生化过程状态估计方法课件.ppt

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1、第5章生化过程状态估计方法1生化过程中许多关键参数，如生物质浓度、产物浓度和底物浓度，没有工业上在线可应用的传感器。为了获得这些重要信息，利用间接测量的方法，即利用其它可测量的参数，通过有关模型进行推断估计，称为软测量(模型测量)。2本章内容5.1数据采集及滤波5.2呼吸代谢的测量及相关算法5.3根据发酵热和物料平衡的估算方法5.4青霉素发酵过程生物质浓度在线估算35.1数据采集及滤波4一过程数据采集和处理计算机I/O接口测量变送生化过程对参数进行测量并转化为统一电平信号，4-20mA将测量得到的标准电信

2、号(模拟信号)进行模/数(A/D)转化，变为计算机可识别的二进制信号工业过程数据采集首先进行有效性检查。即模拟输入的数据量是否超过该回路的仪表量程，判断采集信号的有效性，删除无效信号。采样信号与过程参数为非线性关系，进行线性化处理。如差压变送器测量的压差与流量成平方根关系；热点偶热电势与温度为非线性关系。5二数字滤波计算机采集到的信号包含各种频率的干扰信号，通常需对这些干扰信号进行去除，即滤波。数字滤波：通过一定的计算机程序对采样信号进行平滑加工，提高其有用信号，消除或删减各种干扰和噪声。与模拟滤波相比，

3、数字滤波的优点：不增加任何设备，只需在数据运算之前利用滤波程序进行处理；稳定性高；不存在阻抗匹配问题，可供多个通道共用；使用灵活，可视需要选用不同的滤波方法和改变滤波参数。61程序判断滤波大的随机干扰或者变送器可靠性不良引起采样信号大幅跳变，对这类信号可用程序判断滤除有关错误信号。其方法有限幅滤波和限速滤波。用于温度、液位等变化缓慢的参数。(1)限幅滤波把两次相邻采样值进行比较，其增量(绝对值)与两次采样允许的最大差值y比较。采用下面的判断和处理方法：(2)限速滤波顺序采用时刻t1、t2、t3采集的参数分

4、别为y1、y2、y3，当︱y2-y1︱≤Δy，则y2作为输入信号，反之y2不采用但仍保留继续下次采样得到y3，若︱y3-y2︱≤Δy，则y3作为输入信号；若︱y3-y2︱>Δy，则取(y2+y3)/2作为输入信号。72递推平均滤波对于某些参数，其输出总在某一数值上下波动，可采用递推平均滤波法，以其算术平均值作为计算机计算的输入信号。计算式为：tNNN值的大小决定了采样平均值的平滑度和反应灵敏度。通常流量N取12、压力取4，温度可以更少。83加权滤波与递推平均滤波相似，只是取N项的加权平均。计算式为：其中9

5、4一阶惯性滤波动态滤波（见第六章）105.2呼吸代谢的测量及相关算法11一氧利用率OUR氧利用率以单位时间、单位发酵液体积内细胞消耗的氧量表示。可以根据氧的动态质量平衡进行估算。氧的平衡可以表示为：氧在系统内的变化率，等于氧进入系统的速率减去氧排出系统的速率和氧在系统内消耗的速率，表达式为：其中CO2：发酵液中的溶氧浓度，mol/m3；Fa,i：进入发酵液的空气在标准态下的体积流量，m3/h；Fa,o：排出发酵液的空气在标准态下的体积流量，m3/h；V：发酵液体积，m3；F：流加补料速度，m3/h；nO2

6、,i：进入发酵罐空气中氧的体积分数；nO2,o：进入发酵罐空气中氧的体积分数；rO2：氧利用率，mol/m3h。12通过计算简化，可以解得：当系统处于准稳态状态下，且补料速率F相对发酵液体积很小时，可简化为：其中ni,i：进入发酵罐空气中惰性气体的体积分数，常为N2；ni,o：排出发酵罐空气中惰性气体的体积分数；这两者的值可以利用工业色谱仪检测，也可通过计算得到。其它参数与前定义相同。13二CO2释放率CER单位时间、单位发酵液体积内细胞释放的CO2量，叫CO2释放率或CO2生成率。由CO2的平衡计算得出

7、，其计算式为：空气带入CO2速率计算可知CER为：当系统处于准稳态状态下，且补料速率F相对发酵液体积很小时，可简化为：CO2生成速率补料带入CO2速率14三呼吸商RQ定义，RQ=rCO2/rO2各种碳源在发酵过程中代谢状况的指示值。在碳源限制及供氧充分的情况下，各种碳源趋于完全氧化，呼吸商应接近于表5.2-3的理论值。而当供氧不足，呼吸商偏离理论值。15四呼吸代谢参数与生物参数的关系可根据呼吸代谢参数OUR、CER、RQ等推算得到微生物生长率dX/dt和生物浓度变化情况。165.3根据发酵热和物料平衡的估

8、算方法17一发酵热的测量生化反应，在反应过程中都伴有热量放出。一般放热较小，但随着发酵罐体积的增大，其发酵热是十分可观的。其热量衡算方程为：MFo,QoFi,QiT1,FwT2T保温层Qacc=Qf+Qagi+Qi-Qo-Qevp-Qexch其中：Qacc：积累热量Qf：发酵热Qagi：搅拌热Qi：空气带入热Qo：废气带出热Qevp：蒸发带走热Qexch：冷却带走热18根据工业生产实际，空气带入热量、废气带走热量以及液体蒸发带