发酵过程检测与自控

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1、l发酵过程的基本任务发酵过程的基本任务是要对菌株所具有的内在生产能力实现高效表达，从而以较低的能量和物料消耗生产更多的发酵产品。发酵动力学为这种表达提供了部分理论依据，但要在实际发酵过程中实现，还必须解决一些工程学方面的问题，即环境因素等的检测与自控问题。l 检测和自控技术在发酵工业中的应用相当晚，但这种应用一经确立，就形成了迅速发展的势头，并且在某种程度上超过了其他产业。电子计算机的使用，为这一发展注入了巨大的活力，使发酵工业面临一场新的变革。然而，由于发酵过程的反应异常复杂，描述这一反应的数学模型尚欠完善，以及在线检测过程关键变量传感器的缺乏，使自控技术在发酵工业中的应用目前仍受到很大的局

2、限，需要各学科的专家共同作出进一步的努力。l一、概述一、概述l发酵过程检测发酵过程检测是为了取得所给定发酵过程及其菌株的生理生化特征数据，以便对过程实施有效的控制。l检测的具体目的检测的具体目的：l 了解过程变量的变化是否与预期的目标值相符；l 决定种子罐移种和发酵罐放罐的时间；l 对不可测变量进行间接估计；l 对过程变量按给定值进行手动控制或自动控制；l 通过过程模型实施计算机控制；l 收集认识和发展过程（包括建立数学模型）所必需的数据。l检测的方法检测的方法：l物理测量：如温度、压力、体积、流量等；l物理化学测量：pH、DO、溶CO2、氧化还原电位、气相成分等；l化学测量：基质、前体、产物

3、等的浓度；l生物学和生物化学测量：生物量、细胞形态、酶活性、胞内成分等。l这些测量可提供反映环境变化和细胞代谢生理变化的许多重要信息，作为研究和控制发酵过程的基础。l为了适应自控的需要，发酵过程变量变化的信息，应尽可能通过安装在发酵罐内的传感器检知，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处理。l（一）发酵过程对传感器的要求（一）发酵过程对传感器的要求l（l l）可靠性）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。l 故障发生的方式有急剧故障及慢性或断续故障两种。前者包括传感器破损、线路断开等，后者如传感器中电解液的消耗、

4、膜上培养基或细胞的附着等。一般来说，前者比后者容易发现，造成的损失可能小些。l 提高传感器的可靠性可通过GEP（good engineering practice）来达到。GEP首先要求有一个好的设计，其次要有适当的规格，同时要按生产厂的要求安装和维护。l（2 2）准确性）准确性：是测量值与已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已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。l 发酵过程中的在线传感器有时很难校准。例如pH传感器应有特殊的装置保证在不造成污染的情况下从发酵罐取出，校准

5、后再装上。而从发酵罐取样用实验室pH计校准时往往由于样品减压后溶CO2的逸出而造成 pH偏差。l（3 3）精确度）精确度：测量精确度是重复测量的概率，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。l（4 4）响应时间）响应时间：在测量位点，有指示值与真值之同的时间滞后，它由反应滞后与传递滞后所造成。例如，用盘管法测量溶氧，先有氧通过管壁扩散的一级滞后，接着是气体由盘管到测量仪器的传输滞后，然后又有仪器本身对气流中氧含量变化反应的滞后。响应时间一般以达到真值90%或95所需的时间表示。对于一级反应的简单情况，它被认为是一种

6、时间常数。l（5 5）分辨能力）分辨能力：又称识别能力，是指测量中所能分辨的最小变化值。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。l（6 6）灵敏度）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。l（7 7）测量范围）测量范围：是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-200850，但一般在发酵工业中的设计跨度为0150或050。l（8 8）特异性）特异性：是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

7、感器本身的非特异性外，还有对传感器信号的干扰如电躁声等。l提高特异性的措施可以有：l控制环境条件（如温度）的稳定；l满足GEP的要求（如安装和维护）；l对干扰因素进行定量，以便从总测量信号中扣除。l（9 9）可维修性）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。l（1010）发酵过程对传感器的特殊要求）发酵过程对传感器的特殊要求：l传感器与发酵液直接接触，一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌，这对大部分物理和物理化学传感器来说都没有问题，但有的（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。l 其次是在发

8、酵过程中保持无菌的问题，这就要求与外界大气隔绝，采用的方法有蒸汽汽封、“0”形环密封、套管隔断等。l 传感器易被培养基和细胞沾污，选用不易沾污的材料如聚四氟乙烯或抛光的不锈钢，与发酵液的接触面不存在容易包藏污垢的死角，形状和结构便于清洗等。l1 1按测量方式分按测量方式分l（1 1）离线传感器离线传感器：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。这种传感器不能作为控制回路的一部分。l（2 2）在线传感器）在线传感器：传感器与自动取样系统相连，对过程变量连续、自动测量，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）

9、系统，对尾气成分进行测定的气体分析仪和质谱仪等。l（3 3）原位传感器）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。l在线传感器和原位传感器统称为在线传感器 l2 2 按测量原理分按测量原理分l（1 1）力敏元件：）力敏元件：包括各种压敏元件、速度与加速度元件、压差元件。l（2 2）热敏元件：）热敏元件：包括测温元件和测热元件。l（3 3）光敏元件）光敏元件：如光导纤维、光电管等。l（4 4）磁敏元件）磁敏元件：利用各种磁效应的分析仪器。l（5 5）电化学传感器）电化学传感器：以电化学反应为基础，可将非电量直接转换成电信号。按输出电信号

10、的不同可分为电位型和电流型两类，前者如pH传感器、氧化还原电位传感器，后着以溶氧传感器为代表。l1 1、PHPHl一般采用可原位l蒸汽灭菌的复合lpH传感器，其中l包括一只玻璃电l极和一只通过侧l面多孔塞与培养l基连通的参比电l极 l2 2溶氧溶氧l一般使用复膜溶氧探头，有由置于碱性电解液中的银阴极和铅阳极组成的原电池型;由管状银阳极、铂丝阴极、氧化银电解液和极化电源组成的极谱型。这两种探头，产生的电流都正比于通过膜扩散入探头的氧量。后者由于增加了极化电源，故价格较贵，但比前者更加耐用。复膜溶氧探头实际测量的是氧分压，与溶氧浓度并不直接相关，故测量结果称为溶氧压（DOT），一般以空气中氧饱和的

11、百分度表示。l 由于膜附近液体流速的波动及气泡的通过，复膜溶氧探头的输出信号中始终应该有特征性噪声，如果不出现这种噪声，则有可能是发酵液中的氧被耗尽，或探头被培养基或细胞完全复盖，或膜破损。l3 3氧化还原电位氧化还原电位l 这一测量给出发酵液中氧化剂（电子供体）与还原剂（电子受体）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电极与具有 mV读数的 pH计连接，很容易测量出氧化还原电位，它随发酵液中氧化成分与还原成分之比的对数而变化，与pH呈线性关系，并受温度与溶氧压的影响。l 当发酵液中溶氧压很低（如厌氧或氧限制发酵），以至超出溶氧探头的测量下限时。氧化还原电化的出量

12、可以弥补这一信息源的缺失。4 4溶二氧化碳溶二氧化碳lCO2探头由一支pHl探头浸入被可穿透lCO2的膜包裹的碳l酸氢盐缓冲液中组l成，缓冲液与被测l发酵液中的CO2分l压保持平衡，故缓l冲液的pH值可间接l表示发酵液中的lCO2分压 l1 1离子选择电极离子选择电极l这种电极与pH电l极相似，是对某l种离子呈特异反l应的电化学传感l器。它由一种离l子选择膜、一种l连通介质和一个l内部参比电极组成。l2 2生物传感器生物传感器l 将生化信号转化成可定量和可处理的电信号，由三部分组成：l 由单酶、多酶系统、抗体、细胞器、细菌等生物学材料通过表面共价结合、物理吸附或包埋而固定化的生物学元件；l 电

13、位计、安培计、量热计、光度计等能感知生物学元件与被检测物质特异作用造成的理化环境改变并转化成电信号的转换器；l 可以远离生物学元件和转换器安装的信号和数据处理电路和装置。l生物学元件对蒸汽和化学灭菌不稳定，加上样品中的抑制剂可能对响应产主不良影响，故目前在发酵过程中还不能在线应用。l（一）生物量分析（一）生物量分析l 生物量是发酵过程中极其重要的一个变量。发酵过程优化和控制由经验走向模型化，生物量的定量监测或估计是必不可少的。l（l l）干细胞浓度）干细胞浓度：取一定量发酵液，过滤并洗涤除去可溶物后，将滤饼干燥至恒重而得。这一方法比较费时，一般作为其他测定方法的参比方法。在不含固形物的培养基中

14、，将此法标准化能给出可重现的结果。但在含固形物和油的培养基中，很难获得精确的测量结果。l（2 2）DNADNA含量含量：细胞中DNA含量在发酵过程中大体保持不变，而与营养状况、培养基组成、代谢及生长速率关系不大。因此，发酵液中的DNA含量可折算成生物量。此法也比较费事，故应用不太普遍。l（3 3）沉降量或压缩细胞体积）沉降量或压缩细胞体积：用自然静置或离心法测得的沉降量或压缩细胞体积，可做为生物量的粗略估计。这对于不合或少含固形物的培养基，有一定的应用价值，但培养液含较多的固形物时，则所测数据不可靠。l（4 4）粘度）粘度：主要用于指示丝状菌的生长和自溶，而与生物量不直接相关。一般使用旋转式粘

15、度计进行测量，但细胞凝聚和沉降造成发酵液的不均一以及粘度计转子表面的发酵液相分离都将影响测量结果。将转子改装成六叶涡轮式能够克服上述缺点，取得较好的测量结果。l（5 5）浊度）浊度：用于清澄培养基中低浓度非丝状菌的测量，测得的光密度（OD）与细胞浓度成线性关系。对于600-700nm的入射光，一个吸光率单位大约相当于15 g（细胞干重）/L。浊度测量可以用任何常规比色计（固定波长）或分光光度计（可变波长）进行，波长一般采用420-660nm。吸光率要求控制在03-05，故较浓的样品应进行稀释使之达到这一范围内。l（6 6）过滤探头）过滤探头：发酵液l的过滤特性和细胞浓度l及形态相关。过滤探头l

16、可自动测定达到预先设l定的滤饼体积和所获l得的滤液体积和所需l的过滤时间并估算细胞l浓度。使用光导纤维可l将这种过滤探头装人发l酵罐内，并与计算机连l接，成功地用于在线测l量青霉素发酵过程中菌l丝浓度的变化。l（二）尾气分析（二）尾气分析l 通气发酵尾气中 O2的减少和 CO2的增加是培养基中营养物质好氧代谢的结果，由这两种气体的在线分析所获得的耗氧率（OUR）和 CO2释放率（CER）是目前最有效的微生物代谢活性指示值。l（1 1）红外红外 COCO2 2分析仪分析仪：最普及的 CO2分析仪是非色散红外分析仪。两条相同的入射红外光束分别通过气样室和参比室，在气样室内由于CO2对光吸收而发生衰

17、减，根据检测的衰减程度可确定气样中的CO2浓度。l（2 2）顺磁）顺磁O O2 2分析仪分析仪：测量发酵尾气中氧气含量，可以使用顺磁O2分析仪。两个中空玻璃球组成的哑铃被悬垂在恒温气样室磁场中，当气体中含氧时，由于氧的顺磁特性是磁场发生变化，迫使哑铃偏转，转矩与磁场力平衡，因而可根据偏转位置确定气体中氧的含量。由于氧是唯一的顺磁普通气体，故测量是特异的。但和CO2分析仪一样，必须经常校准。l（3 3）质谱）质谱：合理价格的质谱仪是多成分气样分析的首选方法。它的主要优点是响应速度快，每个样品流包括开关和清洗只需12秒，比红外分析仪快10倍；测量精度高，对于O2和CO2均可达0.3%满刻度；灵敏度

18、强，对于 CO2可达10ppm；稳定性好，6个月内无须调整；样气的湿度不影响测量结果。缺点是价格较贵。l（三）发酵液成分分析（三）发酵液成分分析l发酵液成分的分析对于认识和控制发酵过程也是十分重要的。高效液相层析（HPLC）具有分辨率高、灵敏度好、测量范围广、快速及系统特异性等优点，目前已成为实验室分析的主导方法。但进行分析前必须选择适当的层析祛、操作温度、溶剂系统、梯度等，而且样品要经过亚微米级过滤处理。与适当的自动取样系统连接，HPLC可对发酵液进行在线分析，l发酵过程自控是根据对过程变量的有效测量及对过程变化规律的认识，借助于由自动化仪表和电子计算机组成的控制器，操纵其中一些关键变量，使

19、过程向着预定的目标发展。l包含以下三个方面的内容：l 和过程的未来状态相联系的控制目的或目标和过程的未来状态相联系的控制目的或目标，如要求控制的温度、pH、生物量浓度等等；l 一组可供选择的控制动作一组可供选择的控制动作，如阀门开、关，泵开、停等；l 一种能够预测控制动作对过程状态影响的模型一种能够预测控制动作对过程状态影响的模型，如用加入基质的浓度和速率控制细胞生长率时需要能表达它们之间相关关系的数学式。l这三者是相互联系、相互制约的，组成具有特定自控功能的自控系统。l一、基本自控系统一、基本自控系统l 自控系统由控制器和被控对象两个基本要素组成。发酵过程采用的基本自控系统主要有前馈控制、反

20、馈控制和自适应控制。l（一）前馈控制（一）前馈控制l 如果被控对象动态反应慢，且干扰频繁，则可通过对一种动态反应快的变量（叫做干扰量）的测量来预测被控对象的变化，在被控对象尚未发生变化时提前实施控制。这种控制方法叫做前馈控制。对反应器温度实施前馈控制的例子（图）。在这一系统中，冷却水的压力被测量但不控制。当这一压力发生变化时，控制器提前对冷却水控制阀发生控制动作指令，以避免温度的波动。l（二）反馈控制（二）反馈控制l反馈控制系统如图所示，被控过程的输出量x（t）被传感器检测，以检测量y（t）反馈到控制系统，控制器使之与预定的值r（t）（设定点）进行比较，得出偏差e，然后采用某种控制算法根据这一

21、偏差e确定控制动作u（t）。l1 1开关控制开关控制l最简单的反馈控制系统是开关控制。发酵温度的开关控制系统（图），它通过温度传感器检知反应器内温度，如果低于设定点，冷水阀关闭，蒸汽或热水阀打开；如果高于设定点，蒸汽或热水阀关闭，冷水阀打开。控制阀的动作是全开或全关，故称为开关控制。加热或冷却负荷相对稳定的过程，适合于这种形式的控制。l2 2PIDPID控制控制l当控制负荷不稳定时，可采用比例、积分、微分控制算法，简称为 PID控制。比例（P）、积分（I）、微分（D）控制器的控制信号，分别正比于被控过程的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的速率。这些控制器以及它们的结合（PI

22、和ID）对输入量的阶跃响应情况如图15所示。PI和PID控制器广泛用于发酵过程的控制，但它们只能在接近设定点的情况下才能有效地工作，在远离设定点就开始启用时将产生较大的摆动。l3 3串级反馈控制串级反馈控制l由两个以上控制器对一种变量实施联合控制的方法叫做串级控制。图-16是对溶氧水平实行串级控制的例子。溶氧被发酵罐内的传感器检知，作为一级控制器的溶氧控制器根据检测结果由PID算法计算出控制输出u1（t），但不用它来直接实施控制动作，而是被作为二级控制器的搅拌转速、空气流量和压力控制器当做设定点接受，二级控制器再由另一个PID算法计算出第二个控制输出，用于实施控制动作，以满足一级控制器设定的溶

23、氧水平。l当有多个二级控制器时，可以是同时或顺序控制，可以先改变搅拌转速，当达到某一预定的最大值后再改变空气流量，最后是调节压力。l4 4前馈前馈/反馈控制反馈控制l 前馈控制所依赖的数学模型大多数是近似的，加上一些干扰量难于测量，从而限制了它的单独应用。它的标准用法是与反馈控制相结合，取各自之长，补各自之短。图17为废水处理系统的前馈/反馈控制。假设作为干扰量的输入废水中悬浮固体含量随时间变化，通过在线分析仪测定后，信号前馈至排放控制器，使排出液的悬浮固体含量保持在设定点上，同时，还根据排出液悬浮固体含量的直接测量对排放率进行反馈控制。l（三）自适应控制（三）自适应控制l上述各种自控系统一般

24、只适用于确定性过程，即过程的数学模型结构和参数都是确定的，过程的全部输入信号又均为时间的确定函数，过程的输出响应也是确定的。但是，我们所面临的发酵过程总的来说是个不确定的过程，也就是说，描述过程动态特性的数学模型从结构到参数都不确切知道，过程的输入信号也含有许多不可测的随机因素。这种过程的控制，须提取有关的输入、输出信息。对模型及其参数不断进行辨识，使模型逐渐完善，同时自动修改控制器的控制动作，使之适应于实际过程。这种控制系统就叫做自适应控制系统。l发酵自控系统由传感器、变送器、执行机构、转换器、过程接口和监控计算机组成，这些硬件的配置如图19所示。下面，对这些硬件分别作一简单介绍。l（一）传

25、感器（一）传感器l 用于发酵过程检测的传感器已在第一节讨论过。但除了直接测量过程变量的传感器外，一些根据直接测量数据对不可测变量进行估计的变量估计器也可以叫做传感器。这种广义传感器称为“网间”传感器或“算法传感器”。l（二）变送器与过程接口（二）变送器与过程接口l除了传感器外，还需要特殊的电路（惠斯通电桥、放大器等），将传感器获得的信息变成标准输出信号，才能被控制器所接受。这种电路装置就叫做变送器。传感器和变送器有时安装在同一个装置内。l为了使传感器与控制器的连接具有灵活性和机动性，一般采用以下标准输出信号：l 连续的010V或0/420mA直流电模拟输出信号，为了避免接地，信号应当隔离输出；

26、l 二进制编码十进制输出信号应当用标准RS232、RS423或IEEE 488接口及其通讯协议传送。l l用处理机连接发酵装置对变量进行监测和控制需要数据接口，传递的信号是二进制编码十进数。广泛使用的 RS232和 RS423是标准化的系列传送接口，它们的传 送 距 离 较 远 而 传 送 速 度 较 慢。IEEE488是字节定向的平行传送接口，它的传送速度相当快，缺点是传送距离有限（15m）。l（三）执行机构和转换器（三）执行机构和转换器l 执行机构是直接实施控制动作的元件，如电磁阀、气动控制阀、电动凋节阀、变速电机、步进电机、正位移泵、蠕动泵等等，它反应于控制器输出信号或操作者手动干预而改

27、变控制变量值。执行机构可以连续动作（如控制阀的开启位置，马达或泵的转速），也可以间歇动作（如阀的开、关，泵或马达的开、停等）。与反应器物料直接接触的执行机构要求无渗漏、无死角、能耐受高温蒸汽灭菌、便于精确计量等等。l 控制器的输入信号就是反应器的输出信号。对于常规电子控制器，连续的模拟输出信号直接和控制器连接，当涉及到计算机时，控制器输入信号必须转换成数字当量，而与执行机构连接的模拟输出信号必须由数字当量产生。因此，对于计算机控制系统，须使用A/D转换器和D/A转换器。但控制器的输入信号为离散信号时，可直接使用数字输入和数字输出。l（四）监控计算机（四）监控计算机l 在工业发酵过程的监测和控制

28、中，普通使用的装置是条形记录仪和模拟控制器。条形记录仪用于描绘发酵过程中各变量如温度、PH、溶氧、尾气成分等变化的曲线，这些变量的变化往往与所需产物的生物合成相关，确定这种相关关系后，就可以用模拟控制器将这些变量控制在合适的变化范围内，以利于产物的生成。但是，这种记录仪和控制器不能有效的检测和控制那些不能直接测量的变量如氧消耗率、基质消耗率、比生长率等等，而这些有几个直接测量信号估计的间接变量，可能与产物合成速率更加密切相关。计算机和某些数字化仪表的应用，使这些间接变量的估计和监控成为可能，从而在发酵过程的发展中起着重要的作用。l过程监控计算机在发酵自控中的作用：l 自发酵过程中采集和存贮数据；l 用图形和列表方式显示存贮的数据；l 对存贮的数据进行各种处理和分析；l 和检测仪表和其他计算机系统进行通讯；l 对模型及其参数进行辨识；l 实施复杂的控制算法。l 监控计算机的选择应具有尽可能完善的功能，较低的成本，较高的可靠性、一定的升级能力，简单的运行要求，和其他系统的通讯能力，等等。