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第八部分其他 生物及制药工艺过程常用控制方法推荐 徐姝钰 北京诚益通控制工程科技股份有限公司 电话：0lO真：0lO E·mil：x哪hu”@e觞tctll．com 【摘要】随着生物产品工业化大生产的逐步升级换代，过程分析检测仪器和过程控制 方法开始发挥越来越重要的作用，正在逐步改变传统的发酵行业。从本质上讲，检测仪 器(也称检测单元)是将待测对象的物理、化学性质等转化成相对应可识别电信号的转 换器，目前国内外常见的检测仪器主要有光学类、声学类、电化学类、电磁类、压力传 感类等。控制方法在教科书中被称“自动化控制系统设计”，在整个体系的设计中，首 先应该分析生产过程中各变量的特点及其相互关系，分析被控对象的特征，根据工艺要 求选择被控变量、操纵变量，合理选择控制系统中的测量单元(检测器)、调节和执行 单元(执行器)，建立一个较为合理的控制系统。本文将生物产品大生产中常见的检测 仪器及原理和常用控制方法，以及相互间的组合方式做一个简单的介绍。 1．常见检测仪器工作原理 1．1光学类 此类检测仪器主要利用目标物散射、反射、折射、干涉等特性，或者激发／吸收检测 物的特征光谱，从而对目标对象进行分析。因本身几乎不存在任何机械或化学损耗，具 有较好的稳定性和可靠性。缺点是一方面受设备自身限制，分析对象范围比较狭窄，灵 敏度也不是很高：另一方面，如有较高的精度要求，光源、检测器等多需采用进口设备、 成本相对较高。 1．2声学类 声学类检测仪器的原理在于利用声波在不同物质中有着不同的传导速度以及在有 密度差的界面上会发生反射等声学特性进行检测，并不断把相应信息传输给主机，主机 通过运算系统，自动测出液位、密度、瞬时流量以及累计流量等数据并存储。因检测行 为并不要求直接与检测物质接触，所以可以在一些特殊的场合使用。 1．3电化学类 原理是通过目标对象与传感器构成的原电池或者利用外接固定电压，测量参比电极 和指示电极间的电势差来实现对目标对象的检测。现在使用的电极多为复合电极，将两 631 2013’中国生物发酵产业年会 个电极组合在一只电极体内，其中内参比电极通常安放在复合电极下方内含缓冲溶液的 玻璃泡中。 1．4电磁类 根据法拉第电磁感应定律的推导，在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方 向放置一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u流动时，导电流体就 切割磁力线。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极，只要管道内流体 流速分布呈轴对称，则两电极之间产生感生电动势：e=BDu，由此可计算出流体流速， 进而得出流体体积。 1．5压力传感类 压力传感器是工业生产、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，广泛应用于各种 工业自控环境中。力学传感器的种类繁多，主要原理是被测介质的压力作用于传感器的 膜片或应变片上，使其产生与介质压力成正比的微位移或微形变，使传感器的电阻值发 生变化，利用电子线路检测这一变化，并转换成一个对应于这一压力的标准测量信号并 输出。 2．生物工程中常用控制方法推荐 近年来，工业生产领域对检测器的要求越来越高，对整合和应用检测器的各种控制 方法更是越来越重视。控制对象的特性包括静态特性和动态特性两部分，生产中对后者 更为关注。其中简单对象的动态特性可以通过理论分析，利用数学推导来求得。但对绝 大多数的对象而言，要借助于理论分析来得到与实际情况符合度较高的动态特性表达式 还比较困难，主要原因在于在进行理论分析和数学推导前，必须首先对对象作大量的简 化假设；其次在设计阶段的推导过程中，一些实际工艺数据尚不确切或者还不够完善， 更多的是取一个经验参数来参与推导；还有某些工艺变量互为因果，相互影响；更有一 些参数会随着时间、工况及其它因素而出现变化，难以确定。 在这里，本文根据工程实践总结出的经验，结合本行业