生化工程主要参数检测与控制方法

学院：药学系

班级：09级临床药学班

姓名：张德群

学号：6303009023

生化工程参数检测与控制系统

一、简介

1、作用和意义：

1)最基本的第一手资料；

2)过程稳定地、可控制地进行；

3)生化工程优化与放大的基础；

4)反映分子水平、细胞水平和工程水平问题——参数的相关分析，多尺度问题；

5)对象特性的研究——模块化、模型化、代谢流分析等；

计算机在发酵工程中的应用与推广起步较晚，这主要有以下几个原因：

1)生化反应过程的内在机理复杂，很难采用计算机实时控制技术对过程进行有效的仿

真和控制。

2)缺乏在线测量发酵过程关键参数手段，如菌体浓度、基质和产物浓度、以及反映菌

体生理生化特性的在线检测技术。

3)由于微生物反应过程的复杂性，以及菌体细胞对环境因子的高度敏感性，很难用合

适的数学模型对生化过程进行描述。

4)由此而产生的发酵过程控制理论和方法的不完善，影响了计算机控制技术的推广应

用。

5)发酵过程生产一般规模较小（与石油化工及大化工生产相比），计算机投资费用比例

较高，不得不保守考虑。

2、数据采集系统基本组成：

1)参数检测仪表

2)计算机硬件及其外围系统

3)计算机数据采集和控制软件包

3、一些需要注意的问题

1)在生物反应器多尺度系统中，以参数相关为主要内容的跨尺度观察和操作是过程优

化的关键步骤，这种相关主要是在多参数时间趋势曲线之间的关系中表现出来。由这些趋势曲线可以看出检测参数的多样性、时变性、相关耦合性和不确定性，因而在传感器系统配置、精度与漂移要求、以及应用软件设计上都应注意协调性和整体目标性。

2)以信息流、物质流、能量流或者代谢流为核心的研究与观察是发酵过程优化的基本

出发点，必需通过实验测定资料才能有效分析，但是由于测定技术的局限性，造成研究数据的匮乏。因此，除不断探索新的测量原理的传感技术应用外，也注意到在

现有测量技术基础上加强软测量技术的开发和应用。此外，除了一些常规的离线实验室手工测定参数以外，细胞形态特性、胞内代谢途径中的酶活测定、基因表达的活性调控蛋白的测定以及RNA、DNA物质测定，应作为离线数据的重要内容通过数据采集系统进行相关分析。

3)在软测量技术中，除了一些代表菌体细胞生理活性或反应器工程特性的间接参数以

外，采用代谢流分配的化学计量法，在现有的在线测量数据和实验室离线测量数据基础上实现跨尺度的元素平衡算是重要的内容。因此对数据采集系统的参数传感技术、实验室手工测定项目以及软件设计具有严密性和接近实时系统的时序连贯性，既可用于定性观察，也可进一步用于定量分析。

4)在数据采集系统中还必需注意不同尺度范围内响应的时尺度问题，例如把生物过程

中“典型的时间常数”常被错误地预期为等同于培养的整个持续时间，由此而造成错误的研究结果。因此，必需对生物过程的不同的时尺度进行分祈，根据不同要求配置测量系统的硬计和软件。

二、生化工程参数的分类

1、物理参数：

例如：温度、压力、转速、流量、液位

2、化学参数

例如：pH、DO、EO2、ECO2、代谢物浓度

3、间接参数

例如：OUR、CER、RQ、KLa

三、生化工程参数检测传感器分类

1、非电量信号：

有源传感器：按照能量变换原理，将各种非电量能源转换为电能。

2、电量信号：

无源传感器：按能量控制（或调节）原理，通过各种非电量来控制、调节电能。

表1 生化工程参数检测传感器分类

四、检测仪表的品质指标

变送器——将非标准的电量信号转换为标准信号 1、精度=(测量值-标准值)/仪表量程*100%

2、重现性、变差=最大绝对差值/仪表量程*100%

3、灵敏度=仪表输出变化/引起变化的被测参数变化

4、长时间的稳定性=稳定性=绝对漂移/仪表量程*100%

5、响应时间=仪表达到参数变化值63.2%所需的时间T

6、坚固性=在各种恶劣环境下使用，上述品质指标的变化

五、控制基本原理

1、生化过程中两种常用的控制系统： A 开环控制系统 补料

B 闭环控制系统 反馈表现为过程的输出又反过来影响过程 温度、pH

2、调节对象特性

放大系数：

K=输出量的变化/输入量（控制机构）的变化 时间常数T ：

对象受到扰动后，达到新的稳定值所需时间。 滞后时间τ：

被控参数的变化落后于干扰 纯滞后（传递滞后）、容量滞后、容量系数、自衡对象与无自衡对象

3、常用控制规律

二位式控制：

例如小型发酵罐温度、pH 控制、等幅震荡、简单、控制品质差 带死区——降低开关频率——可调节占空比的二位式控制 t 占=p*e

PID 控制：

例如大型发酵罐温度、pH 、罐压控制 P ——比例控制 I ——积分控制 D ——微分控制 串级控制： DO-转速串级控制

被控图2 闭环控制系统

设定值 + 偏差

图3 串级控制系统

4、计算机控制系统的运用

a 数据采集：

改善数据测量的精度和可靠性数字统计滤波自动标定

增加传感系统数量种类增加数字计算、降低经济费用数据的保存

b 数据的处理和分析：

间接参数物料衡算工艺优化与放大

c 过程控制：

常规模拟控制仪表与计算机控制系统结合：

程序控制(SPC, Stored Program Control)

微处理机与计算机控制系统结合：

直接数字控制(DDC, Direct Digital Control ) 集散型计算机控制系统(DCS)

d 模型建立与最优化：

数学模型的建立：

动力学模型、化学计量学模型

最优化控制：

静态最优化、动态最优化

e 自适应控制和系统识别：

过程的确定性，数学模型结构和参数的确定性？需要一个具有适应能力的系统，修正控制规律——自适应控制。

保证系统运行稳定、参考模型自适应控制系统

依据某一性能指标最优化的具有对象数学模型在线识别的自适应控制系统

f 大系统的多级递阶控制：

大规模控制系统——系统工程，不仅具有自动控制功能，而且还有管理能力，实现整个系统的最优化。

小系统的小局部最优化、大系统的总体最优化

图4 过程控制级别