第十章 发酵过程检测与自控

输出信号 连 连 连 连 连 连 连 连 间 间 连 间 连 续 模 模 模 模 模 模 模 歇 歇 模 模 模
分批发酵过程检测系统的配置
小型发酵罐
二. 发酵传感器
变送器 传感器 标准电信号
仪表显示或传 送给计算机
（一）对传感器的要求
• 可靠性 • 准确性 • 精确度 • 响应时间 • 分辨能力 • 灵敏度 • 测量范围 • 特异性 • 可维修性 • 特殊要求
2. 生物传感器 • 将生物学敏感材料固定化的传感器，将生物 将生物学敏感材料固定化的传感器， 信号转化为电信号 • 生物学元件：由单酶、多酶体系、抗体、细 生物学元件：由单酶、多酶体系、抗体、 胞器、细菌、 胞器、细菌、动植物细胞或组织等生物材料 通过表面共价结合、物理吸附、 通过表面共价结合、物理吸附、包埋而固定 • 转换器：电位计、安培计、量热计、光度计 转换器：电位计、安培计、量热计、 • 信号、数据处理系统 信号、
2、检测方法 • 物理测量：温度、压力、体积、流量等 物理测量：温度、压力、体积、 • 物理化学：pH、溶氧、溶CO2、氧化还原电位、气相 物理化学：pH、溶氧、 氧化还原电位、 成分分析等 • 化学测量：基质、前体、产物等的浓度 化学测量：基质、前体、 • 生物生化：生物量、细胞形态、酶活性、胞内成分等 生物生化：生物量、细胞形态、酶活性、 这些测量可提供反映环境和细胞代谢生理变化的许多 信息，作为研究和控制发酵过程的基础。 信息，作为研究和控制发酵过程的基础。
2.按测量原理分 2.按测量原理分 • 力敏元件：包括各种压敏元件、速度与 力敏元件：包括各种压敏元件、 加速度元件、压差元件； 加速度元件、压差元件； • 热敏元件：包括测温元件和测热元件； 热敏元件：包括测温元件和测热元件； • 光敏元件：如光导纤维、光电管等 光敏元件：如光导纤维、 • 电化学传感器：以电化学为基础，可将 电化学传感器：以电化学为基础， 非电信号转换为电信号， pH传感器 传感器、 非电信号转换为电信号，如pH传感器、 溶氧传感器。 溶氧传感器。
1、目的
发酵过程检测
• 测定发酵过程中数据，以便对此过程进行有效的控制。 测定发酵过程中数据，以便对此过程进行有效的控制。 具体目的： 具体目的： • 了解过程变量与预期是否一致； 了解过程变量与预期是否一致； • 决定种子罐移种时间与放罐时间； 决定种子罐移种时间与放罐时间； • 对不可测变量进行估计； 对不可测变量进行估计； • 对过程变量给定值进行手动或自动控制； 对过程变量给定值进行手动或自动控制； • 通过过程模型实施计算机控制； 通过过程模型实施计算机控制； • 收集数据。 收集数据。
第二节
发酵过程自控
• 根据对发酵过程变量的测量和过程变化规 律的认识，借助计算机等进行控制， 律的认识，借助计算机等进行控制，使过 程向着预期的方向进行。研究内容包括： 程向着预期的方向进行。研究内容包括： • 控制状态目标：T、pH、生物量浓度等 控制状态目标： pH、生物量浓度等 • 控制开关或阀门 • 预测控制模型
3. 氧化还原电位 • 测定发酵液中氧化剂（电子供体）和还原剂（电 测定发酵液中氧化剂（电子供体）和还原剂（ 子受体） 子受体）之间平衡的信息 • 用一种由Pt电极和Ag/AgCl参比电极组成的复合 用一种由Pt电极和Ag/AgCl参比电极组成的复合 Pt电极和Ag/AgCl 电极与具有mV读数的pH mV读数的pH计连接 电极与具有mV读数的pH计连接 • 原理：氧化还原电位随发酵液中氧化成份和还原 原理： 成份之比的对数而变化， pH呈线性关系 呈线性关系， 成份之比的对数而变化，与pH呈线性关系，受温 度和溶氧压的影响 • 发酵液中溶氧压很低时，超出溶氧探头的极限， 发酵液中溶氧压很低时，超出溶氧探头的极限， 氧化还原电位可弥补这一点
（四）发酵检测用新型传感器 • 对生物反应中重要的参数如生物量、基质 对生物反应中重要的参数如生物量、 和产物浓度的信息 1. 离子选择电极 • 是对某种离子呈特异性反应的电化学传感 器 • 由离子选择膜、连通介质和参比电极组成 由离子选择膜、 • 灵敏度高（ppm），但不能蒸汽灭菌 灵敏度高（ppm），但不能蒸汽灭菌 ），
过程监控计算机在发酵自控中的作用有： 过程监控计算机在发酵自控中的作用有： • ① 从发酵过程中采集和存贮数据； 从发酵过程中采集和存贮数据； • ② 用图形和列表方式显示存贮的数据； 用图形和列表方式显示存贮的数据； • ③ 对存贮的数据进行各种处理和分析； 对存贮的数据进行各种处理和分析； • ④ 和检测仪表和其他计算机系统进行通讯； 和检测仪表和其他计算机系统进行通讯； • ⑤ 对模型及其参数进行辨识； 对模型及其参数进行辨识； • ⑥ 实施复杂的控制算法。 实施复杂的控制算法。
1. 开关控制
• 2. PID控制 PID控制 • 当控制负荷不稳定时，可采用比例（P）、 当控制负荷不稳定时，可采用比例（ 积分（I）、微分（D）控制算法，简称为 积分（ ）、微分（ 控制算法， 微分 PID控制 PID控制 • P、I、D控制信号，分别正比于被控过程的 控制信号， 输出量与设定点的偏差、 输出量与设定点的偏差、偏差相对于时间 的积分和偏差变化速率 • 只能在接近设定点的情况下有效工作
测量原理 光反射计数 感应电流与转速正比 电极对氢离子特异反应 氧在电极转移产生电流 通过扩散引起电解液pH变化 通过扩散引起电解液pH变化 pH 磁场强度变化 CO2吸收红外光 离子化后 质/荷比 剪应力/ 剪应力/剪速 黏度 入射光细胞散射 衰减 细胞NADH被紫外激发 细胞NADH被紫外激发 NADH 对各成分分析 显微射像技术
发酵过程变量检测系统
• 变量 • 温度 • • 压力 • • 体积 • • 泡沫 • 气体流量 • 液体流量 测量方法 铂电阻 热敏电阻 隔膜 压敏电阻 压差传感器 荷重传感器 电导或电容 热质量流量计 蠕动泵 荷重传感器 玻璃量筒 关 测量原理 电阻随温度变化 电阻随温度变化 直接感受 电阻随压力变化 静压差与液深度正比 传感器电阻正比于荷重 探头与液面及电磁阀成回路 气体带走热与流量成正比 转速与流量正比 传感器电阻正比于荷重 筒内页面探头与电磁阀组成回路 输出信号 连 连 连 间 连 连 间 模 模 模 开关 模 模 开 连 模 连 模 连 模
（二）发酵用传感器的分类 1. 按测量方式分 • 离线传感器：不安装在发酵罐内，人工取样 离线传感器：不安装在发酵罐内， • 在线传感器：自动测定，流动注射分析系统 在线传感器：自动测定， FIA），（HPLC） ），（HPLC （FIA），（HPLC）或质普仪等 • 原位传感器：直接与发酵液接触，给出连续 原位传感器：直接与发酵液接触， 的响应信号，如温度、压力、pH、 的响应信号，如温度、压力、pH、溶氧等
（二）尾气分析 • 分析尾气中O2的减少和CO2的增加 分析尾气中O 的减少和CO • 1. 红外CO2分析仪 红外CO • 2. 顺磁O2分析仪 顺磁O • 3. 质普仪
（三）发酵液成分分析 • 高效液相色普（HPLC） 高效液相色普（HPLC） • 选择适当的层析柱、操作温度、溶剂系统 选择适当的层析柱、操作温度、 等，样品要要经过亚微米级过滤 • 与自动取样系统连接
第十章 发酵过程检测与 自控
• 发酵过程的任务：使菌株的生产能力高 发酵过程的任务： 效表达， 效表达，以较低的物料消耗获得更多的 发酵产品； 发酵产品； • 理论依据：发酵动力学 理论依据： • 工程学方面的实际问题：环境因素的检 工程学方面的实际问题： 测与自控问题。 测与自控问题。
第一节
一. 概述
（三）发酵过程的主要在线传感器 pH1. pH-复合玻璃电极 • 原位蒸汽灭菌的复合传感器 • 包括一只玻璃电极和一只参比电极（与培 包括一只玻璃电极和一只参比电极（ 养基连通） 养基连通） • 装在加压护套内
溶氧2. 溶氧-复膜溶氧探头 • 碱性电解掖、银阴极和铅阳极组成的原电池型 碱性电解掖、银阴极和铅阳极组成的原电池型 • 管状银阳极、铂丝阴极、氯化银电解液和极化电源 管状银阳极、铂丝阴极、 组成的极谱型 组成的极谱型 • 原理：产生的电流正比于通过膜扩散入探头的氧量 原理： • 复膜溶氧探头实际测量的是氧分压，与溶氧浓度并 复膜溶氧探头实际测量的是氧分压， 不直接相关，结果用溶氧压（DOT） 不直接相关，结果用溶氧压（DOT）表示 • 一般以空气中氧饱和的百分度表示
二. 发酵控制系统的硬件结构 • 1. 传感器 • 2. 变送器与过程接口 变送器将传感器获得的信息变成标准输出 信号，被控制器接受； 信号，被控制器接受；用处理机连接发酵 设备对变量进行监测和控制需要数据接口。 设备对变量进行监测和控制需要数据接口。
• 3. 执行机构和转换器 是直接实施控制动作的元件，如电磁阀、 是直接实施控制动作的元件，如电磁阀、气动 控制阀、变速电机等。 控制阀、变速电机等。 • 4. 监控计算机 在工业发酵过程的监测和控制中， 在工业发酵过程的监测和控制中，普通使用的 装置是条形记录仪和模拟控制器。 装置是条形记录仪和模拟控制器。
一. 基本自控系统
自控系统由控制其和控制对象两个基本元素 组成。 组成。 （一）前馈控制 • 被控对象反应慢，测量反应快的干扰量的变 被控对象反应慢， 化来对控制对象进行控制 • 如温度（控制对象），冷却水的压力 如温度（控制对象），冷却水的压力 ），
（二）反馈控制 • 传感器检测被控输出量，反馈到控制系 传感器检测被控输出量， 控制器根据与预定值的比较， 统，控制器根据与预定值的比较，得出 偏差，进而控制动作。 偏差，进而控制动作。

Pseudo. Fluorescens
AMP脱氢酶 AMP脱氢酶 脲酶 E.coli 青霉素酶 抗坏血酸氧化酶 醇氧化酶
三. 发酵过程其他重要检测技术 （一）生物量分析 • 1. 干细胞浓度 • 2. DNA含量 DNA含量 • 3. 沉降量或压缩细胞体积 • 4. 粘度：丝状菌生长和自溶，与生物量不直接相 粘度：丝状菌生长和自溶， 关，旋转粘度计 • 5. 浊度 • 6. 过滤探头：过滤特性和细胞浓度及形态相关 过滤探头： • 7. 荧光：NADH反应细胞的活性 荧光：NADH反应细胞的活性