发酵罐温度控制系统的设计.docx

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发酵罐温度控制系统的设计

洛阳理工学院

计算机控制技术与应用课程设计

题目：

发酵培养基温度控制系统设计

学生姓名：

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专业：

摘要

本题要设计的是发酵培养基温度控制系统，发酵是放热反应的过程。

随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。

而温度对发酵过程具有多方面的影响。

因此，对发酵过程中的温度进行检测和控制就显得十分重要。

本课题设计了发酵罐温度控制系统，选择的传感器为Cu100，由于信号很小，所以就需要通过差动放大电路进行放大并且经过了滤波电路滤波，然后将处理后的电压信号经过V/I转换，输出4~20mA的电流信号，最后进行仿真分析以及参数的计算，以达到通过对冷水阀开度的控制对发酵罐温度控制的目的。

本系统应用温度控制系统，有助于提高发酵效率，有助于提高工厂产值，并且可以使资源得到更充分的作用。

关键词：

温度控制,PID控制器,V/I转换,比较机构

1.1.1发酵培养基简介3

前言

计算机控制技术以自动控制理论和计算机技术为基础，自动控制理论的发展给计算机控制系统增添了理论工具，而计算机技术的发展为新型控制规律的实现、构建高性能的计算机控制技术提供了物质基础，而两者的结合极大地推动了计算机控制技术的发展。

本课程设计主题以啤酒厂发酵罐培养基温度控制系统的设计为例，具体实现培养基温度的控制以及原理，要求了解发酵罐温度控制的工艺背景、设计控制方案。

1工艺过程概述

1.1.1发酵培养基

培养基（Medium）是供微生物、植物和动物组织生长和维持用的人工配制的养料，一般都含有水、氮源、无机盐（包括微量元素）、碳源、生长因子（维生素、氨基酸、碱基、抗菌素、色素、激素和血清等）等。

培养基由于配制的原料不同，使用要求不同，而贮存保管方面也稍有不同。

一般培养基在受热、吸潮后，易被细菌污染或分解变质，因此一般培养基必须防潮、避光、阴凉处保存。

对一些需严格灭菌的培养基（如组织培养基），较长时间的贮存，必须放在3-6℃的冰箱内。

由于液体培养基不易长期保管，均改制成粉末。

1.1.2工艺背景

啤酒发酵过程是啤酒酵母在一定的条件下，利用麦汁中的可发酵性物质而进行的正常生命活动，其代谢的产物就是所要的产品--啤酒。

啤酒发酵是放热反应的过程。

随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。

发酵过程中的温度的变化直接影响到啤酒质量和生产的效率。

因此，对发酵过程中的温度进行控制显得十分重要。

啤酒发酵的全过程分成多个阶段，各个阶段都有对应的温度曲线。

为了使啤酒有更好的品质，需要让发酵罐的温度根据工艺温度曲线变化。

1.2温度对发酵的影响

温度对发酵过程的影响是多方面的，它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制除这些直接影响外，温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度。

基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率。

某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。

1.2.1温度影响微生物细胞生长

随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。

这是由于生长代谢以及繁殖都是酶参加的。

根据酶促反应的动力学来看，温度升高，反应速度加快，呼吸强度增加，最终导致细胞生长繁殖加快。

但随着温度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利的。

1.2.2温度影响产物的生成量

1.2.3温度影响生物合成的方向

1.2.4温度影响发酵液的物理性质

温度除了影响发酵过程中各种反应速率外，还可以通过改变发酵液的物理性质间接影响微生物的生物合成。

1.3影响发酵温度变化的因素：

发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。

是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。

生物热主要是培养基中碳水化合物、脂肪、蛋白质等物质被分解为CO2、NH3时释放出的大量能量。

主要用于合成高能化合物，供微生物生命代谢活动及热能散发。

菌体在生长繁殖过程中，释放出大量热量。

生物热的大小与菌种遗传特性、菌龄有关，还与营养基质有关。

在相同条件下，培养基成分越丰富，产生的生物热也就越大。

1.4发酵热的测定

通过测量一定时间冷却水的流量和冷却水的进、出口温度，由下式计算出发酵热：

Q发酵=G.CW.（t2-t1）/V（1-1）

式中：

G——冷却水的流量（kg/h）；CW——水的比热[kJ／（kg•℃）]；

t2t1——分别为冷却水的进、出口温度（℃）；V--发酵液的体积（m3）。

通过发酵罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制装置,测定温度随时间上升的速率，按下式计算发酵热：

Q发酵=（MlCl+M2c2）.S（1-2）

Ml一系统中发酵液的质量（kg）；M2一发酵罐的质量（kg）；

Cl—发酵液的比热[kJ／（kg•℃）]；C2—发酵罐材料的比热[kJ／（kg•℃））；

S—温度上升速率（℃／h）。

1.5最适温度的选择与发酵温度的控制

1.5.1温度的选择

最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。

选择最适温度应该考虑微生物生长的最适温度和产物合成的最适温度。

最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。

  工业上使用大体积发酵罐的发酵过程，一般不须要加热，因为释放的发酵热常常超过微生物的最适培养温度，所以需要冷却的情况较多。

2发酵罐温度控制系统的设计

2.1总体设计方案

发酵罐的温度控制选择了检测发酵罐的上、中、下段温度的方法，通过上、中、下3段液氨进口的两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制，其原理图如图1所示。

2.1.1系统总框图

设计在本设计中采用闭环控制系统，温度采集电路从发酵罐中采集温度，通过模拟量控制模块，把采集的模拟信号转换成对应的数值信号送入PLC中，与给定的温度信号进行比较，经过PID运算后，通过输出差值信号来调节电磁阀的开关状态，从而来控制进入发酵罐冷却夹套中液氨的多少来调节发酵罐的温度。

图2是发酵罐温度控制系统总框图。

2．2硬件设计

2.2.1温度采集电路

图3是实际的测量电路。

图中，AD581输出一个标准的+10V电压，RP1用于调零，RP2用于调满刻度。

AD590输出电流在R1和RP1上产生压降，该电压经过运算放大（R2+RP2）/（R1+RP1）倍后输出。

调整过程分别在0℃（冰水混合物中）和100℃（沸水中）两点温度进行，通过运算放大器A放大使输出灵敏度为100mV/℃，即在0℃时，调整RP1时输出0V，在100℃时，调整RP2使输出为10V。

2.2.2PLC与计算机的通信

设计系统中，采用一台PC机和多台PLC组成控制系统，计算机实行图形显示数据处理打印报表以及中文显示等功能，PLC则执行控制功能。

图4是FX2NPLC与计算机连接图。

2.3软件部分

图5是发酵罐控制过程的程序流程图。

本设计选择FX2N-4AD模块，并且选择通道和相应的量程。

序的作用是选择通道一、A/D转换和将转换的数据放在地址D201中。

A/D采样时间是选用了15s，这是根据采样定理确定的，并参考了工程手册上的参数设定。

罐状态操作包括：

温度控制自动调谐程序、长定时子程序和各阶段温度控制。

图6是长定时子程序:

各阶段温度控制分为：

（1）进料阶段，温度保持在8℃，流程图如图7所示:

（2）还原双乙酰阶段，温度保持在12℃，流程图如图8所示:

（3）停留观察，温度保持在6℃，流程图如图9所示；具体停留观察阶段设定为10个小时，用于检测发酵液体内的化学物质含量，并将发酵液中的酵母排出。

在没有到达停留观察阶段时，其PID输出值为零；

（4）储酒阶段，将温度控制到-1℃，直到发酵周期结束，流程图如图10所示。

参考文献：

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科学出版社，2012.2

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