基于气体浓度在线检测的发酵过程反馈控制补料系统设计与实现

发布时间：2021-10-16 22:34

　　随着生物工程技术的发展,发酵工业的生产规模也在逐渐扩大,迫切需要对微生物发酵过程进行先进控制和优化调控,从而提高发酵工业水平。随着发酵工艺的不断进步,从培养基的配比和菌株的选取等方面进行发酵工艺的优化提高了发酵生产水平。分批补料发酵作为发酵行业应用最广泛的发酵形式,对于分批补料发酵制定合适的发酵过程控制补料策略是关键。目前,大多依据离线检测的生物量选择合适的发酵过程补料策略,这种补料方式具有一定的滞后性和不稳定性,难以满足发酵过程在线优化控制的要求,而且人工取样容易造成发酵系统菌体污染,影响发酵过程品质。因此,对于生物发酵过程合适的补料策略能够有效地调控微生物的中间代谢,使之朝着有利于菌体生长和产物合成的方向发展,所以及时且有效的发酵过程补料策略是实现发酵过程在线优化控制的关键。发酵过程在线补料控制实施的难题是无法实时获取到发酵过程的实时状态,所以迫切需要寻找能够反映发酵过程实时状态并可以进行在线检测的实时参量。而发酵过程代谢气体产物包含了重要的过程信息,发酵过程中的气体浓度变化能够直接反映发酵过程菌体的生长状态以及浓度变化。因此,研究基于气体浓度在线检测的发酵过程反馈控制补料方法及系... 

【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图２－３气体配比模块设计??－

??使??Ｍ＝ｎＤＦＡ／５?式（２－２）??可得??Ｉｓ?＝?Ｍｅ??式（２－３）??从式（２－３）中可以看出待测气体的浓度大小与反应产生的电解电流成正比，因??此，电化学气体传感器能够通过检测反应产生的电解电流进行待测气体浓度的在线??检测。??透气膜工作电极?参比电极??｜???出气口?￣Ｔ＋ＩＩ?１????＿——?：）??１恒压电源Ｉ—??气Ｉ?电??进气口?Ｊｈ?Ｉ?Ｉ?二??ｌ?１）?ＩＩ对电极??过滤器１?＇—ｏ??图２－４电化学气体传感器基本结构??Ｆｉｇ．２－４?Ｂａｓｉｃ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ?ｇａｓ?ｓｅｎｓｏｒ??电化学气体传感器的元件包括过滤器、透气膜、电极、以及电解质等主要元件，??其结构如图２－４所示。其工作过程主要分为以下几步：①待测气体通过气体扩散或??气体采样泵抽取的方式进入电化学气体传感器的反应气室，通过过滤器提高气体选??择性；②待测气体从反应气室进入透气膜或者多孔膜，并朝着电极和电解液进行扩??散，透气膜的作用是防止电解液泄露，为工作电极提供结构支持，再次提高气体选??择性；③待测气体扩散到电极表面幵始进行氧化还原反应；④产物脱附，离开电极??表面，进行产物清除。??所以对于Ｃ２Ｈ５ＯＨ气体的检测，电化学气体传感器具有较好的选择性和稳定性，??重复性好，精度较高，并且具有良好的线性输出，对于传感器的浓度数据标定较为??１５??

２光学红外气体传感器在线检测原理分析??发酵过程中伴随着大量的Ｃ０２气体的产生，目前在Ｃ０２气体浓度的在线检测应??用中主要采用电化学气体传感器、半导体气体传感器以及光学气体传感器，对于像??Ｃ０２这样的化学性质较为稳定的气体，采用电化学气体传感器和半导体气体传感器??进行检测的精度与光学传感器相比较低。由于在结构方面各物质分子各不相同，进??而决定了每种物质只能特定吸收一定波长的光，所以光学红外原理的气体传感器可??以利用待测气体的浓度和吸光度之间的关系进行不同组分气体的在线检测。图２－５??为光学红外传感器结构示意图，光学红外传感器采用红外吸收法进行待测气体检测，??根据各气体分子因吸收光谱特性的不同所具有的差异性制成＜：０２光学红外传感器??［４４］，对于不同浓度的Ｃ０２气体，在同一吸收波峰具有不同的吸光度，而吸光度和浓??度成正比关系，因此，通过对待测气体进行检测，观察其对于光强和光波长所产生??的影响变化，进而检测气体浓度的变化。??干涉滤光片??４?４＾４?４?＾??１?［：祕Ｆ—厂一??＾??＾?—???红外辐射源?ｉ红外传感器??气体浓度??１满置程??圍??０?１?２?３?４?５?６?７?８?９?１０?１１?１２?１３?１４?〇??波长（微米）?气体浓度水平??图２－５光学红外传感器结构示意图??Ｆｉｇ．２－５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｏｐｔｉｃａｌ?ｉｎｆｒａｒｅｄ?ｓｅｎｓｏｒ??根据Ｌａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒ定律，入射光强度、出射光强度和待测气体浓度之间的关系??为??ＵＷ?＝?４（乂）ｅｘＰ（－?


本文编号：3440616