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第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会,俄罗斯下诺夫哥罗德,2012年生物过程控制教学实验(一)--硬件设置Martin J. Wolf*、Vasil Ninov**、Heiko Babel***、KimmoHütter***、Ralph Staudt**、Winfried Storhas***、EssameddinBadreddin*** 曼海姆大学,曼海姆,德国(电子邮件:mjwolf@uni-mannheim.de)** 海德堡大学,ZITI,自动化实验室,德国(电子邮件:ninov_16@yahoo.com,staudtralph-ifac@yahoo.de,badreddin@ziti.uni-heidelberg.de)* 德国曼海姆应用科学大学技术微生物学研究所(电子邮件:h. gmail.com,stud.hs-mannheim.de,w. hs-mannheim.de)翻译后摘要:在本文中,一个实验室实验教学生物过程控制和自动化的发展。在生物过程中,化学反应是由活的微生物进行的,这不仅显示出增加的代谢需求和某些环境适应性,而且还提供了巨大的优势,如以可靠,快速,廉价和安全的方式合成复杂蛋白质产品的高度复杂的能力。因此,与常规工艺技术相比,用于生物反应的设备也表现出额外的要求,例如关于无菌或通风。相应的讲座有意集中在现代几何[和]基于模型的控制。由于生物过程的动力学依赖于微生物的代谢特性本文,作为一系列的第一个三个,重点放在后者,包括实验程序识别的四个最重要的特征的生物反应器,这是功率输入,均质化,气体和传热。反应器系统放大的考虑增加了模型的理解。在简要介绍了所采用的控制系统的基础上,以一个便携式的低成本的主-目标实时计算机系统完成了本实验的硬件文档。控制系统的一个显著特点是其新开发的图形用户界面。这个界面是在Labview中编程的,减轻了工厂的操作,因为它不低于商业的任何方式,从而为学生做好准备后一份工作。伴随的论文将详细描述动力学模型和教学设计的实验说明。关键词:过程控制,生物技术,数学模型,生物反应器/发酵罐,用户界面。介绍随着1998年《索邦宣言》的发表,启动了所谓的博洛尼亚进程,这是一项对高等教育产生巨大影响的改革。为了建立一个统一的欧洲高等教育区,它导致了许多改革,例如德国高等教育体系:从旧的德国“Diplom”[硕士学位]过渡到B.A./ M.A.学位制度,加上解决和培养相关技能和能力,是课程现代化的基础。例如,在曼海姆应用科学大学,生物技术硕士课程的重点略微转向在这种情况下,第一作者有机会创建,开发和教授每周2小时的PRAE讲座,从2010年夏季学期的硕士课程开始为了加强学生的学习过程,有意义的是考虑到不同的学习风格,解决个人对视觉、听觉或触觉学习的偏好,促进对学科内容的各种访问。因此,PRAE讲座的教学实验的开发和仍然是基于这种方法的改进,旨在所有学生能够重建的主要课程主题也在实验部分。因此,内容的选择和调整侧重于知识构建的基础,以及培养对相关材料的深层理解。实验的自我强加的实际相关性有一个初步的功能,框架的目标是开发一个完整的发酵运行在工业设备上,而不仅仅是加热一些水作为一个抽象的真实过程。PRAE讲座的第一作者© 2012 IFAC 402 10.3182/20120619-3-RU-2024.000332012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会403不同学科之间的沟通。第二,使学生对整个控制领域有一个广泛的概述(深刻的事实知识),包括经典PID控制以及现代基于模型的控制,数学系统分析,控制器综合,以及使用Simulink作为图形化编程语言的实现。为了教授基于模型的控制,当然需要相应过程的模型。为此,两个独立的部分同样重要,因为它们都影响生物过程的整体动力学:生长的微生物的特征代谢特性(“动力学模型”),以及反应发生的发酵罐容器的物理和机械特性(“反应器模型”)。两种模型组分相互作用,例如由微生物产生的热量从反应器中的输送以及进入反应器的材料(例如氧气)及其在反应器内的分散都取决于反应器特性,并影响生物生长。本文是三篇系列文章中的第一篇,因此完整地描述了用于教学实验的硬件,可以说:反应器模型-从该硬件的机械设置和数学模型开始(以及,作为盈余,基于尺寸分析的整个过程的放大计算),整个控制系统,包括电气布线,直到图形化操作界面的开发。与此相一致,随附的和即将出版的论文将包含生物过程(产钠弧菌发酵)的详细描述,动力学模型,完整的模拟环境,整个实验的教学概念,以及实验1.生物反应器系统每个生物过程(“微生物反应”)的核心组成部分是生物反应器,也称为发酵罐。它通过控制内部条件(例如均质化)和控制与环境的相互作用(能量和材料运输)为反应提供了明确的界限,重现性;它还保护反应免受生物污染等关键外部扭曲。1.1 机械设置对于该实验,使用大约在1995年由Infors(Bottmingen,Switzerland )制造 的5升玻璃 发酵罐 IFS-100(参见 图1)。该发酵罐配备有带挡板笼的2盘叶片搅拌器,并且通常在保留2升作为顶部空间的情况下操作。搅拌器19”机架,通过背板连接。背板上的所有信号都是0- 10 V电压信号,并且有很好的文档记录,因此,在用可自由编程的实时计算机替换控制器的同时,继续使用测量放大器是很容易的,参见第1.3节。完整的发酵罐单元的尺寸为35 x 47 x 150 cm;重量为(约)35公斤。完整的发酵罐系统是便携式的;其玻璃容器在高压灭菌器中灭菌。发酵罐装置只需要四个外部电源:电源(230 V),Fig. 1. INFORS ISF-100发酵罐。1.2 反应器模型反应器模型包括功率输入、均质化、气体传递和传热。在下文中,将讨论用于确定特性的实验和描述它们的公式。本章中提出的经验公式仅对所考虑从下面搅动包含轴向面密封的轴。发酵罐,操作的 在搅拌器 速度400-1000最小值1反应器通过双夹套进行回火;在此,温度以及回火介质的流量都控制在内部固定的设定值(但也可以使用外部可调装置进行操作)。传感器、填充物等的所有插头均位于顶盖中。反应器装置最初配备三个蠕动泵,用于酸、碱和进料。电子控制单元(测量放大器和控制器)实现为独立的卡,(下图:搅拌器溢流,上图:剪切力过高),通气速率为0.5 min/h至2 min/h。对于每个实验,测试了广泛的经验方程来描述实验数据(Babel,2011)。此外,数据与不同次数的多项式拟合。为了比较拟合优度,计算残差平方和(RSS)。结果发现,多项式产生了更好的拟合,并随后用于模型。2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会404L1.2.1 功率输入输入介质的功率,即耗散能速率为0.5、1、1.5和2 min/ min。为了比较不同的混合特性,计算混合时间为95%,这是系统达到混合质量所需的时间(秒)添加的,对于均质化和促进气体转移是必要的,但也可以被认为是不需要的污染源。M()百分之九十五)95%。 发现,混合时间为10min,百分之九十五热它由两个主要部分组成:第一,以瓦特为单位的气动功率输入,大约由(Storhas,1994)取决于搅拌器速度和通气速率,如(5)所述,其中搅拌器速度 n和曝气量q单位为min/min,RSS = 14.47。PVGLg H(一)中国(3.15103n 6.87n 4.34 103 7.52 104)WhereVG 在m/s中流动,3L百分之九十五(4.4410兆6q3兆 2.4110兆5q2兆 3.82 10兆5q兆 3.8710兆5)(五)介质,单位为kg/m3,g为地球重力,单位为m/s2,H为发酵罐中液体的高度,单位为米。另一部分是由搅拌器添加到介质中的耗散能量,其可以表示为(Bates等人,一九六三年)1.2.3气体输送有氧运动中最重要的气体转移第三季第5(二更)发酵过程是氧气从气体R L R这里Ne是牛顿数,搅拌器速度s-1,阶段进入介质。然后氧气被微生物消耗dR是搅拌器的直径,单位为米。牛顿数通常将阻力与惯性力联系起来,并且是反应器和搅拌器几何形状的特征。在生物反应的情况下,牛顿数微生物的动力学生长模型。作为发酵过程中气体传递的模型,使用所谓的双膜理论。该模型得出以下氧气传输速率的表达式(Schügerl,1991)强烈依赖于搅拌器速度n和一个更小的OTR二氧化碳 k apO2c在通气速率q上延伸(两者都在最小值1)。 牛顿dtL氢氧化铝(六) 通过在不同的温度下测量扭矩来确定数量。搅拌器速度在100-1000min1和曝气这里OTR是氧转移速率[ mol/(m3s)],a的0-3的比率最小值1.测量扭矩至少3体积氧传递系数[s<$1],c[ mol/m3]平均值用于随后的计算。据推测,介质培养基中的氧浓度O2氧分压 部分在310 K时,水的粘度相同,氧气压力[ Pa ],以及H是 亨利过程中的变化。然后,当RSS为5.8时,它对牛顿数Ne成立:日本(108n33105n 2.68 103n12.39)[Pacm3/mol]。然后通过记录氧耗尽介质中氧浓度的饱和曲线来确定体积氧传递系数一测量持续约两分钟。相同的范围(2.5101q 4.27 101 5.66)0.166(三)搅拌器速度和通气速率的变化与实验中一样用于确定混合质量。它结果发现, 7.83 10- 15,体积1.2.2均质化各向同性反应空间的假设,在普通而不是偏微分方程的适用性,是有效的,如果系统是良好的混合。这意味着反应空间中的传输过程需要比生化反应更快。为了评估这一假设的有效性,并作为一个特征,氧转移速率最好由下式描述:k(2.31102n3 47.4n 2.46 104 5.33)(1.3310英镑9便士3便士 3.94英镑9便士2便士1.76英镑9便士1.0110英镑8便士)1.2.4 传热(七)在均质化之后,测量混合质量。(Storhas,1994)M(t) c(t)传热直接影响反应温度,为了描述传热,反应器夹套和介质中的热能由普通了c0阿利什卡2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会405(四)微分方程(Demtröder,2008)。以积分形式反应器夹套中以焦耳为单位的热能Q可以是其中c0是初始值,c是最终浓度,描述为:mol/m3。 混合质量通过测量t 加入盐酸溶液后的pH值这导致QJ t0cH2OmTTe m pmQJ JLPaddt(八)记录的pH下降。典型的测量持续了大约20秒。测量发生在Jiang过氧化氢 MJ TJ,0搅拌器速度为400、600、800和1000最小通气量2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会406J其中cH2O 是水的热容量J/(kK),m1.2.5 考虑按比例放大以提高理解力TTemp是流入夹套的水的温度,单位为K,TJ,0是夹套中的初始温度,单位为K,mJ是在反应堆中的水的质量是以瓦特为单位的穿过反应器壁的类似地,它适用于介质QL中的热能:不尽管如此,在科学上,兴趣不仅在于对某一生物反应器系统的表征,而且在于将该数据转移到具有不同规模的其他反应器例如从实验室到生产规模。由于尺度,系统属性的不同维度依赖行为需要采取系统的办法,为扩大规模获取可靠的数据。 一强大工具 到做所以 是空间Q0PRPGJLdtcH2OmLTL,0(九)分析(Zlokarnik,2005)。量纲分析提供了有关参数相关性的有价值的信息其中mL是介质的质量,并且TL,0是介质的初始温度。在该积分中,不考虑微生物的产热,但如果知道它可以很容易地添加,并将代表另一个链接到动力学模型。根据热能,可以通过下式计算相应的温度(Demtröder,2008年):中国( 10)C m其中,T表示以K为单位的温度,Q表示以K为单位的热温度,彼此的依赖。基于这些知识,可以更有效地计划和执行实验,并对所获得的结果进行严格的评估。因此,可以实现不同工厂规模的高精度参数和性能预测。特别是对系统行为的理解和减少实验数量的能力,由量纲分析提供,应该鼓励大学在理论和实践中教授这种广泛适用的技术;因此它被列入本教学实验。能量为J,c是物体的比热容,量纲分析的本质是将J/(kgK)和 M 是它的质量,单位为千克。 算算反应器和夹套中的温度与(10)相比,反应器壁的传热可以通过下式计算(Demtröder,2008):所考虑的问题的参数在这样的比例,他们作为无量纲数的结果。只要这些所谓的π量是常数,系统在任何尺度下的行为都是一样的。否则,可以通过改变单个pi量来研究pi量的函数依赖性,QJLkA(TJ-TL)(十一)例如,搅拌器的雷诺数和牛顿数之间的关系是一个常见的例子。基本步骤如下这里k表示传热系数,W/(m2K),如下所示A是传热的相间面积,单位为m2,T和T是步骤1列出所有相关物质和工艺参数J L的 温度 在K在 的 夹克 和 介质以及自然常数分别利用(11),最终可以计算介质的温度。通过用外部恒温器在恒定温度和流速下加热介质来确定传热系数k。进行测量直到反应器内的温度达到恒温器的温度附近,其持续长达1小时。在夹套流速下测定了传热系数10和24 dm3/min,搅拌器速度和通气速率在与先前实验相同的值范围内变化。来自文献的上述方程拟合较差然而,根据经验发现,k取决于步骤2执行矩阵变换以获得pi-量3.解释π量4.进行后续实验在本教学实验的背景下,使用量纲分析完成了理论放大研究,包括体积氧传递系数kL a、加热时间和混合时间(Hütter,2012)。在下面的例子中,由于综合的原因,将仅讨论kL在搅拌器速度n、通气率q和流速步骤 一曰: 为 的 kL a值 在 一 几何相似如果水在他的夹克里,他会沿着翅膀的方向走:k1/(1.14100.865/(68.10.377V)0.975/((1.67 103$0.265n)(9.43 10<$2<$1.2110<$2q)2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会407J(十二)对于连续搅拌反应器,即具有不同尺度的均匀形状,以下参数是相关的:体积功率输入P/V、表观气体速度ug、重力加速度g、动态粘度η、液体密度ρ和扩散系数D。由于不同的聚结现象在这一点上还没有完全理解,作为一种教学简化,它们被忽略了。其中η和q都在单位min= 1,V=dm3/min,步骤2:随后创建维度矩阵,计算的残差平方和为3.8 × 10- 3。包含列形式的参数及其相应行中的维度效力(请参见表1)。核心2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会408GPP然后,将优选地由不变参数组成的矩阵变换为单位矩阵。由此产生的残差矩阵产生π-量。为了提取π量,残差矩阵的每个列参数必须除以具有所指示的指数的对应的核心矩阵参数,例如,为了获得k L a,kL a必须除以具有指数1/3的ρ,除以具有指数-1/3的η,以及除以具有指数2/3的 g所有提取因此,根据公式(16)和(17),似乎μ对n的影响是直接的(~μ-2/3),另外通过影响牛顿数(~(NeL/NeP)1/3)间接的。直接和间接影响对搅拌器速度的影响之间的数值比较证明间接影响是微不足道的(数据未显示)。因此,为了根据比例调节搅拌器速度,等式(16)最终可以简化为:π-量为(运动粘度ν = η/ρ):<$1 <$kL a·η1/3/(ρ1/3·g2/3)= kL a·(ν/g2)1/3nP = nE 第18章:三分之二P/V/(ρ2/3·η1/3·g4/3)= P/V/(ρ·(ν·g4)1/3)(十三)表1. 维度矩阵变换细分为核心矩阵(左上)、残差矩阵(右上)和残差34步骤3:假设扩散系数D是恒定的,则可以通过将P/V和ug控制在不变的水平上来保持Δ2、Δ3和Δ4恒定,因为它们是唯一的尺度相关参数。因此,包括kL a的k 1也将不变。总之,与标度无关,如果体积功率输入P/V和表观气体速度ug两者保持恒定,则kLa保持不变。这一发现与广泛使用的经验方程来表征kLA值kL a = K ·(P/V)A·uB(14)其中K、A和B表示常数(Storhas,1994)。为 了 实 现 恒 定 的 ug , 必 须 根 据 规 模 调 整 通 气 速 率 q[vvm]。通过将Ug视为反应器的体积气体流量除以其横截面积AR,可以获得以下关系:ug= q·V/AR~ q·L3/L2= q·L变换后的矩阵(右下角,右侧重新指示了相应的核心参数)。ρηGaP/VugDMLT1100100-3-110-1120-1-21-3-1-1M+T+2Z1001/32/3-1/3-1ρ(3M+L-Z)/2010-1/31/31/31Η(3M+L+2T)/3 = Z0012/34/31/30G步骤4:在不同规模的几何相似反应器中测量kLa值,可以验证理论上获得的搅拌和曝气放大规则(未执行)。1.3 控制系统→ qP = qE· LE/ LP = qE/µ(十五)作为可编程的实时控制系统,使用主机-目标计算机(Wolf,2009),运行实时其中V是反应器的体积,L是特征长度,μ =LP/ LE是放大系数。指数E和P表示实验规模和生产规模。然而,根据文献2,要达到常数kL a需要回答另一个问题:如何调节主要功率输入,即搅拌器速度,以达到恒定的体积功率输入?由于恒定的ug导致单位体积的恒定气动功率输入,与规模无关,因此仅需考虑搅拌输入的功率。根据等式(2),对于搅拌器速度n可以获得以下关系:P/V ~ NeE· nE3· LE2 = NeP· n3·L2操作系统QNX作为目标-Windows作为主机操作系统。编程是使用Simulink和Mathworks的实时工作坊(现在称为“Simulink Coder”)一起完成的。利用Labview实现了发酵过程控制的图形用户界面。Labview Add-on“SimulationInterface Toolkit”(SIT)允许通过Labview图形界面控制Simulink模型。Labview、Simulink和SIT服务器在主机上运行,没有实时要求。参考值由用户在Labview GUI中输入,并通过TCP/IP从Labview发送到SIT服务器。SIT服务器将这些值传递给Simulink;为此,只需将一个使Simulink能够从SIT服务器读取的块插入到Simulink模型中,无需插入其他任何内容。→ nP = nE ·µ-2/3·(NeE/NeP(十六))1/3变了对于数据采集,两个来自Sensoray,Inc.的S-626 PCIDAQ板。被使用。直接连接因此,牛顿数本身在曝气的情况下是规模的函数,并且对于任一规模,可以根据经验方程(Neo =未曝气Ne;dR=反应器直径)计算:Ne = Neo·(1 + 490 μg·(g ·dR)-1/2)-1/3(17)连接到反应堆电子单元的背板。对于反应器的自动化,使用以下模拟信号就足够了:通气(2012年6月19日至21日,俄罗斯下诺夫哥罗德,国际会计师联合会第九届研讨会409一台计算机限于两台),和/或可以在一台目标计算机内使用来自National Instruments的附加DAQ板,例如PCI-6229或PCIe-6323卡。在后一种情况下,这些卡的数据处理由Labview完成(附加的Labview“实时模块需要),并且该数据也可以通过历史函数将选定的值存储在“.lvm-file”中。所有的值都被存储,在可调的时间间隔后定期存储,以及每当值改变时存储。此功能是使用Labview函数“写入测量文件”和局部变量实现的Labview“预定义值”功能允许用户启动和/或 操作 的 应用 使用 合理(初始)价值观对于值的初始化,1.4 操作员界面用 于 控制 发 酵 的用 户 界 面( 参 见 图2 ) 使 用Labview(Ninov,2011)实现。以下参数或状态变量此外,用户界面显示最重要值的图形显示:操作员一眼就能看到搅拌器是否在运动(动画),反应器是否充气(气泡),以及反应器内容物处于哪个温度范围(深蓝色,浅蓝色,淡红色,暗红色)。图二. Labview操作员界面。用户界面包含一个概览选项卡,其中最重要的值以数字形式显示,可以粗略快速地设置。概览选项卡上的所有功能也在单独的单个选项卡上实现,这些选项卡提供了用于设置这些值的附加(例如,用于阈值)和更精确的元素。单个函数被定义为子程序。Labview中的子例程称为SubIV。SubIV用作概览窗口中的对象。概览窗口参数和单个选项卡参数之间的链接使用局部变量实现。用户界面是多语言的。相应的实现是使用预定义的Labview功能“单选按钮”,“文本环”,“索引数组”,“属性节点”,“常量”和局部变量。用户界面的功能元素的每个标签是文本环,其中输入相应的翻译和相关联的索引。但是,标签标题的多语言功能采用实现使用预定义的Labview函数“从测量文件读取”、“索引数组”、“常量”和局部变量。使用单选按钮选择这些“预定义值”模式。一些模式,如“灭菌”和“发酵”已经定义和实现为单个按钮。通过这种方式,甚至可以相应地调整GUI的外观(例如,显示的温度范围等)。某些其他属性(如“参数隐藏”)可以防止用户在某些操作模式下意外设置参数;这例如用于控制泵(以防止立即切换方向等)。致谢作者要感谢弗赖堡大学HDZ的Silke Weigeant,感谢他对本手稿的注释以及Dipl。Ing. (FH)迈克尔·埃米特,曼海姆应用科学大学,Ing. Frank Stolzenberger,海德堡大学,专业技术支持。引用巴贝尔,H.(2011年)。搅拌槽式生物反应器之产钠弧菌发酵动力学模拟。曼海姆应用科学大学实验室项目。贝茨河Fondy,P. Corpstein,R.(1963年出版)。叶轮功率若干几何参数的检验。工业工程化学过程设计与开发,2,310-314。Demtröder , W. ( 2008 年 ) 。 Experimentalphysik 1 :MechanikundWärme,Springer,Berlin/Heidelberg/New York.Hütter,K.(2012年)。放大:热灭菌的计算和基于Simulink的建模。曼海姆应用科学大学实验室项目。Ninov,V.(2011).在Labview中设计和实现一个基于Simulink的生物反应器响应调节器。海德堡大学学士Schügerl,K.(1991年)。生物学和特性,Salle,法兰克福。Storhas,W.(1994年)。弗里德尔·生物学和生物学ViewegSohnVerlagsgesellschaftmbH,Braunschweig/Wiesbaden.沃尔夫,M.,施陶特河,Gambier,A.,Storhas,W.,巴德雷丁,E.(2009年)。建立一个低成本的移动式实时控制系统,并应用于生物过程的pH值控制。IEEE控制应用会议(CCA),1631-1636,圣彼得堡,俄罗斯。Zlokarnik , M. 03 The Underwater ( 2005 ) 2.奥 弗拉 格2005.WILEY-VCHVerlagGmbHCo.KGaA ,Weinheim.
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