信 息的器件 。 它不受环境的影响。
2、发酵用传感器的组成：
传感器一般有两个组成部分： 其一是识别元件(感受器)； 其二是信号转换器(换能器)，主要为电化学或光学检测 元件。 当待测物与识别元件结触后，所产生的复合物(或光、热 等)通过信号转换器转变为可以输出的电信号、光信号等， 从而达到分析监测目的 .
3、发酵过程对传感器的要求
发酵过程的检测具有以下六方面意义： 1、了解发酵过程变量变化是否与预期目标值相符合； 2、决定种子罐的移种和发酵罐的放罐时间； 3、对不可测变量进行间接估计； 4、对发酵过程变量，按给定值进行动控制或自动控制； 5、通过过程模型实施计算机控制； 6、收集所需实验数据。
二、发酵过程的检测的主要内容
(3) 精确度 指重复测量的概率,它受测量方法、所用
仪器、操作人员、实验室条件等因素的影响, 一般以实际值不发生变化的某一段时间内测 量指示值的标准差来表示。 (4) 响应时间
在测量位点, 指示值与真值之间显示的时 间有滞后现象, 它是由于反应滞后与传递滞后 所造成。
(5) 分辨能力 又称识别能力, 是指测量中所能分辨的最
工作原理
将所感受到的物理量转换成便于测量的量 （一般是电学量）。
物理量等 非电量
敏感元件
传感元件
信号调节 转换电路
输出
记录，显示，执行机构等
传感器工作原理图
传感器的分类 一般可分为: 光敏、热敏、声音（话筒）、
力学、电磁、生物等类元件。
四、发酵用传感器 1、发酵用传感器的作用：
将发酵过程变量变化的信息, 通过罐内的传感 器检知, 然后由变送器把非电信号转换为标准电信 号, 让仪表显示、记录或传送给电子计算机进行处 理，可达到对发酵过程自动控制。