CN108004140A

CN108004140A - 一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法

Info

Publication number: CN108004140A
Application number: CN201810087652.1A
Authority: CN
Inventors: 陈中合; 陈伟; 刘德玲
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2018-05-08

Abstract

本发明提供了一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，反应器控制系统主要由嵌入式微控制器和现场可编程门阵列器件、温度调节模块、压力度调节模块、液位调节模块、流量调节模块、GSM模块、检测控制模块等组成；可以实现生物反应器温度、压力、流量、液位、氧浓度、二氧化碳浓度与重量等全参数检测和自动控制，检测与采集得到的各类参数数据进行计算处理，分析得到生物反应过程的氧摄取率、二氧化碳生成率与比生长率等，可以实现生物反应过程的优化。

Description

一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，主要应用于制药、食品、化工等领域中反应过程中反应参数的在线检测和自动控制，实现反应过程的优化，具体涉一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法。

背景技术

生物反应器是利用酶或生物体所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，它是一种生物功能模拟机(容器)，如发酵罐、酶或细胞反应器等，在食品与发酵(如酒类、氨基酸、有机酸)、医药(抗生素、干扰素)、环境(生物降解)、生物能源(纤维素乙醇、产油微藻、沼气)等生产和科研领域广泛应用。

由于生物反应过程是具有生命特征细胞代谢的复杂过程，活体细胞在反应器中的生理状态调控是反应器强化、过程优化与放大的核心，及时获知细胞在反应器环境中的生理代谢特性，设计合理的反应器系统是实现生物反应过程优化及生物反应器强化的前提；在生物反应过程优化研究中，反应器操作条件的变化会影响细胞内微观代谢，与其相对应的反应器层面宏观代谢情况也会发生变化；将优化了的小试反应器细胞生理代谢状态在大型反应器中重现，了解和掌握不同的反应器设计、操作条件下流场特性的变化情况，结合宏观生理特性变化进行分析，维持生物反应器的高效运行需要对反应器中的生物过程进行控制和优化，从而获得最大的生物转化率和最低的反应成本，控制和优化的基础就是对反应器内各种反应参数进行检测和自动控制。

反应过程中各参数生物反应器的检测方式有离线检测和在线检测两种。离线检测是由人工取样，然后将样品送到化验室或仪器室，通过专用仪器进行测定。在线检测是把检测仪器直接与反应器连接在一起或检测传感器探头插入反应器内进行检测，取样和检测过程可连续、迅速、准确完成，能及时、准确、连续的反映反应器生化过程的动态变化，有利于生物反应过程的优化与控制。

生物反应器全参数检测中，除了常规检测的温度、DO、pH值、转速等，还配置了一些特殊参数的检测：检测尾气氧和二氧化碳浓度，用于计算整个生物反应过程的氧摄取速率(OUR)和二氧化碳生成速率(CER)；同时为了计算上述两个生理代谢参数，还需配置准确测定空气流量的质量流量计、直接安装在反应器顶部的压力变送器、反应器称重系统(工业规模为差压变送器)计量体积和对代谢物质流检测的补料电了秤系统等。

结合反应器的多种特点，对生物反应器各类过程参数实现在线海量数据检测与采集，融合多种过程理论和控制理论，结合生物学知识、对这些参数开进行相关计算和分析，对反应过程进行多尺度工艺分析和优化操作，才有可能实现在反应器尺度变化，甚至基因尺度变化时实现反应过程的优化和自动控制。

发明内容

本发明旨在提供一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，较好地解决生物反应器各过程参数在线数据检测与采集、数据计算和处理，在反应器尺度变化，甚至基因尺度变化时实现反应过程的优化和自动控制。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物反应器全参数检测系统，主要用于图1所示的生物反应器全参数检测；生物反应器全参数检测系统组成主要有：生物反应器、搅拌器电机与变频器、电子称重仪、液位变送器、pH值测量仪、溶解氧测量仪、温度变送器、控制系统、O₂浓度仪、CO₂浓度仪、压力传感器、空气阀、空气流量计、冷却水阀、冷却水流量计、称重仪、进料阀与放料阀组成。

一种生物反应器全参数检测系统中所述控制系统，如图2所示，主要由嵌入式微控制器和现场可编程门阵列(FPGA)器件、温度测控模块、压力测控模块、流量测控模块、浓度测控模块、pH值测控模块、重量测控模块、GSM模块、本地和网络PC、LCD控制、各种传感器、打印机及检测控制模块组成；主要由嵌入式微控制器和现场可编程门阵列(FPGA)器件、温度调节模块、真空度调节模块、GSM模块、本地和网络PC、LCD控制、各种传感器、打印机及检测、控制模块组成，如图2所示，实现生物反应器的参数检测、现场显示、现场控制等功能，同时实现生物反应器温度、压力、流量、浓度与液位的自动化控制；所述可编程门阵列(FPGA)器件，提供大量RAM空间来保存中间参数和查表计算，提供大量的通用I/O接口，用于输入输出模块以及快速响应精确的PWM调制功能；所述检测测量模块，主要由传感器、信号调整及采集等组成，实现生物反应器温度、压力、流量、浓度与液位以及各主要部件的状态的测量；所述控制模块主要由驱动及执行机构组成，实现气阀、水阀、电动机、变频器等的驱动与控制；所述LCD触摸屏、IDE硬盘、打印机协调工作以实现生物反应器全参数的实时采集、显示、输出与数据存储，以及生物反应器温度、压力、流量、浓度与液位参数的设置与控制等功能；所述GSM模块，实现工业现场的无线监测，本地PC可用于远程控制，网络PC可扩展为正在兴起的网络控制；所述嵌入式微处理器，需要提供较强的控制能力、USART接口、ADC转换功能、LCD触摸屏与USB口等，对该生物反应器全参数要进行大量的数据运算和处理。

一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，所述生物反应器测量控制方法，自动控制流程如图3所示，生物反应器的温度、压力、流量、浓度与液位的控制均采用各自参数的模糊控制，设定值和测定值经过模糊划分后，送入模糊控制网络，生成控制子集，通过转化器产生PWM脉宽调制用的频率值与占空比，然后生成PWM驱动信号，驱动电力电子器件，电源输出给电机和自动阀门，通过反应器传感器及调整电路，形成相应参数值和参数变化率，根据相应参数值和参数变化率控制器对输出频率和占空比进行调整，通过对生物反应器电机的启动、停止和频率以及相应自动阀门开关调节设置和控制，实现生物反应器相应参数检测与控制；通过pH值测量仪测量反应器内物料pH值，通过溶解氧测量仪测量反应器内溶解氧浓度，通过O₂浓度仪测量反应器内氧浓度，通过CO₂浓度仪测量反应器内CO₂的浓度，通过称重仪测量反应器内物料重量，通过传感器在线检测并变送传到控制系统实现生物反应器全参数检测与控制。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，可以较好地解决了生物反应器各类参数在线数据检测与采集，实现了生物反应器的温度、压力、流量、浓度与液位的自动控制，结合反应器的特点，融合各种过程理论与控制理论，检测与采集得到的各类参数数据进行计算处理，分析得到生物反应过程的氧摄取率、二氧化碳生成率、呼吸熵、体积氧传递系数、比生长率等，实现生物反应过程的优化。

附图说明

图1为本发明的生物反应器全参数检测系统组成示意图；

图1中：1. 生物反应器，2. 搅拌器，3. 电子称重仪，4.放料阀，5.液位变送器，6. pH测量仪，7.溶解氧测量仪，8.温度变送器，9.控制系统，10. O₂浓度仪，11. CO₂浓度仪，12.搅拌电机与变频器，13. 压力传感器，14.空气阀，15. 空气流量计，16. 冷却水阀，17. 冷却水流量计，18. 进料阀；

图2为本发明的生物反应器控制系统组成示意图；

图3为本发明的生物反应器自动控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

一种生物反应器全参数检测系统，如图1所示，由生物反应器1、搅拌器2、电子称重仪3、出料阀4、液位变送器5、pH测量仪6、溶解氧测量仪7、温度变送器8、控制系统9、O₂浓度仪10、CO₂浓度仪11、搅拌电机与变频器12、压力传感器13、空气阀14、空气流量计15、冷却水阀16、冷却水流量计17、进料阀18、组成。

一种生物反应器全参数检测系统中所述控制系统9，如图2所示，主要由嵌入式微控制器和现场可编程门阵列(FPGA)器件、温度测控模块、压力测控模块、流量测控模块、浓度测控模块、pH值测控模块、重量测控模块、GSM模块、本地和网络PC、LCD控制、各种传感器、打印机及检测控制模块组成；主要由嵌入式微控制器和现场可编程门阵列(FPGA)器件、温度调节模块、压力调节模块、GSM模块、本地和网络PC、LCD控制、各种传感器、打印机及检测、控制模块组成，如图2所示，实现生物反应器的参数检测、现场显示、现场控制等功能，同时实现生物反应器温度、压力、流量、浓度与液位的自动化控制；所述可编程门阵列(FPGA)器件，提供大量RAM空间来保存中间参数和查表计算，提供大量的通用I/O接口，用于输入输出模块以及快速响应精确的PWM调制功能；所述检测测量模块，主要由传感器、信号调整及采集等组成，实现生物反应器温度、压力、流量、浓度与液位以及各主要部件的状态的测量；所述控制模块主要由驱动及执行机构组成，实现气阀、水阀、电动机、变频器等的驱动与控制；所述LCD触摸屏、IDE硬盘、打印机协调工作以实现生物反应器全参数的实时采集、显示、输出与数据存储，以及生物反应器温度、压力、流量、浓度与液位参数的设置与控制等功能；所述GSM模块，实现工业现场的无线监测，本地PC可用于远程控制，网络PC可扩展为正在兴起的网络控制；所述嵌入式微处理器，需要提供较强的控制能力、USART接口、ADC转换功能、LCD触摸屏与USB口等，对该生物反应器全参数要进行大量的数据运算、处理和系统控制。

一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，所述生物反应器的温度测量和控制采用模糊控制，自动控制流程如图3所示，设定特定的反应器温度，经温度传感器8测定的反应器温度经过模糊划分后，送入模糊控制网络，生成控制子集，通过转化器产生PWM脉宽调制用的频率值与占空比，然后生成PWM驱动信号，驱动电力电子器件，电源输出给冷却水阀16，通过冷却水流量计17及调整电路，形成相应流量值和流量变化率，根据流量值和流量变化率控制器对输出频率和占空比进行调整，通过对冷却水阀16的开关调节设置和控制冷却水流量计17的流量，实现生物反应器温度的检测与控制。

一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，所述生物反应器的压力测量和控制采用模糊控制，自动控制流程如图3所示，设定特定的反应器压力，经压力传感器13测定的反应器压力经过模糊划分后，送入模糊控制网络，生成控制子集，通过转化器产生PWM脉宽调制用的频率值与占空比，然后生成PWM驱动信号，驱动电力电子器件，调节空气阀14，通过调节空气流量计15的流量及调整电路，形成相应空气流量计15流量值和流量变化率，根据流量值和流量变化率控制器对输出频率和占空比进行调整，通过对空气阀14的开关调节设置和控制，空气流量计15流量实现生物反应器1压力的检测与控制。

一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，所述生物反应器的流量测量和控制，冷却水流量计17的流量由控制系统9调节冷却水阀16的开度来实现；空气流量计15的流量由控制系统9调节空气阀14的开度来实现，实现生物反应器流量的检测与控制；

一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，所述生物反应器的液位测量和控制，由液位变送器4测量生物反应器1内的夜位，由控制系统9调节进料阀18和出料阀4的开度来实现生物反应器液位的检测与控制。

一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，所述生物反应器的pH值测量和控制，通过pH值测量仪6测量反应器内物料pH值；所述生物反应器的氧浓度测量和控制，通过溶解氧测量仪7测量反应器内物料溶解氧浓度，通过O₂浓度仪10测量反应器内气相氧浓度；所述生物反应器的CO₂浓度测量和控制，通过CO₂浓度仪11测量反应器内CO₂浓度；所述生物反应器的重量测量和控制，通过电子称重仪3测量反应器内物料重量；上述测量数据并通过传感器变送传到控制系统9，控制系统9进行数据计算和处理，根据反应工艺和控制要求进行相应的调节和控制，来实现生物反应器全参数检测与控制。

本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，其特征是，所述生物反应器全参数检测系统，如图1所示，由生物反应器、搅拌器电、电子称重仪、液位变送器、pH值测量仪、溶解氧测量仪、温度变送器、控制系统、O₂浓度仪、CO₂浓度仪、压力传感器、空气阀、空气流量计、冷却水阀、冷却水流量计、称重仪、进料阀与放料阀组成。

2.如权利要求1所述的一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，其特征是，所述控制系统，如图2所示，主要由嵌入式微控制器和现场可编程门阵列(FPGA)器件、温度测控模块、压力测控模块、流量测控模块、浓度测控模块、pH值测控模块、重量测控模块、GSM模块、本地和网络PC、LCD控制、各种传感器、打印机及检测控制模块组成；实现生物反应器的参数检测、现场显示、现场控制等功能，同时实现生物反应器温度、压力、流量、浓度与液位的自动化控制；所述可编程门阵列(FPGA)器件，提供大量RAM空间来保存中间参数和查表计算，提供大量的通用I/O接口，用于输入输出模块以及快速响应精确的PWM调制功能；所述检测测量模块，主要由传感器、信号调整及采集等组成，实现生物反应器温度、压力、流量、浓度与液位以及各主要部件的状态的测量；所述控制模块主要由驱动及执行机构组成，实现气阀、水阀、电动机、变频器等的驱动与控制；所述LCD触摸屏、IDE硬盘、打印机协调工作以实现生物反应器全参数的实时采集、显示、输出与数据存储，以及生物反应器温度、压力、流量、浓度与液位参数的设置与控制等功能；所述GSM模块，实现工业现场的无线监测，本地PC可用于远程控制，网络PC可扩展为正在兴起的网络控制；所述嵌入式微处理器，需要提供较强的控制能力、USART接口、ADC转换功能、LCD触摸屏与USB口等，对该生物反应器全参数要进行大量的数据运算和处理。

3.如权利要求1与权利要求2所述的一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，其特征是，所述生物反应器的温度测量和控制采用模糊控制，自动控制流程如图3所示，设定特定的反应器温度，经温度传感器测定的反应器温度经过模糊划分后，送入模糊控制网络，生成控制子集，通过转化器产生PWM脉宽调制用的频率值与占空比，然后生成PWM驱动信号，驱动电力电子器件，电源输出给冷却水阀，通过冷却水流量计及调整电路，形成相应流量值和流量变化率，根据流量值和流量变化率控制器对输出频率和占空比进行调整，通过对冷却水阀的开关调节设置和控制冷却水流量计的流量，实现生物反应器温度的检测与控制。

4.如权利要求1与权利要求2所述的一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，其特征是，所述生物反应器的压力测量和控制采用模糊控制，自动控制流程如图3所示，设定特定的反应器压力，经压力传感器测定的反应器压力经过模糊划分后，送入模糊控制网络，生成控制子集，通过转化器产生PWM脉宽调制用的频率值与占空比，然后生成PWM驱动信号，驱动电力电子器件，调节空气阀，通过调节空气流量计的流量及调整电路，形成相应空气流量计流量值和流量变化率，根据流量值和流量变化率控制器对输出频率和占空比进行调整，通过对空气阀的开关调节设置和控制，空气流量计流量实现生物反应器压力的检测与控制。

5.如权利要求1与权利要求2所述的一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，其特征是，所述生物反应器的流量测量和控制，冷却水流量计的流量由控制系统调节冷却水阀的开度来实现；空气流量计的流量由控制系统调节空气阀的开度来实现，实现生物反应器流量的检测与控制。

6.如权利要求1与权利要求2所述的一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，其特征是，所述生物反应器的液位测量和控制，由液位变送器测量生物反应器内的夜位，由控制系统调节进料阀和出料阀的开度来实现生物反应器液位的检测与控制。

7.如权利要求1与权利要求2所述的一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法，其特征是，所述生物反应器的pH值测量和控制，通过pH值测量仪测量反应器内物料pH值；所述生物反应器的氧浓度测量和控制，通过溶解氧测量仪测量反应器内物料溶解氧浓度，通过O₂浓度仪测量反应器内气相氧浓度；所述生物反应器的CO₂浓度测量和控制，通过CO₂浓度仪测量反应器内CO₂浓度；所述生物反应器的重量测量和控制，通过电子称重仪测量反应器内物料重量；上述测量数据并通过传感器变送传到控制系统，控制系统进行数据计算和处理，根据反应工艺和控制要求进行相应的调节和控制，来实现生物反应器全参数检测与控制。