好氧发酵过程中溶氧的影响因素和
作者：刘伟
单位：河北天俱时自动化科技有限公司控制策略
2009年4月10日
好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略
刘伟
河北天俱时自动化科技有限公司
摘 要：好氧发酵过程中溶氧检测值受多种参数的影响，包括生物代谢过程本身，也包括外部补料、通风量等，为了保证发酵过程中合适的溶解氧含量，对溶氧值进行控制，本文分析了溶氧检测值的影响因素，并指出溶氧控制的一般性控制策略。
关键词：好氧发酵，溶氧调节
一、引言
好氧发酵过程溶氧浓度（DO ）是一个非常重要的发酵参数，它既影响细胞的生长，又影响产物的生成。控制发酵液溶氧值一方面可以改善微生物的生长代谢环境，有效促进发酵单位的提高，另一方面还可以起到节能降耗的作用，对企业生产意义重大。
二、影响因素
通常情况下，对发酵液溶氧参数影响较大的几个物理参数包括：通风量、搅拌转速、发酵罐温度、压力等。
通风量的影响
通风量的影响是最直观的，溶氧值大小的影响最主要的是进入发酵罐的氧的量，因为在好氧发酵过程中，如果截断进风的补给发酵液中的氧很快将被微生物消耗掉，通常在进风管道上安装调节阀门进行进风流量的调节。
搅拌的影响
由于溶氧电极在工作中存在明显的电流，自身消耗大量的氧。电
极的信号与氧向电极表面传递的速率成比例，而氧的传递速率则受氧跨膜扩散速率控制。这一速率与发酵液的浓度成比例，其比值（以及电极的校准）取决于总的传质过程。电极的一般工作条件是，氧向膜外表面的传递速率很快且不受限制。因此整个过程受跨膜传递的限制，比例常数（传质系数）较易维持恒定。发酵实验时搅拌操作可以获得满意的跨膜传递速率。需要指出，在对电极进行最初校准的过程中，必须对发酵罐进行搅拌。
温度的影响
溶氧电极的信号随温度的升高而显著增强，这主要是因为温度影响氧的扩散速率。发酵实验过程中需控制发酵罐的温度，因为即使0.5℃左右的温度变化，也会使电极信号发生显著变化（超过1%）。溶氧读数的周期性变化（每隔若干分钟观察1次）显示了温度波动的影响，而且较大的温度变化能引起校准的较大漂移。因此在实验过程中改变温度控制时要格外注意。在以发酵罐的操作温度进行控制以前，需对溶氧电极进行校准。考虑到上述影响的存在，一些溶氧电极带有温度传感器等仪表，以实现自动温度补偿。此外，对于具有计算机监控的发酵罐，可利用来自独立的温度传感器的信号，由相关软件实现温度补偿。
压力的影响
压力变化会影响溶氧电极的读数，尽管这实际上反映了溶氧的变化情况。电极的响应主要由溶液的平衡氧分压确定。读数通常表示为大气压下空气的饱和度（%），100%的溶氧张力（DOT ）约相当于160mmHg （1mmHg ≈133Pa ）的氧分压。如果发酵液的平衡气体总压发生变化，
即使气体组分未发生变化（因为氧分压会成比例的改变），也会改变溶氧电极的读数。如果达到平衡，电极的信号可由下式确定： po 2 co 2p T （2-8）
式中 po 2——电极测得的氧分压；
co 2——氧在气相中的体积分数或摩尔分数；
p T ——总压。
因此发酵液中气泡压力的改变会影响溶氧张力，进而影响电极读数。在发酵罐中，流体静压不会显著地影响气泡压力，但压头的改变则会对其产生显著的影响。一般出口滤器或管路压降可产生7000 Pa左右的压头，这足以使电极信号上升7%。在发酵过程中，大气压的变化也会引起读数变化，甚至在正常天气情况下，读数变化可高达5%。
考虑到压力的上述影响，可采用下列方法对pH 电极进行校准。 ①在大气压下对电极进行校准。这种情况下，实验中可能会获得超过100%的DOT 值。这并不意味着发酵液中的空气处于过饱和状态，只是说明供气压力上升导致氧分压超过用于校准的氧分压。
②在预期的操作压力下对电极进行校准，此时100%的读数表示发酵液相对于大气组分处于过饱和状态。
③根据氧分压或溶氧浓度给出所有结果，基于校准条件下的计算值进行校准，这些是影响电极响应的最直接的参数。
三、溶氧的控制策略
溶氧控制主要参考溶氧检测值、进风流量监测值、发酵罐转速、发酵罐压力、发酵温度等进行综合考虑，首先调节转速，当转速低于
某特定值开始调节流量，调节流量的同时必须保证一定的罐压力，并确保流量不低于某特定值。
1. 传感器/变送器和执行机构
发酵罐上安装溶氧、温度检测探头，进风管路安装流量计，排风管道上安装压力变送器，搅拌转速检测探头等检测信号送入控制系统，
进风、排风上安装调节阀，搅拌电机的转速可以控制（变频器）。 根据各参数对发酵过程溶氧值的影响，其控制框图如下：
2. 制策略
控制开始首先调节搅拌转速，转速限制在一定的范围内，超过最低限固定在某值开始调节流量。
流量控制采用串级PID 调节方式，溶氧控制主回路调节溶氧值，进风调节阀动作，当流量小于一定值时，串级副回路起作用，按照根
据进风流量的限制值进行调节，调节的过程中保证一定的发酵罐压，并进行温度、压力对溶氧影响的补偿。
串级PID 调节由主、从两个PID 模块构成，主回路主导溶氧的PID 控制，其输出经过限制和一定的算法关系作为从PID 控制回路的输入，这里主要是搅拌的转速调节和进风流量的调节。他们的选择保证平滑切换和限制连锁。
四、总结
发酵过程溶解氧检测值的影响因素众多，控制复杂，必须在实际的控制过程中不断摸索，不断完善，并可能需要反复试验，以获取合适的控制参数和控制算法，并不断总结，使控制过程更平稳、更可靠。
好氧发酵过程中溶氧的影响因素和
作者：刘伟
单位：河北天俱时自动化科技有限公司控制策略
2009年4月10日
好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略
刘伟
河北天俱时自动化科技有限公司
摘 要：好氧发酵过程中溶氧检测值受多种参数的影响，包括生物代谢过程本身，也包括外部补料、通风量等，为了保证发酵过程中合适的溶解氧含量，对溶氧值进行控制，本文分析了溶氧检测值的影响因素，并指出溶氧控制的一般性控制策略。
关键词：好氧发酵，溶氧调节
一、引言
好氧发酵过程溶氧浓度（DO ）是一个非常重要的发酵参数，它既影响细胞的生长，又影响产物的生成。控制发酵液溶氧值一方面可以改善微生物的生长代谢环境，有效促进发酵单位的提高，另一方面还可以起到节能降耗的作用，对企业生产意义重大。
二、影响因素
通常情况下，对发酵液溶氧参数影响较大的几个物理参数包括：通风量、搅拌转速、发酵罐温度、压力等。
通风量的影响
通风量的影响是最直观的，溶氧值大小的影响最主要的是进入发酵罐的氧的量，因为在好氧发酵过程中，如果截断进风的补给发酵液中的氧很快将被微生物消耗掉，通常在进风管道上安装调节阀门进行进风流量的调节。
搅拌的影响
由于溶氧电极在工作中存在明显的电流，自身消耗大量的氧。电
极的信号与氧向电极表面传递的速率成比例，而氧的传递速率则受氧跨膜扩散速率控制。这一速率与发酵液的浓度成比例，其比值（以及电极的校准）取决于总的传质过程。电极的一般工作条件是，氧向膜外表面的传递速率很快且不受限制。因此整个过程受跨膜传递的限制，比例常数（传质系数）较易维持恒定。发酵实验时搅拌操作可以获得满意的跨膜传递速率。需要指出，在对电极进行最初校准的过程中，必须对发酵罐进行搅拌。
温度的影响
溶氧电极的信号随温度的升高而显著增强，这主要是因为温度影响氧的扩散速率。发酵实验过程中需控制发酵罐的温度，因为即使0.5℃左右的温度变化，也会使电极信号发生显著变化（超过1%）。溶氧读数的周期性变化（每隔若干分钟观察1次）显示了温度波动的影响，而且较大的温度变化能引起校准的较大漂移。因此在实验过程中改变温度控制时要格外注意。在以发酵罐的操作温度进行控制以前，需对溶氧电极进行校准。考虑到上述影响的存在，一些溶氧电极带有温度传感器等仪表，以实现自动温度补偿。此外，对于具有计算机监控的发酵罐，可利用来自独立的温度传感器的信号，由相关软件实现温度补偿。
压力的影响
压力变化会影响溶氧电极的读数，尽管这实际上反映了溶氧的变化情况。电极的响应主要由溶液的平衡氧分压确定。读数通常表示为大气压下空气的饱和度（%），100%的溶氧张力（DOT ）约相当于160mmHg （1mmHg ≈133Pa ）的氧分压。如果发酵液的平衡气体总压发生变化，
即使气体组分未发生变化（因为氧分压会成比例的改变），也会改变溶氧电极的读数。如果达到平衡，电极的信号可由下式确定： po 2 co 2p T （2-8）
式中 po 2——电极测得的氧分压；
co 2——氧在气相中的体积分数或摩尔分数；
p T ——总压。
因此发酵液中气泡压力的改变会影响溶氧张力，进而影响电极读数。在发酵罐中，流体静压不会显著地影响气泡压力，但压头的改变则会对其产生显著的影响。一般出口滤器或管路压降可产生7000 Pa左右的压头，这足以使电极信号上升7%。在发酵过程中，大气压的变化也会引起读数变化，甚至在正常天气情况下，读数变化可高达5%。
考虑到压力的上述影响，可采用下列方法对pH 电极进行校准。 ①在大气压下对电极进行校准。这种情况下，实验中可能会获得超过100%的DOT 值。这并不意味着发酵液中的空气处于过饱和状态，只是说明供气压力上升导致氧分压超过用于校准的氧分压。
②在预期的操作压力下对电极进行校准，此时100%的读数表示发酵液相对于大气组分处于过饱和状态。
③根据氧分压或溶氧浓度给出所有结果，基于校准条件下的计算值进行校准，这些是影响电极响应的最直接的参数。
三、溶氧的控制策略
溶氧控制主要参考溶氧检测值、进风流量监测值、发酵罐转速、发酵罐压力、发酵温度等进行综合考虑，首先调节转速，当转速低于
某特定值开始调节流量，调节流量的同时必须保证一定的罐压力，并确保流量不低于某特定值。
1. 传感器/变送器和执行机构
发酵罐上安装溶氧、温度检测探头，进风管路安装流量计，排风管道上安装压力变送器，搅拌转速检测探头等检测信号送入控制系统，
进风、排风上安装调节阀，搅拌电机的转速可以控制（变频器）。 根据各参数对发酵过程溶氧值的影响，其控制框图如下：
2. 制策略
控制开始首先调节搅拌转速，转速限制在一定的范围内，超过最低限固定在某值开始调节流量。
流量控制采用串级PID 调节方式，溶氧控制主回路调节溶氧值，进风调节阀动作，当流量小于一定值时，串级副回路起作用，按照根
据进风流量的限制值进行调节，调节的过程中保证一定的发酵罐压，并进行温度、压力对溶氧影响的补偿。
串级PID 调节由主、从两个PID 模块构成，主回路主导溶氧的PID 控制，其输出经过限制和一定的算法关系作为从PID 控制回路的输入，这里主要是搅拌的转速调节和进风流量的调节。他们的选择保证平滑切换和限制连锁。
四、总结
发酵过程溶解氧检测值的影响因素众多，控制复杂，必须在实际的控制过程中不断摸索，不断完善，并可能需要反复试验，以获取合适的控制参数和控制算法，并不断总结，使控制过程更平稳、更可靠。