生物反应仪智能测控体系研制

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1、生物反应仪智能测控体系研制第一章绪论1.1引言自20世纪90年代以来，生物技术开始迅猛发展，以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程为现代生物技术的代表，广泛应用于医药、食品、环境、海洋和能源等多个领域，对生物技术的研究更加深入，对生物过程中代谢产物的需求越来越大，对生物过程的产能效率要求越来越高。为满足生物技术的大规模生产，将生物技术与工业控制相结合，从而将实验室中的生物技术研究逐步向大规模的工业生产过渡，促进了生物技术与工业控制地快速发展。因而，迫切需要模拟生物反应所需的环境，通过对生物反应过程的环境进行实时的检测和控制，来实现对生物技术的研究与生产。因此，将工业检测技

2、术、工业过程控制技术与生物反应过程相结合，研究设计生物反应过程的测控系统成为现今社会研究重点之一，从而生物反应器的测控系统走上了舞台。生物过程[1]是一种非线性、时变的、多变量相互影响的动态复杂的慢反应过程[2]，虽然反应过程本身是具有方向性的，但是由于生物生长机理复杂，在反应过程中，反应溶液的浓度、微生物的浓度和产物的浓度都会不断地变化[3]，从而增加了对生物反应过程的研究难度。传统的生物过程研究是通过人们反复实验，根据实验结果总结出生物反应过程所需的必要环境，再通过实验人员在生物反应过程的不同阶段，以人工的方式来调整反应过程每个阶段的各个参数，模拟出生物反应过程的环境

3、，促进生物反应过程的完成，实现对生物反应的研究。因而传统的生物过程研究很难实现在大规模的生产应用中，同时实验的重复性低，实验数据的准确性与实验人员的经验有直接关系，很大程度上使生物技术发展缓慢。现今，将生物技术与工业技术相结合，开始从对生物反应环境的检测系统研究，到对生物反应环境的控制系统研究，演变成将两个独立的系统结合成生物反应的测控系统研究。实现了从早期的人工操作到工业自动化的转变。但现今生物反应过程的测控系统仍有很多不足，比如测控系统只是单纯的代替人为操作，不能根据生物反应过程的不同阶段去进行自动调整生物反应过程的环境参数；检测参数的单一化，检测水平不足等都直接影响

4、着过程控制的好坏。因此，迫切需要研制智能测控系统，使生物技术从自动化开始向智能化进行演变。..1.2生物反应器测控系统研究现状与进展近年来，国内外关于生物反应器的研究都很重视，做了很多相关的研究工作。所谓生物反应器，就是利用生物催化剂为细胞培养提供良好的反应环境的设备[4]。由于生物反应器的应用广泛，因而研究方向很多，包括生物反应器设计制造，反应过程的参数检测和操作监视，自动化控制等。针对生物反应器的测控系统而言，国内的研究相比国外起步的晚，很多技术仍然不够成熟。目前虽然有很多企业在生物反应器的产业上快速发展[5]，但技术水平仍处于中低端产品，依旧是仿制国外的产品为主，高

5、端市场还是被国外的公司所垄断，主要有德国B.Braun、美国NBS、瑞士BioEngineering、日本丸菱等[6]。生物反应器的测控系统主要目的是对生物反应装置的某些参量检测控制，使其达到所预期的要求水平。从近年现有国内外的产品来看，生物反应器的测控系统设计所采用的关键技术主要包括生物过程的检测技术、生物过程的控制技术以及整体测控系统的集成。..第二章生物反应器测控系统的总体设计2.1系统设计需求分析生物反应器[29]，[30]根据结构分有多种种类，生物反应过程根据原理分有细胞、微生物、动植物细胞、藻类等。不同生物过程对科学仪器需求也不相同。因此设计生物反应器的测控系

6、统需要更加灵活，才能适用不同生物过程分析的需求。随着生物技术的深入研究，对生物反应过程的需要也逐渐复杂，从静态研究扩展到动态研究，从细胞外的反应过程可操作因素的研究深入到细胞内的生命过程研究，实现生命体与环境条件的高度统一。不断的研究中，形成大量生物过程检测数据并进而产生相应的生物信息处理技术。因此，在对生物反应器的测控系统的要求不仅需要常规参数的检测控制，还需要扩展更多参数的检测控制。同时改善检测手段，提高检测精度为生物信息处理技术做基础，同时也为提高系统的控制准确度做基础。经过人们长期的实验发现，生物反应过程代谢的产物不仅与生物本身特性相关，而且还要适当的环境才能将生

7、产能力表现出来。因此，本文所研究的均是针对生物反应过程的外部环境进行检测控制，生物反应环境检测的参数繁多，主要有温度、酸碱度、溶解氧浓度、照度、氧化还原电位、电导、活细胞量、尾气、反应容器压力、反应容器重量等，而主要控制的内容有温度、酸碱度、电机转速、消泡、流量和补料等几个方面。其中对反应容器的温度、酸碱度以及溶解氧浓度的测控为系统的基本参数。2.2系统总体方案设计智能测控系统采用的是模块化设计，根据功能需求将系统分为主控模块、检测模块和控制模块，通过CAN总线的方式将各个模块连接起来，构成完整的测控系统。如图2.2所示。主控