生物发酵过程的在线检测及控制
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摘要
发酵过程是极其复杂的生化反应过程。要对生化反应过程实现优化操作和控制,首先要解决生化过程有关参数的在线测量问题。然而由于过程的复杂性和传感器的匮乏,某些参数不能实现在线测量,但是可以通过离线分析的方式测量,如发酵罐中的底物浓度,产物浓度等。另外,还有一些参数需要通过二次计算才能得出,如氧利用率,二氧化碳释放率和呼吸商等,这些参数对于研究发酵的代谢状况有着重要的意义。
本课题“生物发酵过程的在线检测及控制”,是根据生物发酵工程的实际需要而自选的。论文主要完成了课题的前期工作,即研制专用数据采集系统(硬、软件),实现发酵罐数据采集和整理。本文根据低频信号的特点,设计了用单片机进行数据采集,用RS—232串口与计算机通讯。并在LabVIEW图形化编程开发平台下进行控制和显示的一个低频数据采集系统。同时,对整个系统研制了相应的硬件和软件程序,并经实验进行了验证,实现了发酵过程尾气中氧气、二氧化碳含量的在线测量、显示、数据保存,二次计算数据即氧利用率、二氧化碳释放率和呼吸商的在线显示,以及历史数据的回放,并对各种参数的控制提出了设计思想。为实施生化过程的离线分析和在线最优控制提供数据支持,为课题的更进一步进行研究创造了条件。
The fermentation is a very complicated process. The fundamental of optimal operation and control of the biochemical reaction process is online measurement. The parameters such as substrate consistency, product consistency etc that can not be acquired online due to the complication and lack of appropriate sensor can be obtained through offline analyzing. In addition, some of the parameters, such as O_2 utilizing rate, CO_2 releasing rate and respiratory quotient can only be got by indirect calculation and these parameters are of great significance to the studying metabolic state of fermentation.
The subject‘online measurement and control of the biology ferment’is self-selected issue according to realistic need of biology fermentation technology. The main mission of this paper, the data acquisition system, including hardware developing and software programming, is developed and actual ferment data acquired and processed. Based on low frequency feature of the data to be acquired, A single chip MCU system for data acquiring is developed and connected to a personal computer through RS232. The procedure for data acquiring, data processing, graphical illustrating is programmed under LabVIEW graphic language environment. On-site test showed the measuring, online graphic displaying, data storing for the contents of the O_2 and CO_2 in the exhaust, The second calculate data for O_2 utilizing rate, CO_2 releasing rate, respiratory quotient as while as historical data playback are completely realized. The control idea of related parameters is put forward. The achievement of this paper supplied a good support for immediate offline analysis of biochemical process and optimal control. The further studying of the subject is underpinned by results of this paper.
本课题“生物发酵过程的在线检测及控制”,是根据生物发酵工程的实际需要而自选的。论文主要完成了课题的前期工作,即研制专用数据采集系统(硬、软件),实现发酵罐数据采集和整理。本文根据低频信号的特点,设计了用单片机进行数据采集,用RS—232串口与计算机通讯。并在LabVIEW图形化编程开发平台下进行控制和显示的一个低频数据采集系统。同时,对整个系统研制了相应的硬件和软件程序,并经实验进行了验证,实现了发酵过程尾气中氧气、二氧化碳含量的在线测量、显示、数据保存,二次计算数据即氧利用率、二氧化碳释放率和呼吸商的在线显示,以及历史数据的回放,并对各种参数的控制提出了设计思想。为实施生化过程的离线分析和在线最优控制提供数据支持,为课题的更进一步进行研究创造了条件。
The fermentation is a very complicated process. The fundamental of optimal operation and control of the biochemical reaction process is online measurement. The parameters such as substrate consistency, product consistency etc that can not be acquired online due to the complication and lack of appropriate sensor can be obtained through offline analyzing. In addition, some of the parameters, such as O_2 utilizing rate, CO_2 releasing rate and respiratory quotient can only be got by indirect calculation and these parameters are of great significance to the studying metabolic state of fermentation.
The subject‘online measurement and control of the biology ferment’is self-selected issue according to realistic need of biology fermentation technology. The main mission of this paper, the data acquisition system, including hardware developing and software programming, is developed and actual ferment data acquired and processed. Based on low frequency feature of the data to be acquired, A single chip MCU system for data acquiring is developed and connected to a personal computer through RS232. The procedure for data acquiring, data processing, graphical illustrating is programmed under LabVIEW graphic language environment. On-site test showed the measuring, online graphic displaying, data storing for the contents of the O_2 and CO_2 in the exhaust, The second calculate data for O_2 utilizing rate, CO_2 releasing rate, respiratory quotient as while as historical data playback are completely realized. The control idea of related parameters is put forward. The achievement of this paper supplied a good support for immediate offline analysis of biochemical process and optimal control. The further studying of the subject is underpinned by results of this paper.
引文
[1].杨乐平,李海涛,杨磊.LabVIEW程序设计与应用.电子工业出版社.2006
[2].陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通.清华大学出版社.2007
[3].杨乐平,李海涛,赵勇,杨磊.LabVIEW高级程序设计.清华大学出版社.2006
[4].[美]Robert H.Bishop著.LabVIEW StudentEdition 6i.电子工业出版社.2003
[5].曹玲芝.现代测试技术及虚拟仪器[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.
[6].何立民.单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990.
[7].俞俊堂,唐孝宣.生物工艺学.第二版.上海:华东理工大出版社.1992
[8].张嗣良,储炬.多尺度微生物过程优化.北京:化学工业出版社,2003.
[9].王树青、元英进,生化过程自动化技术,化学工业出版社,1999。
[10].张亚刚 发酵过程计算机控制系统的设计与实现,天津轻工业学院硕士学位论文,2001。
[11].廖彦LABVIEW环境下的实时控制方案设计与研究,西北工业大学硕士学位论文,2002。
[12].魏相华虚拟仪器(Ⅵ)的发现现状和前景工业控制计算机,2001(3):1-2。
[13].赵志强基于LabVIEW的多任务测控系统及数据库的应用研究,重庆大学硕士学位论文,2006。
[14].王剑基于LabVIEW的数据采集及分析系统的开发,哈尔滨理工大学硕士学位论文,2004。
[15].徐超基于LabVIEW的温湿度测控系统设计,重庆大学硕士学位论文,2005。
[16].刘桃英,孔慧(2004).CAN总线在分布式生物发酵过程控制系统中的应用.江苏大学学报,25(2):109-111.
[17].魏英智,关宁东,禄晓七(2005).定时控温发酵器的单片机控制.传感技术学报,18(1):153-156.
[18].刘仲汇,周万里,毕春元等(2004).发酵在线PH温度智能控制系统在发酵工业中的应用,食品与发酵工业,30(9):66-68.
[19].王秀清,李淑清,严新忠等(2004).发酵过程PLC控制系统的研究.天津科技大学学报,19(1):32-35.
[20].姜长洪,姜楠,王贵成等(2004).谷氨酸发酵过程先进控制.化工自动化及仪表,31(2):28-30.
[21].熊伟丽,徐保国,肖应旺(2005).基于PLC的Fuzzy-Pl发酵温度控制系统.计算机工程,31(9):207-209.
[22].吴跃芳,朱菊红,吕拥军(2002).DCS在发酵生产过程中的应用.化学工业与工程技术,23(3):26-27
[23].徐玲,潘丰,刘忆等(2001).DCS在柠檬酸发酵过程控制中的应用.工业仪表与自动化装置,(2):29-32.
[24].李天博,李甘林(2002)。低成本DCS在发酵罐群微机测控系统中的应用.工业控制计算机,15(6):29-30.
[25].孔慧,刘桃英(2002).CAN总线在分布式生物发酵过程控制系统中的应用.工业控制计算机,15(1):13-15.
[26].吴湘淇.数字信号处理技术及应用.中国铁道出版社,1986:124-129
[27].赵海新,孙宝刚,梁凯等(2002).抗生素发酵过程计算机控制技术(二).医药工程设计杂志,23(3):37-42.
[28].易异勋(1999).制药工业青霉素发酵过程微机控制的研究和设计.长沙电力学院学报(自然科学版),14(4):328-320.
[29].范茂兴,潘丰等(1994).氨基酸发酵微机控制系统.无锡轻工业学院学报,13(1):57-66.
[30].姜长洪等(1996).大型谷氨酸发酵过程的DCS控制.化工自动化及仪表,23(2):18-22.
[31].苏春玉(1999).TCS集散系统在金霉素发酵过程中的应用.化工自动化及仪表,26(2):18-19.
[32].石贤爱等(2000).卡那霉素发酵过程专家控制节能系统.长沙电力学院学报(自然科学版),28(1):102-105.
[33].杨一兵.人工智能方法在生化控制中的应用.浙江大学博士学位论文,1996.
[34].曾一江(2000).啤酒发酵温度的模糊控制研究.计算机自动测量与控制,8(3):30-32.
[35].王畅(1999).模糊控制算法在计算机对发酵过程罐温控制中的应用.长沙电力学院学报(自然科学版),14(4):321-324.
[36].张嗣良,李凡超.发酵过程中pH及溶解氧的测量与控制.东北化工学院出版社,1992
[37].Beyeler,W.,Dapra,E.,Schneider,K(2000).Automation of industrial bioProcesses.Advances in Biochemical Engineering/Blotechnology,70:139-164.
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[39].Satisbkumar,B.,Chidambaram,M.(1999)Contro lof unstable binreactor using fuzzy tuned PI controller.BioProcess and Biosystems Enginecring,20(2):127-132.
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