发酵过程乙醇浓度检测及补料控制系统设计.docxVIP

862化工自动化及仪表第39卷发酵过程乙醇浓度检测及补料控制系统设计黄敏于涛王建林赵利强(北京化工大学信息科学与技术学院，北京100029)摘要研究了基于半导体敏感材料的乙醇浓度检测模型，设计了基于PLC和触摸屏的乙醇浓度检测及补料控制系统，并给出了系统的总体及软硬件设计。该系统运行稳定可靠，测量精度高，控制算法有效，实现了乙醇浓度的在线检测与补料量的优化控制。将该系统应用到谷胱甘肽发酵过程中，实验分析表明系统有效，检测模型相对误差小于2．5%，能够较好地满足发酵工业要求。关键词发酵过程乙醇浓度检测补料控制PLC中图分类号TH873．7文献标识码A文章编号1000-3932(2012)07-0862-04微生物发酵过程是现代生物技术产业化和规模化的基础，乙醇是大多数发酵过程一级代谢产物，研究表明，乙醇浓度是发酵过程中重要的过程变量，直接影响着发酵过程的优化和控制［1］。为了对发酵过程进行优化和控制，需要对乙醇浓度进行在线精确检测。目前实时在线检测乙醇浓度的方法包括基于声学原理的检测技术、基于生物原理的检测技术及基于半导体敏感材料的检测技术等［2］。基于上述方法，需要建立精确的乙醇浓度检测模型，并对模型参数进行拟合。由于半导体气敏传感器具有灵敏度高及可在线检测等特点，采用TGS2620型气敏传感器，构建了基于西门子可编程逻辑控制器(PLC)和威纶触摸屏的乙醇浓度检测及补料控制(EthanolCon-centrationMeasuringandFeedingrateControl，EM-FC)系统，实现了微生物发酵过程中乙醇浓度的在线检测和培养液补料量的优化控制，并采用了Levenberg-Marquarat(LM)算法拟合模型参数，使得模型误差最小化。图1气敏传感器测量电路Rs———传感器电阻;RL———负载电阻;VH———加热电压;RH———加热电阻;VC———供电电压;VRL———负载输出电压传感器工作时，加热器电压VH用于保证敏感元件稳定工作而施加在集成的加热器上，供电电压VC用于敏感元件和负载电阻串联的电路两端加压。传感器正常工作时，负载电阻两端电压与敏感元件接触的乙醇气体浓度呈一定的非线性关系。根据气液平衡原理，已知发酵罐中乙醇液体［4］浓度与负载电压VRL有如下关系:C=HPMexp?3．679lg［RL(VC－VRL)/VRL］－n?(1)ρm乙醇浓度检测及补料控制系统1式中H———乙醇在发酵液中的溶解度系数;m———敏感元件相对于气体浓度变化的敏感性;n———未知参数，与被检乙醇气体灵敏度有关;M———乙醇相对分子量，值为46．068441．1基于半导体气敏元件的检测模型①乙醇浓度传感器采用TGS2620气敏传感器，其敏感元件由集成的加热器以及氧化铝基板上形成的二氧化锡氧化物半导体构成［3］。气敏传感器对乙醇等有机溶剂有很高的灵敏度，当可检测气体浓度越高时，传感器的电导率越高。图1所示为气敏传感器测量电路。①收稿日期:2012-06-07(修改稿)863第7期黄敏等．发酵过程乙醇浓度检测及补料控制系统设计g/mol;ρ———乙醇在发酵条件下的密度，值为0．789g/cm3;p———发酵过程中发酵罐中气压，值为100kPa;RL———负载电压，值为9．8kΩ。工作中，以负载电压作为检测模型的输入量，离线检测得到的乙醇浓度值作为模型输出量，通过LM算法拟合出模型中的H、m、n等未知参数。置膜透取样器，并选择合适的渗透膜使得发酵液中的乙醇优先透过渗透膜，可将发酵液中的液相乙醇浓度转换为气相中的乙醇浓度。气室内含有乙醇浓度传感器，将传感器与外界隔离，乙醇气体进入气室后与乙醇浓度传感器充分接触，通过检测电路将乙醇浓度转换为电压信号。PLC采集此电压信号，转换为乙醇浓度值，并根据计算结果通过一定的控制算法计算出对发酵罐的补料间隔时间和泵转速，控制补料泵对发酵罐流加培养液。最终将结果显示在人机界面上，并可通过人机界面设置参数。EMFC系统结构设计EMFC系统结构如图2所示。在发酵罐中放1．2图2EMFC系统结构由于发酵过程现场噪声干扰较大，且系统需要连续稳定运行，因此选用PLC作为主控制器，现场人机界面选择触摸屏。EMFC硬件部分由数据采集模块、A/D转换模块、D/A转换模块、PLC、触摸屏人机界面、RS-485和USB接口模块组成，结构如图3所示。选用台湾威纶公司的MT6070iH触摸屏作为人机界面，它能够在0～45℃的大多数工业环境中稳定工作，其电路设计可以抵抗环境中电气噪声的干扰。此触摸屏组态简单，自带RS-485和USB通信接口，能与大多数PLC连接，应用广泛。EMFC系统在工作过程中采集负载电压信号，通过PLC自带的模拟量输入模块将电压信号转换为数字信号，输入PLC中进行数据处理，数据处理结果通过模拟量输出模块转换为