发酵罐温度串级控制系统概述

一、被控对象工作原理及结构特点等发酵工程是应用生物（主要是微生物）为工业大规模生产服务的一门工程技术，也称微生物工程。

发酵工程是包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。

现代发酵工程不但应用于生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且还可以生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。

发酵反应器（发酵罐）是发酵企业中最重要的设备。

发酵罐式必须具有适宜于微生物生长和形成产物的各种条件，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高产量。

例如，发酵罐的结构应尽可能简单，便于灭菌和清洗；循环冷却装置维持适宜的培养温度；由于发酵时采用的菌种不同、产物不同或发酵类型不同，培养或发酵条件又各有不同，还要根据发酵工程的特点和要求来设计和选择发酵罐的类型和结构。

通风发酵设备要将空气不断通入发酵液中，供给微生物所需的氧，气泡越小，气泡的表面积越大，氧的溶解速率越快，氧的利用率也越高，产品的产率就越高。

通风发酵罐有鼓泡式、气升式、机械搅拌式、溢流喷射自吸式等多种类型。

机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂常用的类型之一，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和賿液充分混合促使氧在賿液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气，同时强化热量传递。

无论是微生物发酵、酶催化或动物植物细胞培养的微生物工程工厂都应用此类设备，占目前发酵罐总数的70%～80%，常用语抗生素、氨基酸、有机酸和酶的发酵生产。

机械搅拌通风发酵罐是属于一种搅拌釜式反应器，除用作化学反应和生物反应器外搅拌反应器还大量用于混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸传热等操作。

搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。

加班容器包括筒体、换热原件及内构件、搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。

1.1温度对发酵的影响微生物药品发酵所用的菌体绝大多数十中温菌，如丝状真菌、放线菌和一般细菌。

它们的最适生长温度一般在20～40摄氏度。

在发酵过程中，应维持适当温度，以使微生物生长代谢顺利进行。

由于微生物的种类不同，所具有的酶系及其性质也不同，因此所要求的温度也不同，如细菌的生长温度大多比霉菌高。

有些微生物在生长、繁殖和合成代谢产物等各个阶段的最适温度是不同的。

因此，要想获得最高的发酵单位，在发酵的各个阶段要调整发酵温度。

处于迟缓期的菌体对温度十分敏感，因此，最好在其最适生长温度范围内对其进行培养，这样可以缩短延滞期和包子萌发时间。

通常情况下，在最适温度范围内提高对数生长期的温度，有利于菌体的生长。

例如，提高枯草杆菌前期的最适温度，对该菌的生长产生了明显的促进作用。

温度变化对发酵过程可产生两方面的影响：一方面是影响各种酶反应的速率和蛋白质的）性质；另一方面是影响发酵液的物理性质。

温度对化学反应速度的影响常用温度系数（Q10（每增加10摄氏度，化学反应速度增加的倍数）来表示，在不同温度范围内，Q的数值是不10同的，一般是2～3，而酶反应速度与温度变化的关系也完全符合此规律，也就是说，在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的催化活力就下降。

温度对菌体生长的酶反应和代谢产物合成的酶反应的影响往往是不同的。

1.2发酵热的产生发酵热的产生是产生热能的散失热能的综合结果，是引起发酵温度变化的原因。

发酵过程中产生的净热量称为发酵热。

发酵过程中的菌体对培养基德利用，氧化分解有机物质，机械搅拌，发酵罐壁向外散热，水分蒸发等都会产生热量交换，综合起来就是发酵热。

现将这些产热和放热的因素分述如下。

1.生物热产生菌在生长繁殖过程中产生的热量，称为生物热。

这些产生的生物热一部分用来合成高能化合物，供微生物合成和代谢活动需要，一部分用来合成代谢产物，其余部分已热量形式，散发出来。

生物热的大小随培养基成分和菌种的变化而变化；随培养时间的不同而不同；与菌体的呼吸强度有对应关系，呼吸强度越大产生的生物热越大。

2.搅拌热搅拌器转动锁引起的液体之间、液体与设备之间的摩擦所产生的热量，即搅拌热。

3.蒸发热空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，引起水分蒸发所需的热能，称为蒸发热。

这部分热量在发酵过程中先以蒸汽形式散发到发酵罐液面，再由排气管带走。

4.辐射热由于管外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向大气辐射的能量，即辐射热。

辐射热的大小取决于罐内外温度差。

发酵热在整个发酵过程中随时间而变化，引起发酵温度发生波动，为了使发酵能在一定温度下进行，一定要控制发酵温度。

1.3发酵罐的动态数学模型机械搅拌通风发酵罐的动态数学模型与基本的化学反应器的动态数学模型基本一样，所以在此将以如图1所示的非绝热连续搅拌釜式液相反应器为例，来说明反应器激励模型的建模思路。

图 1 发酵罐反应器（1）基本动态方程式（1）基本假设①两侧流体均呈活塞流状流动，无轴向混合；②径向热传导可用集中参数表示，即同一截面上各点温度相同；③传热系数U和比热Ca、Cb恒定不变；④管壁热容忽略不计；⑤外部绝热良好，即不考虑热损失。

（2）系统基本方程式的建立对内管流体A列写微元dτ的热量衡算式：(,)[(,)(,)](,)(,)(,)∂=-+∂∂⎡⎤-+⎢⎥∂⎣⎦Aa a B A a a AAa a AT tM C d UAd T t T t C T ttT tC T t dτττττωττωτττ式中：同理可得外管流体B 的热量衡算式： 式中：（2）偏微分方程的求解：在化工过程中，有很多典型操作单元如套管式和列管式换热器、填充式精馏塔和吸收塔、管式和固定床式反应器等都属于分布参数对象，它们的动态方程为偏微分方程。

偏微分方程的求解方法主要有传递函数法、分段集总化处理方法、正交配置法和数值解法。

对于较简单的（自变量不大于两个，线性定常）偏微分方程，一般可以通过传递函数法求解。

①首先进行由时间域t 到复域S 的拉氏变换，在TA 、TB 取增量形式时，初始条件为0，由式可得：②进行由距离域τ到复域Ｐ的拉氏变换，边界条件如下：11(,)(,)[(,)(,)]∂∂⇒+=-∂∂A A B A T t T t T a T t T t t τττττ11==a a a a M UA T a C ωω22(,)(,)[(,)(,)]∂∂+=-∂∂B B A B T t T t T a T t T t t τττττ22==bbb bM UAT a C ωω1122(,)(,)[(,)(,)](,)(,)[(,)(,)]+=-+=-A A B A B B A B dT S T ST S a T S T S d dT S T ST S a T S T S d ττττττττττ01100110(,)()(,)()(,)()(,)()========A A A A B B B B T S T S T S T S T S T S T S T S ττττττττ111212(,)(,)()[(,)(,)](,)(,)()[(,)(,)]+-=-+-=-A A A B A B B B A B T ST P S PT P S T S a T P S T P S T ST P S PT P S T S a T P S T P S令AP=(Φ1-Φ2)2+4a1a2，则式(4.42)右端分母可写为：（2）.非线性模型的线性化 有此整理得被控对象传函为：111()1psP P P K e G s T s τ=+；222()1D D D K G s T s =+ 二、控制方案设计2.1被控变量和控制变量的选择1.被控变量的选择如前面所说，温度对化学反应速度的影响常用温度系数（Q 10）（每增加10摄氏度，化学反应速度增加的倍数）来表示，在不同温度范围内，Q 10的数值是不同的，一般是2～3，而酶反应速度与温度变化的关系也完全符合此规律。

而机械搅拌通风发酵罐是一种通用化学反应器，所以把化学反应器的普遍特性来代表发酵罐的特性。

化学反应器的控制指标主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等，用这些变量直接作为被控变量，反应要求就能够直接得到保证。

但是，这些指标大多数是综合性指标，还是无法测量。

有些是成分指标，也缺少测量手段，或者测量滞后大、精度差，不宜作为被控变量。

目前，化学反应器的过程控制中，由于温度和上述指标关系密切，又容易测量，所以大多用温度作为反应器控制中的被控变量。

2.操纵变量的选择温度作为反应质量的控制指标是有一定条件的，只有在其他许多参数不变的条件下，才能2121212222221212121212122212()22422442+Φ+Φ+ΦΦ-Φ+ΦΦ+Φ+ΦΦΦ+Φ-ΦΦ+=+⨯+-Φ+Φ⎛⎫=+- ⎪⎝⎭P P a a a a P PP 2110101212()sinh 2()()()()2sinh(⎤+Φ-Φ⎥⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦+Φ-Φ⎣A A B B a T S T S T S T S a正确地反映反应情况。

因此，在温度作为反应器控制指标时，要尽可能保证物料量、进料浓度等其他参数的恒定。

所以选择冷却剂流量为操纵变量。

2.2控制方案在保证物料量、进料浓度等其他参数一定的条件下，发酵罐内温度作为主被控变量，发酵罐的夹套温度为副被控变量，冷却剂流量为操纵变量，组建一控制系统，控制系统流程图如下。

图2系统控制流程图2.3现场仪表选型1.测温元件及变送器被控温度在100℃以下，选用代号为WZC,分度号为Cu100铜电阻温度计，量程为-50～150℃，并配用DDZ —Ⅲ型热电阻温度变送器，信号为DC4～20mA 或DC1～5V ，温度测量环节可用以下的一阶环节来近似1)(1+=s T K s G TT ，(惯性环节)式中，TM K 与测量仪表的量程有关；测量环节的时间常数1T =1min ，仪表经输出归一后均为0～100％，。

因而有=--=minmax min,max ,Q Q Q Q K M M T 1％/℃，式中，max ,M Q 和min ,M Q 分别为测量仪表输出信号的上下限；max Q 和min Q 分别为测量仪表 量程的上下限。

2.执行器根据工艺要求安全考虑，执行器选DDZ —Ⅲ型电动调节阀，假设调节阀为近似线性阀，其动态滞后忽略不计，而且，V V V K s u s f s G ==)()()(，式中，为调节阀的流通面积，通常在一定范围内变，这里假设=（0.5～1.0）％/％(即控制器的输出变化1％，调节阀的相对流通面积变化0.5％～1.0％)。

三、系统仿真及参数整定3.1控制系统方框图图3控制系统方框图图中，Tsp 为温度给定值，TC 为温度控制器，FC 为流量控制器，GV 为调节阀传递函数，GP2为流量对象传递函数，Gp1为温度对象传递函数，Gqm 为流量计传递函数，GTM 为温度检测环节传递函数，Gd2为副回路干扰传递函数，Gd1为主回路干扰传递函数。