发酵罐温度控制系统讲解
关于发酵罐的控制系统
关于发酵罐的控制系统关于发酵罐的控制系统一 参数控制参数控制1温度控制a 信号输入为4-20mA 电流,对应输出为0-150℃温度℃温度b 输出温度需通过校对调整，输出温度需通过校对调整，可编在程序内，可编在程序内，可编在程序内，也可以做个人机界面，也可以做个人机界面，也可以做个人机界面，使用人调整使用人调整（a+bx ）c 工作温度设定，通过人机界面由使用人输入工作温度设定，通过人机界面由使用人输入d 控制温度设定，分上限和下限，可采用工作温度加偏差温度（如0.5℃、1℃等）由使用人设定，也可以采用直接的温度值由使用人设定，也可以以0.50.5℃的偏℃的偏差直接写入程序差直接写入程序e 控制方式：控制方式：低于下限温度自动启动加热，低于下限温度自动启动加热，低于下限温度自动启动加热，高于上限温度自动启动冷却；高于上限温度自动启动冷却；高于上限温度自动启动冷却；加热和加热和冷却过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，冷却过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，参数为：参数为：参数为：加热时间加热时间加热时间（热水阀（热水阀开启的时间，范围0-5分钟）和加热间隔时间（可设置为两次加热的间隔时间，也可以设置为热水阀关闭的时间，可以0-10分钟，由于加热过程中，热水进入发酵罐夹套后，入发酵罐夹套后，发酵罐的温度上升要滞后一段时间，发酵罐的温度上升要滞后一段时间，发酵罐的温度上升要滞后一段时间，所以，所以，所以，关闭热水阀后要关闭热水阀后要等一段时间，避免频繁启动而温度波动过大；同理，冷却过程也需要设置“冷却时间”和“冷却间隔时间”却时间”和“冷却间隔时间”2 酸碱度（pH ）控制a 信号输入为4-20mA 电流,对应输出为0-14的pH 值b 输出pH 需通过校对调整，需通过人机界面，使用人调整（a+bx ）c pH 值设定，通过人机界面由使用人输入值设定，通过人机界面由使用人输入d 控制pH 值设定，分上限和下限，分上限和下限，可采用工作可采用工作pH 值加偏差pH 值（如0.1、0.2等）由使用人设定，也可以采用直接的pH 值由使用人设定，值由使用人设定，e 控制方式：低于下限pH 值自动启动加碱，高于上限温度自动启动加酸；加碱和加酸过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，和加酸过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，参数为：参数为：参数为：加碱时间加碱时间加碱时间（加碱（加碱蠕动泵开启的时间，蠕动泵开启的时间，范围范围0-5分钟）分钟）和加碱间隔时间和加碱间隔时间和加碱间隔时间（可设置为两次加碱的间（可设置为两次加碱的间隔时间，隔时间，也可以设置为加碱蠕动泵也可以设置为加碱蠕动泵也可以设置为加碱蠕动泵 关闭的时间，关闭的时间，可以可以0-10分钟，由于加碱过程中，氨水进入发酵罐后，发酵罐的pH 值上升要滞后一段时间，所以，关闭加碱蠕动泵后要等一段时间，避免频繁启动而pH 值波动过大；同理，加酸过程也需要设置“加酸时间”和“加酸间隔时间”程也需要设置“加酸时间”和“加酸间隔时间”3 溶氧值（Do ）控制a 信号输入为4-20mA 电流,对应输出为0-100的Do 值b 输出Do 需通过校对调整，需通过人机界面，使用人调整（a+bx ）c Do 值设定，通过人机界面由使用人输入值设定，通过人机界面由使用人输入d 控制Do 值设定，分上限和下限，可以采用直接的Do 值由使用人设定，值由使用人设定，e 搅拌电机的转速可设定为手动和自动，手动时由使用人通过人机界面直接输入，自动时则需要设定一个初始值和最低值，然后与溶氧（入，自动时则需要设定一个初始值和最低值，然后与溶氧（Do Do Do）相关联）相关联）相关联f 控制方式：低于下限Do 值自动启动搅拌电机加速，高于上限Do 值自动启动搅拌电机减速；加速和减速过程需分别由使用人通过人机界面设定参数，参数为：加速的速度值（范围可50转/分钟）和加速间隔时间（可设置为0-5分钟，由于加速过后，溶氧的提高要滞后一段时间，所以，关闭加速后要等一段时间，如Do 值符合要求则维持在调整后的转速工作，如Do 值仍偏低，则继续提高一档转速，直至达到最高转速，避免频繁启动而Do 值波动过大）；同理，减速过程也需要设置“减速的速度值”（也可以50转/分钟一档）和“减速间隔时间”，转速减到最低值就不再减速，转速减到最低值就不再减速4 消泡控制a 信号为开关量信号为开关量b 控制参数为自动状态下的消泡剂添加量（以毫升显示，实际对应为1毫升/秒种）和间隔时间（0-5分钟）分钟）c 控制方式为手动/自动切换，手动时钮子开关人工确定添加量，自动时控制蠕动泵的添加时间（添加量）和间隔时间，考虑消泡剂作用的滞后时间动泵的添加时间（添加量）和间隔时间，考虑消泡剂作用的滞后时间 5 补料控制补料控制全部为人工设定，设定参数两个：补料的时间（按绝对时间，即×月×日×时×分）和补料量（以毫升显示，按1毫升/秒种控制），每次可设定3个时间点（即每次进入补料的人机界面可预设定3次补料）次补料）二 报警报警报警可以直接写入报警值，每个参数设一个报警上限值和一个报警下限值报警可以直接写入报警值，每个参数设一个报警上限值和一个报警下限值 三 记录记录采用表格和曲线两种方式，查询和输出的时间段由使用人选择，表格的输出还需要使用人确定时间间隔，默认时间间隔为10分钟，消泡和补料控制不需要曲线输出要曲线输出。
发酵工艺控制(温度控制)
温度对发酵的影响及其调节控制是影响有机体生长繁殖最重要的因素之一，因为任何生物化学的酶促反应与温度变化有关的。温度对发酵的影响是多方面且错综复杂的，主要表现在对细胞生长、产物合成、发酵液的物理性质和生物合成方向等方面。
一、温度对发酵的影响
（一）、温度影响微生物细胞生长
随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。这是由于生长代谢以及繁殖都是酶参加的。根据酶促反应的动力学来看，温度升高，反应速度加快，呼吸强度增加，最终导致细胞生长繁殖加快。但随着温度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利的。
（二）、温度影响产物的生成量。
（三）、温度影响生物合成的方向。例如，在四环类抗生素发酵中，金色链丝菌能同时产生四环素和金霉素，在30℃时，它合成金霉素的能力较强。随着温度的提高，合成四环素的比例提高。当温度超过35℃时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。
I1、I2：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg（干空气）
4、 辐射热
由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%。辐射热的大小取决于罐内外的温差，受环境温度变化的影响，冬天影响大一些，夏季影响小些。
5、显热 （Q显）
S—温度上升速率(℃／h)。
四、最适温度的选择与发酵温度的控制
（一）温度的选择
最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。选择最适温度应该考虑微生物生长的最适温度和产物合成的最适温度。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。
在抗生素发酵中，细胞生长和代谢产物积累的最适温度往往不同。例如，青霉素产生菌生长的最适温度为30℃，但产生青霉素的最适温度是24．7℃。至于何时应该选择何种温度，则要看当时生长与生物合成哪一个是主要方面。在生长初期，抗生素还未开始合成，菌丝体浓度很低时，以促进菌丝体迅速生长繁殖为目的时，应该选择最适于菌丝体生长的温度。当菌丝体浓度达到一定程度，到了抗生素分泌期时，此时生物合成成为主要方面，就应该满足生物合成的最适温度，这样才能促进抗生素的大量合成。在乳酸发酵中也有这种情况，乳酸链球菌的最适生长温度是34℃，而产酸的最适温度不超过30℃。因此需要在不同的发酵阶段选择不同的最适温度。
发酵罐的操作及控制
发酵罐的操作及控制一、实验目的1、学习发酵过程中发酵控制、取样、流加等一般操作过程。
2、了解和学习自动发酵罐的操作过程和注意事项。
二、实验原理（一）发酵控制1、发酵温度的控制一般来说，接种后应适当提高培养温度，以利于孢子的萌发或加快微生物的生长、繁殖，而且此时发酵的温度大多数是上升的。
随着发酵液的温度逐渐上升，发酵液的温度应该控制在微生物的最适生长温度；到主发酵旺盛阶段温度的控制可比最适生长温度低些，即控制在微生物代谢产物合成的最适温度；到发酵的后期，温度出现下降的趋势，直至发酵成熟即可放罐。
工业发酵过程一般无须加热，因为释放的发酵热常常超过微生物的最适生长温度，所以需要冷却阶段较多。
通常是利用发酵罐的热交换装置进行降温（如采用夹套或蛇形管进行调温），冬季发酵时空气还需进行加热处理，以便维持发酵的正常温度。
2、发酵pH值控制首先应根据不同微生物的特性，不仅要控制原始培养基的pH值，而且在整个发酵过程中，必须随时检测pH值的变化情况，根据发酵过程中的pH值变化规律，选用适当的方法对pH值进行调节和控制。
3、提高溶解氧的措施控制溶解氧的工艺手段主要是从供氧和需氧两方面来考虑。
影响溶解氧效果的主要因素有：（1）通气流量（通风量）；（2）搅拌速度；（3）气体组分中的氧分压；（4）罐压；（5）温度；（6）培养基的物理性质等。
而影响需氧的则是菌体的生理特性，诸如不同菌龄的呼吸强度差别，基质加入时菌丝耗氧的增加等。
4、二氧化碳浓度控制CO2在发酵液中的浓度变化受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度；罐压大小、设备规模等。
对CO2浓度的控制主要看其对发酵的影响，如果对发酵有促进作用，应该提高其浓度；反之应设法降低其浓度。
5、泡沫的控制泡沫产生的原因：通气和搅拌、培养基成分、培养基的灭菌方法、培养液的温度、酸碱度、浓度等对发酵过程的泡沫形成也有一定的影响泡沫的消除和防止：了解发酵过程中泡沫的消长规律，方可有效的控制泡沫。
发酵罐温度单回路控制系统
1.概述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。
基于PLC的发酵罐温度控制系统
随着 生 物 技 术 的 不 断 发 展 ，发 酵 技 术 越 来 越
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｔ ｅ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓ ｆ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｃ ｎ ｒ１ ｈ ｆ ｒ ｎ ａｉｎ ａ ｋ ｅ ｅａ ｕ ｅ ｏ ｔｏ ｓ ｓｅ ｓｒ ｃ ： ｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｈ ｃ ａａ ｔｒｓｉ ｏ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｏ ｔｏ．Ｔ ｅ ｅ ｍｅ ｔｔ ｔｎ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｃ ｎ ｒｌ ｙ ｔｍ ｃ ｏ ｗ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ａ ｅ ｎ Ｓｅ ｎ Ｌ ２ ．Ｄｕ ｏ ｔ ｅ ｏ 一０ｆｖ ｌ ｅ ｉ ｒ ｅ ｏ ｆｃ ｌ ａｅ Ｐ Ｃ ２ ６ ｉ ｌ ｍｅ ｔ ｔ ｎ． ｅ ａ ｅ ｉ ｎ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｉｍｅ ｓ Ｐ Ｃ ２ ６ ｅ ｔ ｈ ｎ ｆ ａ ｖ 。 ｏ ｄ ｒ ｔ ａ ｉ ｔ ｔ Ｌ ２ ｍｐ ｅ ｎ ａｉ ｔ ｎ ｉ ｏ ｈ
模 块 。本 系统 于 ２ １ ０ １年 ８月 在 山 西卫 氏鱼康 实 业
有 限公 司投 入使 用 ， 经过一 段 时间运 行 ， 系统 运行 该 可靠 ． 完全 满足控 制 系统要 求 。
阀 调节 与调 节 阀相 比 ， 能够 控 制 热水 和 冷水 的大 不
小 ， 而不 易实 现温 度 的连 续调 节 。因此 ， 出基 于 从 提 模 糊 Ｐ Ｄ思 想 的双位 阀 温度 控制 方 法 过该 方 法 Ｉ 通
受 到 人们 的关 注 。发 酵 罐 是 生 物 制 品 的 主 要 生 产 场 所 『］发 酵过 程 中温 度 是其 最 重要 的参 数 ， 求 ｌ， － ２ 要 发酵罐 温度 保持 在 ２ ８℃～ Ｏｃ± ． ，如何 保 持发 ３ ０５℃ Ｉ 二 酵 罐 温 度稳 定 正 常 ，是 发 酵 过 程 中 的一 个 重 要 环 节 。 由于发 酵 过程 是周 期 性 的 ， 荷变 化 不 大且 不 负 剧烈 ， 发酵 罐容量 大 ， 因此 采用 双位 阀调节 。但 双位
发酵罐温度控制系统课程设计
专业课程设计报告题目：发酵罐温度控制课程：MATLAB学生姓名：任晨曦学生学号：1714010117年级：17级专业：自动化班级：1班指导教师：贾文晶机械与电气工程学院制2020年5月目录1、概述 (3)1.1温度对发酵的影响 (3)1.2发酵对温度的控制要求 (3)2、设计任务与要求 (4)2.1设计任务 (4)2.2设计要求 (4)3、控制方案设计 (5)3.1控制系统的选择 (5)3.2控制参数的选择 (5)3.3控制系统的方框图 (5)3.4调节规律的选择 (6)3.5调节器作用方式的选择 (7)4、simulink建模及仿真实验 (7)4.1Matlab简介 (7)4.2控制系统simulink建模 (7)4.2.1发酵罐温度数学模型的建立 (7)4.2.2执行器与温度检测变送器建立 (8)4.2.3主、副回路控制器建模 (8)4.3系统simulink仿真结果 (9)4.4系统优化及稳定性分析 (10)5、总结与体会 (10)六、参考文献 (11)1、概述1.1温度对发酵的影响微生物的生长繁殖及合成代谢产物都需要在合适的温度下才能进行。
温度的变化影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。
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。
温度能改变菌体合成代谢产物的方向。
并且发酵液的粘度、基质和氧气在发酵液中的溶解度和传递速率、某些机制的分解吸收速率等都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。
而温度的变化是发酵过程热能产生和散失的综合效应。
产生的因素有生物热、搅拌热，散热的因素有蒸发热、辐射热——向大气辐射的热、以及显热——水的蒸汽热和废弃因温度差异排放时所带走的热量。
1.2发酵对温度的控制要求开始可适当升高温度，以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖，待发酵温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长温度，到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低一些，既代谢产物合成的最适温度，到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。
400-名词术语-发酵罐温度的控制
发酵罐的温度控制
发酵罐的温度控制分为人工控制和自动控制。
人工控制是指操作人员根据发酵罐温度表的变化，随时开关冷带进口阀门控制冷媒进出量达到降温目的。
而自动控制是在发酵罐体适当高度处安装温度传感器，在冷带进口处安装电磁阀，并设定控温参数。
当测量值高于设定值时，说明罐温高需要降温，控制器发出开阀信号,发酵罐冷媒电磁阀打开,冷媒从发酵罐冷带低端进入环绕一圈从高端流出,此时冷媒在冷带的流动过程中,将罐内的热量带出;反之,当检测值低于设定值时,控制器发出关闭信号,发酵罐冷媒电磁阀关闭,冷带冷媒停止流动。
同时冷带与罐内物料的热交换停止。
原理图如图1。
图1 发酵罐温控系统图。
发酵罐的基本结构及功能
发酵罐的基本结构及功能
发酵罐是一种用于进行微生物发酵的设备，它由罐体、进出料口、排气装置、搅拌器、温度控制系统和pH控制系统等部件组成。
罐体通常由不锈钢制成，具有优异的耐腐蚀性和耐高温性能。
进出料口用于加入和取出材料，排气装置能够排出二氧化碳等发酵产生的气体，以保证发酵过程中的氧气不会被过多地消耗。
搅拌器则可以让混合材料均匀加热和混合，使微生物得到更好的生长条件。
温度控制系统和pH控制系统是非常重要的组成部分，它们可以确保发酵罐内环境的稳定性和适宜生长条件。
温度控制系统可以通过加热或冷却来控制发酵罐内部的温度，使微生物在适宜的温度范围内进行发酵。
pH控制系统可以调节发酵罐内的酸碱度，确保微生物能够在适宜的pH值下进行发酵。
发酵罐的主要功能是促进微生物的生长和发酵，生产出需要的发酵产物。
在实际应用中，它被广泛应用于食品、药品、生物质能等领域。
例如，发酵罐可以用来生产酸奶、酵母、酒精、酢酸、抗生素等产品。
在使用发酵罐时，还需要注意保持罐体内的清洁卫生，以免杂菌或病菌的污染影响生产效果。
此外，及时检查和更换罐体内的配件和维护系统，也是确保发酵罐正常运转和延长寿命的关键措施。
综上所述，发酵罐是进行微生物发酵的重要设备，它的基本结构和功能对于生产出优质发酵产品至关重要。
同时，在使用发酵罐的过程中，需要合理运用控制系统和注意卫生维护问题，以保证生产过程的顺利进行和更好地保护人的健康和安全。
发酵工艺的控制--温度
（一）温度对发酵的影响
微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌，如霉菌、 放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在20～ 40℃。 在发酵过程中，需要维持适当的温度，才能使菌体生 长和代谢产物的合成顺利进行。 温度会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的 合成方向，影响微生物的代谢调控机制。影响发酵液的 理化性质(对氧的溶解)，进而影响发酵的动力学特性和 产物的生物合成。
• 发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。
• ①生物热： • 定义：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热 量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被 分解为CO2,NH3时释放出的大量能量。 • 用途：合成高能化合物，供微生物生命代谢活动， 热能散发。 • 影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵 时期的不同而不同。一般，菌株对营养物质利用的 速率越大，培养基成分越丰富，生物热也就越大。 发酵旺盛期的生物热大于其他时间的生物热。生物 热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。 • 实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批 号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢 十分旺盛。
2. 温度的控制
工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释 放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。 利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中， 通过热交换来降温，保持恒温发酵。 如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，就可 采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立 冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。
• 四环素发酵中, • <30℃,产生金霉素 • 金色链霉菌 • > 35℃,只产生四环素
发酵罐工作原理
发酵罐工作原理
发酵罐是一种用于进行发酵过程的设备，其工作原理主要涉及温度、湿度和氧气等因素。
在发酵过程中，微生物通常是通过代谢来产生所需的产物。
以下是发酵罐的工作原理：
1. 控制温度：发酵罐内部的温度对微生物的生长和代谢过程至关重要。
因此，发酵罐通常配有温度控制系统，以确保罐内保持适宜的温度。
这可以通过加热或冷却罐内的介质来实现，以维持理想的温度范围。
2. 调节湿度：湿度是维持发酵过程中微生物正常生长和代谢所必需的。
因此，发酵罐通常具有湿度控制功能，以确保罐内的湿度处于适宜的范围内。
这可以通过增加或减少罐内的湿度源来实现，以满足微生物生长的要求。
3. 调节氧气供给：微生物在发酵过程中需要氧气进行代谢。
为了提供足够的氧气，发酵罐通常配有气体供给系统，以确保罐内保持适宜的氧气水平。
这可以通过通入空气或其他纯化的氧气源来实现，以满足微生物代谢的需求。
4. 混合和搅拌：发酵过程中，混合和搅拌是必要的，以保持罐内微生物和培养基的均匀分布。
发酵罐通常配有搅拌装置，以确保培养基中的微生物和营养物质均匀混合，并促进氧气的分散。
5. 监测和控制系统：为了确保发酵过程的稳定和控制，发酵罐通常配备监测和控制系统。
这些系统可以实时监测和记录发酵
过程中的温度、湿度、氧气和pH值等关键参数，并自动调节系统操作，以维持最佳条件。
总之，发酵罐通过控制温度、湿度和氧气等因素，为微生物的生长和代谢提供了合适的环境，并通过混合和搅拌来促进物料的均匀分布，以实现发酵过程的有效进行。
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题目：发酵罐温度控制系统设计课程设计（论文）任务及评语院（系）：教研室：Array注：成绩：平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算摘要本题要设计的是温度控制系统，发酵是放热反应的过程。
随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。
而温度对发酵过程具有多方面的影响。
因此，对发酵过程中的温度进行检测和控制就显得十分重要。
本课题设计了发酵罐温度控制系统，选择的传感器为Cu100，由于信号很小，所以就需要通过差动放大电路进行放大并且经过了滤波电路滤波，然后将处理后的电压信号经过V/I转换，输出4~20mA的电流信号，最后进行仿真分析以及参数的计算，以达到通过对冷水阀开度的控制对发酵罐温度控制的目的。
本系统应用温度控制系统，有助于提高发酵效率，有助于提高工厂产值，并且可以使资源得到更充分的作用。
关键词：温度控制；PID控制器；V/I转换；比较机构目录第1章绪论 (1)第2章课程设计的方案 (2)2.1 概述 (2)2.2 系统组成总体结构 (2)2.3 传感器选择 (2)第3章电路设计 (4)3.1 传感器电路 (4)3.2 比较机构电路 (7)3.3 PID调节器并联实现电路 (7)3.4 V/I转换电路 (8)3.5 直流稳压电源电路 (9)第4章仿真与分析 (10)4.1 传感器电路仿真 (10)4.2 PID控制器电路 (11)4.3 V/I转换电路 (12)第5章课程设计总结 (14)参考文献 (15)附录Ⅰ (16)附录Ⅱ (18)附录Ⅲ (20)第1章绪论在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
其中，温度控制也越来越重要。
在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉、发酵罐和锅炉中的温度进行检测和控制。
本次课设要求设计发酵罐的温度控制系统。
发酵是放热反应的过程。
随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。
而温度对发酵过程具有多方面的影响：它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，除这些直接影响外；温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度；基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率。
某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。
并且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、生物高分子等。
而发酵过程是酵母在一定的条件下，利用可发酵性物质而进行的正常生命活动。
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。
在发酵罐温度控制系统中应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器是工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。
采用PID算法进行温度控制，它具有控制精度高，能够克服容量滞后的特点，特别适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。
本次课设要求自行设计模拟式PID控制器，通过与前面传感器测定的发酵罐温度产生的电压信号进行比较，转换为输出时的4~20mA电流信号来对冷水阀门开度进行控制，采用冷水法对发酵罐进行降温，以达到对发酵罐温度进行控制的目的。
参数要求测定范围是30℃~50℃，测量精度为±0.5℃，以此作为对温度传感器的选择依据。
第2章 课程设计的方案2.1 概述本次设计主要是综合应用所学知识，并联系实际，设计模拟式PID 控制器（包括比较机构，即减法器），通过输出4~20mA 电流信号对冷水阀门开度进行控制，采用冷水降温法来控制发酵罐的温度。
2.2 系统组成总体结构图2.1 温度控制系统总框图如图2.1所示，本控制系统由传感器、比较机构、PID 控制器、执行机构和发酵罐五部分组成，通过比较机构，使设定标准温度与传感器通过检测反应罐内当前温度所产生的电压信号进行比较，然后将比较结果输入PID 调节器内，通过输出4~20mA 的电流信号来控制冷水阀门的开度，通过冷水降温以达到控制发酵罐温度的目的。
2.3 传感器选择本次课设对传感器的测温要求为30℃~50℃，测量精度要求±0.5℃，而本温度控制系统选用的是Cu100热电阻，Cu100参数如下： 测温范围：-50℃~150℃；精度为0.1℃~0.3℃；电阻比（100℃）：1.428电阻变化范围：78.6Ω~164.27Ω并且其具有良好的线性，经济适用性好等优点，Cu100的参数都很好的满足了本次课设的要求，因此我们选用Cu100作为本温度控制系统的敏感元件。
第3章电路设计3.1传感器电路图3.1 传感器电路传感器电路由前面的三线制电桥电路和后面的差动放大电路和二阶低通滤波电路构成，而电桥电路中的电位器是我们所选用的热电阻Cu100的替代品。
可以通过使电阻变化，模拟温度的变化。
传感器电路的作用：首先，通过电桥电路将发酵罐温度转换为微弱的电压信号；然后，通过差动低通滤波电路，将电桥输出的微弱的电压信号进行放大、滤波，最后将其输入到比较机构。
3.1.1三线制电桥电路电路图如下图所示，本电桥电路采用的是热电阻的三线制接法，因为三线制有线路电阻补偿，可以消除引线电阻的影响，测量精度高于2线制，并且成本低廉。
图3.2 热电阻三线制接法电路其中其它三个桥臂的电阻应与热电阻为0℃时的电阻相同（忽略导线电阻），这时电桥的输出电压为0V ，所以选为100Ω，而Cu100的测温范围是-50℃~150℃，根据公式：()t R R O α+=1t （3^10*28.4~3^10*25.4--=∂） （3-1）我们可以算出Cu100的电阻变化范围为78.6Ω~164.27Ω，因此我们只需选用200Ω的电位器代替Cu100受温度影响变化阻值的过程即可。
3.1.2差动放大电路图3.3 差动放大电路本电路为差动放大电路，其中运放OP07与各电阻构成了差动放大电路，由于需要将电桥输出的弱电压信号放大-22倍，而此差动放大电路的增益2k 19⨯=R R , 因此我们又考虑到实验室拥有元件选择Ω===Ω=k 1k 4481239R R R R ，。
3.1.3二阶滤波电路图3.4 二阶低通滤波电路因为本次输入电压为低频信号，所以应该选用低频滤波电路，所以该电路为二阶低通滤波电路，起到对高频干扰信号进行过滤，提高测量精度的作用。
由于该电路是二阶低通滤波电路，并且我们需要HZ f c 160=、1-=p k ，而根据公式：c c f C C R R πω2121723=⨯⨯⨯=（3-2）1623p R R -k = （3-3） 并结合实验室现有器材可以确定各器件参数：Ω====k 11571623R R R R ，F C C μ121==。
()Sk T S T S DD D+++=1T 1k s 1p ω3.2 比较机构电路图3.5 比较机构电路如图3.5所示，温度控制系统的比较机构电路，同时也是PID 控制器的输入电路，目的是为了将传感器部分反馈回去的当前反应罐温度所对应的经过放大的电压信号与设定温度（本次设定温度为40℃）的对应放大电压（本次为4.216V ）进行减法运算，得到差值电压。
因为不需要对二者差值电压进行放大，因此各部分电阻阻值相等即可，结合实验室元件可取都为5KΩ3.3 PID 调节器并联实现电路PID 调节器电路图如下图：PID 控制器具有原理简单，使用方便；适应性强；其控制品质对被控对象的变化不太敏感，非常适用于环境恶劣的工业生产现场等优点，而本次设计中PID 控制器的会将经过比较机构所输出的电压信号进行进一步处理，最后输出的为1~5V 的稳定电压信号。
PID 调节电路由P 、I 、D 三部分电路组成，整个电路的传函: （3-4）其中 p k =滑变总电阻/连入的电阻*5，d T 根据经验一般取5~10，这里取10。
并且31k 1913-==R R D (3-5) 所以取13R =5KΩ，19R =15KΩ。
其它电阻因为对增益没有太大影响，因此都根据实验室常用器件选择5KΩ的电阻。
图3.6 PID 调节器并联实现电路3.4 V/I 转换电路V/I 转换电路如下图：将PID 电路输出的1~5V 的电压信号转化为4~20mA 的电流信号。
对冷水阀门进行控制。
当温度=50℃时，要求输出电流=20mA ，又因为当R R R R ===363435时，我们可以通过调节37R 的阻值来控制输出的电流值，所以经过计算可知：当37R =500Ω时，输出的电流信号=20mA 。
而R 的值根据实验室常用的电阻型号取47KΩ。
图3.7 V/I转换电路3.5直流稳压电源电路图3.8 直流稳压电源电路此电路为本次设计中的各运放提供稳定的直流稳压电源，图中LM7812CT是三端稳压集成电路IC芯片元器件，它可以将220V交流电源转换为稳定的12V直流稳压电源，其中U+=12V,U- = -12V。
第4章仿真与分析4.1传感器电路仿真图4.1 传感器部分仿真电路由图中两个万用表示数可知，放大电路的增益K=4.189V/-186.179mV=-22.5，与设计初衷（K=-22）基本相符，所以本电路符合设计。
图4.2 热电阻输出上下限如图4.2，为当热电阻分别为164.2Ω和78.6Ω时，电桥电路的输出电压值。
电桥的输出电压范围是-607.487mV~283.995mV。
4.2PID控制器电路图4.3 PID控制电路（温度=50℃）经过计算可知，当反应罐温度为50℃时，电阻值为121.4Ω，此时的输出电压如图=4.989V。
图4.4 PID控制电路（温度=40℃）经过计算可知，当反应罐温度为40℃时，电桥中的电位器的电阻值为117.12Ω，此时PID控制电路的输出电压由图可知：输出电压=1.015V。
设计电路时，理论上通过计算可知PID控制器的输出应为1V~5V的电压信号，而通过仿真可知，实际上PID的输出电压范围是1.015V~4.989V，与设计初衷基本相符，所以设计方案合理。
4.3V/I转换电路图4.5 V/I转换电路（温度=40℃）由图可知，当温度=40℃（正好为设定温度）时，温度控制系统的输出电流值=4.054mA。
图4.6 V/I转换电路（温度=50℃）由图可知，当温度=50℃（发酵罐温度最高）时，温度控制系统的输出电流值=19.945mA。