《基于转速对发酵工艺的控制》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于转速对发酵工艺的控制(10页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、基于转速对发酵工艺的控制wangyuan摘要:通过这学期对自动化装置课程的学习,我认识了一些用于对传 统工艺控制的技术,比如PLC控制器,DCS集散控制系统等。我们做 了四次实验,也进行了研讨课,在研讨课的过程中,通过自己的查阅 资料,还是学到了许多的知识,虽然不是特别的深入,却让自己见识 更加的广阔。在整个研讨课的过程中,我们小组选择的是转速对发酵 工艺发的控制,四个方面,一:工艺分析,二:被控量的选择,三: PLC的使用四:方案的整体考虑。关键字:发酵转速PLC 传感器搅拌1. 工艺分析:发酵工艺以发酵产品职业岗位为导向,以发酵产品 为对象进行项目设计。从最基本、最通用的知识和技能开始,对
2、 不同发酵产品的生产工艺进行分类训练,要工艺。要求做到科学 性、先进性与实用性相结合,注重基本理论、基本知识和基本技 能的传授。工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实 现的工艺叫做“发酵”。这样定义的发酵就是“工业发酵”。工业发酵 要依靠微生物的生命活动,生命活动依靠生物氧化提供的代谢能 来支撑,因此工业发酵应该覆盖微生物生理学中生物氧化的所有 方式:有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。通用式发酵罐是最广泛应用 的深层好气培养设备。在工业生产中,尤其是制药工业中,使用得最广泛的就是通用式 发酵罐。这种发酵绕既具有机械搅拌装置,乂具有压缩空气分布 装置。发酵罐的搅拌轴既可置于发酵罐的顶部,也可置于
3、其底部, 其高径比为2:1-6:19有关的重要因素是氧传递效率,功率输入, 混合质量,搅拌桨形式和发酵罐的几何比例等通用式发酵罐的工 作原理是:利用浸在发酵液中的转子迅速旋转,导致液体和空气 在离心力的作用下向外边缘运动,慢慢会导致转子附近的压力越 来越大,所以通用式发酵罐转子的转子变的更快了。由于转子的 空膛与大气相通,发酵罐外的空气通过过滤器不断地被吸入,随 即甩向叶轮外缘,再通过异向叶轮使气液均匀分布甩出。转子的 搅拌,又使气液在叶轮周围形成强烈的混合流,空气泡被粉碎, 气液充分混合。2. 被控量的选择:虽然在发酵的控制过程中有许多的变量,各个变 量都会对发酵系统有影响,因此,我们需要选
4、择变量,然后对变量 实行有效的控制,那么,系统就会出现最优化的控制,这样对生产 是最有利的,然后我们选择了搅拌转速对发酵系统的控制。举例:用两个例子说明转速对发酵过程的影响两阶段搅拌转速控制策略发酵生产柠II酸李佳时,刘龙I,李江华”,琲国成巳陈坚1,2,孙福淅3 (1.江南大学糖化学与生物技术教育部屯点尖轮室,江苏无钥214122;2.江南大学工业生物技术教。部重点 实轮室,江苏无铝214122;!宜兴协联生物化学有限公司,江苏宜兴214203)摘要:采用3L机域搅拜式发哗雄研究黑曲每发祥生产杓卷酸的培养条件,考察了不同林度的 发畔转速对黑曲窖生长、柠膝成产量以及残掠的影响。姓杲显示,在固定
5、控制条件下,固定转速 500 r/min时发碎情况最好,产酸均达到12.9g/dL,糠酸转化率为86%,生物十为42.6 g/L。根据 实睑诂果进行了两阶段转速控制发#,结果产酸为14g/dL,*化*94.6%。在此慕外上谜行了分 枇补料发酢优化,与两阶段投掉转速控制分批发就相比,柠膝成产壬(17.2g/L)提高了 22.8%,接 酸转化率(95.5%)提击了 2.2%关键词:黑曲牵;柠膝酸;枕掉转速;两阶段策略中国食品添加剂China l;ood Additives2003 No. 2搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响林剑郑舒文徐世艾(烟台大学生物工程系.烟台264005)摘要屈原腿由黄郸分渊H槌
6、外觥杂多糖.几十年来国内外i移鞋椭原胶的生物合成机 理黄胶产生面的生理生化陇唳嬲工艺等方面进行了较系统跚究。西方综述了利用柑拭生物反应器 发解生产甄阙.搅滕速与溶氧椭原胶嬲过程物各种缴的控制吸黄原蹒f的影响。建词胃原胶生物反蘑瀚瞄速发酵液中黄原胶浓度也基本相同(1) 转速为500转/分的发酵在发酵后期其黄原胶的生成速率呈-F 降趋势(2) 最后的实验结果也是在转速为500转/分的发酵条件下的黄原胶的生成量比转速为100转/分条件下发酵的黄原胶的生成量少。(3)尽管上述两种不同搅拌速率的发酵其生物量和底物消耗相同, 但黄原胶的生成率却不相同,营养性物质的传递阻力,如果增 加涡轮的转速,则可以减少
7、这一薄层形成的阻力从而强化 氧和其他营养性物质的传递,有利于菌体的生长和代谢,最后的结 果可以明显地提高发酵液中黄原胶的含量。通过两个过程,可以知道转速的不同,对发酵过程的影响极其 重要,所以,我们需要合理的控制发酵过程中的转速,这样才能实 现最优化的控制系统。3. PLC的使用:单片计算机系统,即由嵌入式微控制器(MCU)和外 围器件组成的智能系统。其硬件分为三个层次,核心处理层、外 围电路层和外部设备层“核心处理层是系统的核心,控制系统的工 作;外围电路层有FO端口、内存、复位电源等,和核心处理层 构成基本的嵌入式系统;外部设备层是嵌入式系统和外部环境互 动的物理设备,如键盘,显(LCD、
8、VDF)、FO接口等。PLC源于继电器控制装置。早期的PLC主要由分立元件和中 小规模集成电路组成,简化了计算机的内部电路,对工业现场环 境适应性较好,指令系统简单,一般只有逻辑运算的功能。近年 来,随着计算机、控制以及通讯等技术的高速发展,PLC己逐步 发展成为一种以微控制器为核心,综合了自动控制、数据采集与 处理、网络通讯等功能于一体的高度集成化工业控制装置。PLC具有稳定性高,抗干扰能力强;使用方便、体积小;功能强、可扩展性好等特点,是其他电控制器所没有的。由输入接口CPU存储器电源输出接口扩展单元接编程器外部设备接口w L3 PLC硬件结构体系此可见,PLC是一种适合于生产过程和现场工
9、程技术人员、具有 广泛使用价值的工业控制装置它很适用于生物反应过程数据采集 和控制,特别是发酵工程对设备提出的顺序性的操作要求。工业控制计算机数据采集卡控制输出卡图1.2工业控制计算机二级控制工业控制计算机生产过程通信接口常规控制仪表输入输出接口图1.1工业控制计算机直接控制图1.4集散控制系统采用PLC和监控计算机的方式对14L发酵罐控制系统进行了 改造,完成了对温度、pH、压力、溶氧等参数的在线检测和控制, 并根据发酵过程的特点,建立生物参量与pH值、溶解氧浓度DO 的数学关系,实现对生物参量的在线软测量。实验表明测控系统 是有效的,软测量模型是可靠的啤酒发酵过程控制及其管理自动 化的要求
10、,组建了以PLC为现场控制器的啤酒发酵过程分布式测 控系统并对发酵过程温度控制的系统特性进行了分析,提出了模 糊和PID结合的混合控制方法。系统成功应用于啤酒厂,提高了 发酵过程控制精度,提高了经济效益。子PLC的高度集成化、配 置灵活,使测控系统的组建难度降低,同时增强了测控系统的扩 展性。构建基于PLC的测控系统是工业控制领域的重要发展方向。4. 考虑方案:在全面分析微生物发酵测控技术及其系统发展现状的基 础上,研究基于PLC的发酵测控系统集成方法,结合酵母发酵生产 谷胧甘肚工艺过程及参数检测和控制的特点,集成了以57 - 400 为现场测控单元的智能化发酵过程测控系统,应用模糊集理论,提
11、 出了用于优化流加补料的模糊控制方法,构建了模糊控制器,为实 现酵母发酵过程的有效测控奠定了基础。通过详细的理论和实验研 究得出以下主要结论:(1)发酵工程技术、计算机技术、控制技术的发展,已促使发酵测 控系统向智能化方向发展。基于PLC现场控制单元的发酵测控系统 是发酵过程测控系统的重要发展方向,PLC有利于发酵测控系统现 场控制单元化,提高系统稳定性和扩展性。(2)结合发酵过程工艺特征,所给出的基于PLC的发酵测控系统体 系结构和功能描述合理、完善,为集成智能化的发酵过程测控系统 奠定了基础。(3)所给出的基于PLC的发酵测控系统集成方法正确可行,能够用 于发酵过程控制系统的集成。(4)结
12、合酵母发酵生产谷肤甘肤工艺过程及参数检测和控制的特点, 所集成的基于57 一 400的智能化发酵过程测控系统置合理、功能 完善,能够实现对发酵过程的监测和控制。(5)针对酵母发酵生产谷眺甘肤补料特征,提出的用于优化流加补 料模糊控制方法,能有效地用于流加补料控制,控制效果良好,提 高了谷肤甘肤产量。发酵工艺完成的工作主要包括以下几个方面:(1)全面分析了发酵过程测控技术及其系统的研究现状,结合发酵 过程的工艺特点及参量的变化特征,研究了基于PLC的发酵过程测 控系统的集成方法;给出了测控系统的体系结构和相应功能描述。(2)结合酵母发酵生产谷肤甘肤工艺过程及参数检测和控制的特点,集成了基于57
13、一 400的智能化发酵过程测控系统。(3)给出了基于57 一 400的智能化发酵过程测控系统的软硬件设 计。(4)结合发酵生产谷肤甘肤的过程机理,应用模糊集理论,提出了 用于优化流加补料的模糊控制方法,构建了模糊控制器。(5)对集成的发酵过程测控系统和补料模糊控制器进行了相应的实 验研究总结全文研究,作者认为尚有以下研究工作有待于进一步研 究和完善。(1)发酵测控系统集成的合理性直接影响发酵过程测控系统的性能, 需进一步研究系统集成的优化方法,提高系统的集成度。(2)发酵系统稳态余差影响着模糊控制效果和控制精度,需进一步 研究模糊隶属函数和模糊控制规则建立的新方法,提高模糊控制的 精度。5 .
14、参考文献(1)张嗣良,发酵过程多水平问题及其生物反应器装置技术研究J,中国工程科学,2001,3(8):37 一 45(2HalmeA,KarimMN,lndusrtialautomationofbioehemiealProcesse s:someexPerieneessadufturertends月,BioProeessMonitoringnad ConrtoLNewybkr,Barcelona,1992:305 一 357(3)李德茂,刘四新,陈利梅,计算机控制发酵系统研究进展田,热带农业科学,2003,23(1):74 78(4)石功.国外防腐剂市场新动向N.中国食品报.2002 (5)郑美英, 堵国成,陈坚,顾王芳;分批发酵生产谷氨酰胺转氨酶的温度控制策略 J;生物工程学报;2000年06期(6)天然食品保鲜剂聚赖氨酸J广州食品工业科技.1993