好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略

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1、好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略作者：刘伟单位：河北天俱时自动化科技有限公司2009年4月］0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

2、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彳艮決将被微生物消耗掉，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

3、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°C左右的温度变化，也会使电极信号发生显著变化（超

4、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

5、（％）,100%的溶氧张力（DOT）约相当于160mmHg（lmmHg«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：p（）2=c（）-，Pt（2-8）式中P°2电极测得的氧分压；co2氧在气相中的体积分数或摩尔分数；PT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

6、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

7、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:调帝阀I搅拌琲风—压力进风调节

8、阀参电•压力（包括请氧和温度IZZD-温度—h3溶氣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