CN101182463A - 发酵过程的智能自动流加方法及其所用的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发酵过程的智能流加补料装置，具体地说是一种发酵过程的智能自动流加方法及其所用的装置。按照本发明提供的技术方案，所述发酵过程的智能自动流加装置包括单片机和蠕动泵，并利用单片机控制蠕动泵的开和关来实现自动流加，单片机同时与键盘显示驱动连接，在键盘显示驱动上是指若干个按钮以及用于显示对应的参数的数码显示管，其特征是：利用控制流加速率的按钮来设置流加速率的参数值；利用控制流加的形式的按钮来设定流加的形式；利用控制周期的按钮输入控制周期值。本发明既含有指数流加方法，还整合了现有的恒速和线性流加等流加方法，并可以在恒速、线性和指数流加形式间进行切换，适用于各种发酵过程，能够方便地实现发酵过程的补料自动化。

Description

发酵过程的智能自动流加方法及其所用的装置

技术领域

本发明涉及一种发酵过程的智能流加补料装置，具体地说是一种发酵过程的智能自动流加方法及其所用的装置。

背景技术

根据发酵过程理论，在微生物生长的某些阶段，需持续加入营养料、酸、碱等流加物，以提高转化率、产量等，不同发酵过程的不同阶段，流加物的补充形式不同，现有的发酵过程自动补料系统中，一般采用蠕动泵，其流加方法基本上是恒速或线性。很多发酵过程需要一种按指数的自动流加方法，但基于蠕动泵很难实现，工厂和实验室中往往采用分阶段手工操作的方式来近似实现指数流加，这样一则影响发酵过程的自动化程度，二则会产生较大的误差。而将恒速、线性和指数等方法集成于一个装置中，根据需要切换，更可智能化自动流加。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种发酵过程的智能自动流加方法及其所用的装置。该装置可以选择恒速、线性和指数三种流加方式。现场操作人员通过专用的键盘按钮选择流加方式，并输入控制周期，然后按动另外两组键盘按钮设定参数，从而确定出流加速率的计算公式。最后，按照控制周期和当前时刻的补料速率，计算出蠕动泵的开关时间，并输出开关量去控制蠕动泵，从而实现智能流加。

按照本发明提供的技术方案，所述发酵过程的智能自动流加装置包括单片机和蠕动泵，并利用单片机控制蠕动泵的开和关来实现自动流加，单片机同时与键盘显示驱动连接，在键盘显示驱动上是指若干个按钮以及用于显示对应的参数的数码显示管，其特征是：利用控制流加速率的按钮来设置流加速率的参数值，并由对应的数码显示管显示参数；利用控制流加的形式的按钮来设定流加的形式，并由对应的数码管显示流加状态；利用控制周期的按钮输入控制周期值，并由对应的一组数码管显示当前控制周期值，另一组数码管实时显示流加速率；

在以上各参数都已经设定完成后，单片机根据控制周期值和流加速率的参数值，计算出当前控制周期内蠕动泵的开关时间分布；设线性流加的补料速率为At+B，指数补料速率为A×Exp(Bt)，其中“×”表示乘法，Exp为指数函数，t为时间，A和B为设定参数；设Cycle为一个控制周期单元，在(n-1)×Cycle到n×Cycle补料周期内的补料速度为：

$V_r=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{\mathrm{Cycle}},& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{\mathrm{Cycle}}<M\\ M,& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{\mathrm{Cycle}}M\end{array}\right.$ 公式(1)

式中：Vr表示当前控制周期内的流加速率，M为补料蛇管中料液的流速，单位：毫升/秒，n为控制周期数，dt为时间的微分，蠕动泵在该周期内开的时间为：

$T_r=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{M},& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{M}<\mathrm{Cycle}\\ \mathrm{Cycle},& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{M}>\mathrm{Cycle}\end{array}\right.$ 公式(2)

式中Tr表示当前控制周期内的蠕动泵开的时间。

所述单片机数字量输出口接蠕动泵，同时，单片机通过I²C总线连接键盘显示驱动，键盘显示驱动接按钮和数码显示管，其中按钮分别用来设定参数、控制周期以及流加形式，数码显示管分别用来显示参数、控制周期、流加速率和流加方式。

本发明与已有技术相比具有以下优点：本发明完全实现了发酵过程流加自动化，用户可以根据实际需要，在任意时刻选择恒速、线性和指数等不同的流加方式，只需要设定几个参数，该系统便可以自动流加补料，提高了整个发酵过程的自动化程度，为发酵过程真正实现自动控制提供便利条件；每个控制周期内蠕动泵的开关时间都是根据流加曲线实时计算得出，提高了流加的实时性和准确性；针对能进行开和关的操作，但是不能进行速度调整的蠕动泵，本发明采用控制周期的方式实现恒速、线性和指数流加，增加了流加方式的适用性。

附图说明

图1为本发明电路方框原理图。

具体实施方式

所述发酵过程的智能自动流加装置包括单片机1和蠕动泵12，并利用单片机1控制蠕动泵12的开和关来实现自动流加，单片机1同时与键盘显示驱动2连接，在键盘显示驱动2上是指若干个按钮以及用于显示对应的参数的数码显示管，其特征是：利用控制流加速率的按钮来设置流加速率的参数值，并由对应的数码显示管显示参数；利用控制流加的形式的按钮来设定流加的形式，并由对应的数码管显示流加状态；利用控制周期的按钮输入控制周期值，并由对应的一组数码管显示当前控制周期值，另一组数码管实时显示流加速率；

在以上各参数都已经设定完成后，单片机1根据控制周期值和流加速率的参数值，计算出当前控制周期内蠕动泵12的开关时间分布；设线性流加的补料速率为At+B，指数补料速率为A×Exp(Bt)，其中“×”表示乘法，Exp为指数函数，t为时间，A和B为设定参数；设Cycle为一个控制周期单元，在(n-1)×Cycle到n×Cycle补料周期内的补料速度为：

$V_r=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{\mathrm{Cycle}},& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{\mathrm{Cycle}}<M\\ M,& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{\mathrm{Cycle}}M\end{array}\right.$ 公式(1)

式中：Vr表示当前控制周期内的流加速率，M为补料蛇管中料液的流速，单位：毫升/秒，n为控制周期数，dt为时间的微分，蠕动泵在该周期内开的时间为：

$T_r=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{M},& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{M}<\mathrm{Cycle}\\ \mathrm{Cycle},& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{M}>\mathrm{Cycle}\end{array}\right.$ 公式(2)

式中Tr表示当前控制周期内的蠕动泵开的时间。

所述装置如图1所示：智能流加系统包括单片机1、键盘显示驱动2、键盘按钮3、4、10、11、数码管5、、6、7、8、9和蠕动泵12。单片机1数字量输出口接蠕动泵12，同时，单片机1通过I²C总线连接键盘显示驱动2，键盘显示驱动2接按钮3、4、10、11和数码显示管5、6、7、8、9，其中按钮3、4、10、11分别用来设定参数A、B、控制周期以及流加形式，数码显示管5、6、7、8、9分别用来显示参数A、B、控制周期、流加速率和流加方式。

在发酵过程中，用户首先通过按钮11设定线性或指数流加(恒速流加是线性流加的一种特殊形式)，设定的值通过数码管9显示，其中0表示线性流加，1表示指数流加，然后按动按钮3、4设定参数A和B的值，其中每个按钮可以设定参数值的一位，每按动一次，该位值增加一个单位，其位值的变化不会影响其它位，设定值实时显示在数码显示管5、6上，最后再采用和参数A一样的设定方法，设定控制周期。单片机2根据控制周期和参数A、B，按照公式(1)和(2)计算出每个控制周期的流加速率和蠕动泵的开关时间，数码管8显示出当前控制周期的流加速率，单片机2的数字输出端口按照蠕动泵开的时间输出信号给蠕动泵12，控制其开关时间，实现相应的流加方式。

本发明既含有指数流加方法，还整合了现有的恒速和线性流加等流加方法，并可以在恒速、线性和指数流加形式间进行切换，适用于各种发酵过程，能够方便地实现发酵过程的补料自动化。

Claims (2)

1.发酵过程的智能自动流加方法，包括单片机(1)和蠕动泵(12)，并利用单片机(1)控制蠕动泵(12)的开和关来实现自动流加，单片机(1)同时与键盘显示驱动(2)连接，在键盘显示驱动(2)上是指若干个按钮以及用于显示对应的参数的数码显示管，其特征是：利用控制流加速率的按钮来设置流加速率的参数值，并由对应的数码显示管显示参数；利用控制流加的形式的按钮来设定流加的形式，并由对应的数码管显示流加状态；利用控制周期的按钮输入控制周期值，并由对应的一组数码管显示当前控制周期值，另一组数码管实时显示流加速率；

在以上各参数都已经设定完成后，单片机(1)根据控制周期值和流加速率的参数值，计算出当前控制周期内蠕动泵(12)的开关时间分布；设线性流加的补料速率为At+B，指数补料速率为A×Exp(Bt)，其中“×”表示乘法，Exp为指数函数，t为时间，A和B为设定参数；设Cycle为一个控制周期单元，在(n-1)×Cycle到n×Cycle补料周期内的补料速度为：

$V_r=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{\mathrm{Cycle}},& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{\mathrm{Cycle}}<M\\ M,& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{\mathrm{Cycle}}M\end{array}\right.$ 公式(1)

式中：Vr表示当前控制周期内的流加速率，M为补料蛇管中料液的流速，单位：毫升/秒，n为控制周期数，dt为时间的微分，蠕动泵在该周期内开的时间为：

$T_r=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{M},& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{M}<\mathrm{Cycle}\\ \mathrm{Cycle},& \mathrm{if}\frac{{\&Integral;}_{(n-1)\mathrm{Cycle}}^{n*\mathrm{Cycle}}\mathrm{Vdt}}{M}>\mathrm{Cycle}\end{array}\right.$ 公式(2)

式中Tr表示当前控制周期内的蠕动泵开的时间。

2.如权利要求1所述发酵过程的智能自动流加方法所用的装置，其特征是：单片机(1)的数字量输出口接蠕动泵(12)，同时，单片机(1)通过I²C总线连接键盘显示驱动(2)，键盘显示驱动(2)接按钮(3、4、10、11)和数码显示管(5、6、7、8、9)，其中按钮(3、4、10、11)分别用来设定参数(A、B)、控制周期以及流加形式，数码显示管(5、6、7、8、9)分别用来显示参数(A、B)、控制周期、流加速率和流加方式。