[发明专利]一种生物反应器全参数检测系统及其测量控制方法

说明书

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。

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。