1、第8章 發酵過程的參數檢測和自動控制對發酵過程實現有效的控制的目的是高效地利用微生物所具有的內在生產能力，以較低的能耗和物耗最大限度地生產生物產品。發酵過程是通過各種參數的檢測，對生產過程進行定性和定量地描述，以期達到對發酵過程進行有效控制的目的。8.1發酵過程的參數檢測根據參數的性質特點，發酵參數可以分為三類：物理參數，化學參數，間接參數。見表8-1。發酵過程的參數按測量形式又可以分為：就地信號系統、在線測量系統、離線測量。就地信號系統對發酵過程不發生影響的檢測系統。在線測量是利用連續的取樣系統與相關的分析器聯接，取得測量信號。離線測量是指在一定的時間內離散取樣，采用常規的化學分析和自動的分

2、析系統，在發酵罐外進行樣品的處理和分析測量。8.1發酵過程的參數檢測8.1發酵過程的參數檢測1.溫度測量1）感溫元件：液體溫度計熱電偶熱電阻2）二次儀表信號放大、顯示和記錄：模擬值數字值8.1.1 物理參數檢測2.熱量測量測量方法：恒溫法；絕熱量熱法；熱流量熱流通式量熱計動態量熱法補償法連續測量法8.1.1 物理參數檢測3.攪拌轉速和攪拌功率的測量1)攪拌轉速攪拌轉速的檢測一般應用磁感應式、光感應式或測速發電機來實現。磁感應式和光感應式檢測器是通過計測脈沖數來測量轉速。安裝在攪拌軸或電動機軸上的切片切割磁場或光速而產生脈沖電信號，一定時間間隔內的脈沖頻率反應了攪拌轉速的大小。測速發電機是安裝在

3、攪拌軸或電動機軸上的小型發電機，它的輸出電壓與轉速之間有良好的線形對應關系。大型發酵罐可以采用變頻控制器來調節交流電動機的轉速，也可以采用直流電動機進行調速。小型機械攪拌式發酵罐的攪拌轉速都是可調的。 8.1.1 物理參數檢測3.攪拌轉速和攪拌功率的測量2)軸攪拌功率軸攪拌功率是主要的測量參數，在設備和操作條件固定的情況下，攪拌功率隨著發酵過程中發酵液性質的不同而發生變化。因此有時也作為發酵工藝正常與否的判斷依據。攪拌功率與氧的傳遞系數，與KLa值有正相關關系。常用功率表來測量電動機進線功率，但由于減速機構的能量消耗、機械磨損等原因，容易造成較大的誤差。還有幾種比較精確的測定方法，如電機反轉矩

4、測定法、軸功率和應片法，多數是測定力矩來求得功率。8.1.1 物理參數檢測4.空氣流量測定在微生物深層培養中，通入無菌空氣起到供應氧氣、提高KLa值以及排出廢氣的重要作用。通氣量的大小直接影響發酵液中氧的傳遞。根據作用原理，測量空氣流量的流量計分成兩大類：體積流量型和質量流量型。1）體積流量型 這是一類根據流體動能的轉換以及流體流動類型的改變而設計的測量裝置。(1)同心孔板壓差式流量計(2)轉子流量計2 ）質量流量型這是根據流體的固有性質，如質量、導電性、電磁感應性、離子化、熱傳導性能等設計的流量計。8.1.1 物理參數檢測5. 罐壓測量 發酵過程中維持一定的正壓，是防止雜菌污染的重要措施。壓

5、力信號轉換器很多，如電阻式、電感式、電容式和半導體式等。8.1.1 物理參數檢測6.料液計量測量壓差法稱重器法流量計法液位探針8.1.1 物理參數檢測7.發酵液黏度測定毛細管黏度計回轉式黏度計渦輪旋轉黏度計8.1.1 物理參數檢測1 pH的測量 pH是微生物重要的生長環境條件。在發酵過程中，微生物的代謝活動會明顯改變發酵液的pH。1）復合pH電極（探頭）2 ）pH測量儀器（處理和顯示）8.1.2 化學參數檢測2溶解氧的測量 溶解氧濃度直接影響微生物的代謝，它的大小與氧的傳遞速率、微生物的攝氧率等有關。所以也是一個重要的參數。1）復膜氧電極2 ）測量和顯示8.1.2 化學參數檢測3溶解二氧化碳測

6、量發酵液中二氧化碳的濃度，指示的是菌體的呼吸商，呼吸商實際上反映出微生物的代謝強度。1）復膜氧電極2 ）測量和顯示8.1.2 化學參數檢測4 氣態二氧化碳濃度測量用以測定尾氣二氧化碳含量的方法和檢測儀器：熱導式氣相色譜法（GC）；二氧化碳電極法；紅外線二氧化碳測定儀（IR）；質譜儀。較為常用的是IR法和電極法。8.1.2 化學參數檢測5氣相氧濃度測定（1）磁氧分析儀（2）極譜氧電極法（3）質譜分析儀6 菌濃度的測量 微生物在生命活動中總是伴隨著增殖和增長。有關菌量的測量方法很多。離線取樣分析：稱重法；細胞蛋白質測定法；核酸測定法；平板計數法。在線連續菌量測量方法：濁度法；熒光測量法；電容測定法

7、；排氣分析法等。8.1.2 化學參數檢測間接參數可以分成質量傳遞速率、成分比率、質量傳遞系數、熱傳遞系數和能量平衡等幾方面。間接參數可以反映微生物細胞的生理特性或對象的工程特性。8.1.3 間接參數檢測發酵過程采用的基本自控系統主要有前饋控制、后饋控制和自適應控制。1前饋控制如果被控對象動態反應慢，并且干擾頻繁，則可通過對一種動態反應快的變量（干擾量）的測量來預測被控對象的變化，在被控對象尚未發生變化時，提前實施控制。這種控制方法叫做前饋控制。2反饋控制被控過程的輸出量x(t)被傳感器檢測，以檢測量y(t)反饋到控制系統，控制器使之與預定的值r(t)（設定點）進行比較，得出偏差值e，然后采用某種控制算法根據偏差e 確定控制動作u(t)。根據算法的不同，可分為開關控制、PID控制、串級反饋控制、前饋反饋控制。 8.2.1基本的自動控制系統3自適應控制對于復雜和不確定的發酵過程的控制，須要提取有關的輸入、輸出信息，對模型和參數不斷進行辨識，使