发酵过程检测与自控.ppt
《发酵过程检测与自控.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《发酵过程检测与自控.ppt(58页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、第十章 发酵过程检测与自控,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。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
2、的局限,需要各学科的专家共同作出进一步的努力。,第一节 发酵过程检测,一、概述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。,检测的具体目的:了解过程变量的变化是否与预期的目标值相符;决定种子罐移种和发酵罐放罐的时间;对不可测变量进行间接估计;对过程变量按给定值进行手动控制或自动控制;通过过程模型实施计算机控制;收集认识和发展过程(包括建立数学模型)所必需的数据。,检测的方法:物理测量:如温度、压力、体积、流量等;物理化学测量:pH、DO、溶CO2、氧化还原电位、气相成分等;化学测量:基质、前体、产物等的浓度;生物学和生物化学测量:生物量、细胞形态、
3、酶活性、胞内成分等。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。,二、发酵传感器,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。,(一)发酵过程对传感器的要求(l)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。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、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。提高传感
4、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。,(2)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。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。,(3)精
5、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。(4)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,它被认为是一种时间常数。,(5)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
6、义的最小数字的单位变化。(6)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。(7)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。,(8)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。提高特异性的措施可以有:控制环境条件(如温度)的稳定;满足GEP的要求(如安装和维护);对干扰因素进行定量,以便从总测量信号中扣除。
7、(9)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。,(10)发酵过程对传感器的特殊要求: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。其次是在发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。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。,(二)发酵用
8、传感器的分类,1按测量方式分(1)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。(2)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)系统,对尾气成分进行测定的气体分析仪和质谱仪等。(3)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。在线传感器和原位传感器统称为在线传感器,2 按测量原理分(1)力敏元件:包括各种压敏元件、速度与加速度元件、压差元件。(2
9、)热敏元件:包括测温元件和测热元件。(3)光敏元件:如光导纤维、光电管等。(4)磁敏元件:利用各种磁效应的分析仪器。(5)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。,(三)发酵过程的主要传感器,1、PH一般采用可原位蒸汽灭菌的复合pH传感器,其中包括一只玻璃电极和一只通过侧面多孔塞与培养基连通的参比电极,2溶氧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
10、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百分度表示。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。,3氧化还原电位 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
11、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。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可以弥补这一信息源的缺失。,4溶二氧化碳CO2探头由一支pH探头浸入被可穿透CO2的膜包裹的碳酸氢盐缓冲液中组成,缓冲液与被测发酵液中的CO2分压保持平衡,故缓冲液的pH值可间接表示发酵液中的CO2分压,(四)发酵检测用新型传感器,1离子选择电极这种电极与pH电极相似,是对某种离子呈特异反应的电化学传感器。它由一种离子选择膜、一种连通介质和一个内部参比电极组成。,2生物传感器 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:由单
12、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;电位计、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;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。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。,三、发酵过程其他重要检测技术,(一)生物量分析 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)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
13、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,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。(2)DNA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。,(3)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。(4)粘度:主要用于指示丝状菌的生长和自溶,而
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 发酵 过程 检测 自控
链接地址:https://www.31ppt.com/p-4896868.html