plc的激流式生物反应器监控系统的研究(附件)
生物反应器通俗地讲是一种能够为培养生物体细胞提供良好环境并使它们进行生化反应的容器或工程设备，本次课题要研究的是对激流式生物反应器中的温度、pH值、溶氧以及补料和消泡进行监控。通过查阅相关资料进行理论分析和对现实环境的考量，提出了用PLC控制技术和WinCC flexible软件对激流式生物反应器系统进行监控。通过调试和性能分析，可以得到以下结论：实验所采用的硬件配置方式合理，软件的系统运行也稳定，仿真也比较成功。关键词 激流式生物反应器，上下位机监控，PLC，PID控制目 录
1 绪论 1
1．1 课题来源与意义 1
1．2 课题在国内外的发展情况 1
1．3 课题所研究的内容和控制方法 2
1．4 查阅资料对课题研究的启发 4
2 激流式生物反应器控制系统研究 4
2．1 激流式生物反应器的组成和工作原理 4
2．2 激流式生物反应器监控系统的参数要求 6
2．3 激流式生物反应器控制系统的PID控制 6
2．4 激流式生物反应器控制方法研究 6
2．5 本章小结 8
3 硬件设计 8
3．1 激流式生物反应器监控系统硬件的描述 8
3．2 激流式生物反应器监控系统的硬件结构 8
3．3 激流式生物反应器监控系统的上下位机硬件集成 10
3．4 本章小结 10
4 软件设计 10
4．1 激流式生物反应器监控系统软件的描述 10
4．2 系统软件流程图与理论分析 11
4．3 激流式生物反应器监控系统软件设计 14
4．4 本章小结 18
5 系统仿真与性能分析 19
5．1 监控系统运行测试 19
5．2 系统实验 22
5．3 本章小结 24
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
1 绪论
1．1 课题来源与意义
如今，动物细胞培养在世界各地属于热门行业，动物细
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
5 系统仿真与性能分析 19
5．1 监控系统运行测试 19
5．2 系统实验 22
5．3 本章小结 24
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
1 绪论
1．1 课题来源与意义
如今，动物细胞培养在世界各地属于热门行业，动物细胞培养就是通过动物机体提取分散出多个单个细胞，然后提供合适的皿，让这些细胞得以生长，通过观察和监测细胞的生长环境，并进行记录，可以从中发现细胞的生长规律，从而模拟出该细胞的最佳生长环境，将它应用于酒类、医药生产、果汁发酵、有机污染物降解等方面。
生物反应器是一种能提供生物活性环境的制造或工程设备。实际上，生物反应器可以简单地概述为一种由特定生物进行生化反应的容器，并且该反应器既支持有氧的生化反应，也支持无氧的生化过程，同时反应器的形状是不固定的，其体积也是不固定的。该装置在培养生物体细胞体外容器的基础上，可以将其包含的技术成果应用到商业途径中，更关键的是许多应用生物技术的产品都绕不开生物反应器。人们对生物反应器进行深入研究，不但有助于新产品的快速研发和生产，而且也有利于已有生物技术产业的技术改造，为人类社会作出贡献。
目前生物反应器已经得到了较大的发展，它的种类主要有培养动植物细胞的反应器、机械搅拌式的反应器和气升式的反应器等，本课题研究的就是培养动物细胞的反应器，但我国商品化的动物细胞反应器还很少，犹其是激流式生物反应器，它是专门用于大规模动物细胞体外培养,获得代谢产物或生物体的生物工程设备，是将生物技术成果转化为产业化的桥梁[1]。为了顺应世界潮流，与世界接轨，这方面的研究是绝对不能少的。
1．2 课题在国内外的发展情况
关于国外在生物反应器监控系统方面的发展，1995年，F.J.Romen对发酵过程、发酵控制系统及参数检测设备进行了分析，基于DCS,从方法论的角度研究发酵过程控制系统的构建方法[2]；Y.C.Liu,F.S.Wang在2001年使用工业控制计算机和HPLC（色谱仪）开发了发酵过程的在线监控系统[3]；2008年，瑞士联邦理工学院的Xiaowei Zhang, Matthieu Stettler等人在圆柱形结构的内壁添加了螺旋形挡板结构，他们得出，在同样条件下，500mL-1500L带有螺旋形轨道的圆柱形激流式生物反应器内的液体沿着螺旋轨道上升可以显著的增加气液交界面面积，故其相比于同尺寸的圆柱形激流式生物反应器，氧气传输速率大约提高了10倍[4]。
在国内，近年来也有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，在2001年，江南大学陈坚、潘丰等人针对我国发酵企业规模相对较小而控制要求较高的情况,开发了FPC2000生化过程集散控制系统，同时采用智能控制的方法，使多粘菌素工业生产在优化控制中平均缩短发酵时间5%，而产量提高了3%[5]；张舒在2004年利用ATMEL单片机和I2C串行器件,设计了一种带模拟回路的补料装置，同以往的增强型补料器相比,该装置增加了模拟回路,将需要控制的温度、压力、pH、DO等模拟信号及需要调节的阀门等做到了一台设备上,同时用VC编制的上位机软件完全可以代替DCS[6]；2004年洪家平等人使用AT89C52及外围设备，同时运用VB开发上位机系统，实现了对温度、溶氧、pH和液位的有效测量和控制[7]。
1．3 课题所研究的内容和控制方法
本课题主要研究细胞在培养过程中的温度、pH值、溶氧以及消泡和营养液浓度等，原因就是人们至今没有完全掌握生物发生生化反应要求什么样的环境才能使产能达到最佳。生物的环境参数具有时变性、耦合性、多样性和不确定性等，这给生化反应的监测带来了很大程度上的困难，无法很精确地把我生物反应的最佳环境。
该课题的控制方法采用定时取样，并且进行离线分析整定。同时在激流式生物反应器内进行细胞培养，要求罐内的环境是处在无菌的状态下，另外发酵罐内的内部环境也应该是稳定的，使传感器可以方便顺利地检测到pH值、温度以及溶氧等参数。本人在大方向上使用了PLC控制，所以接下来的思路就是采用分段调整PID控制的方法来对系统进行控制，主要分为三个方面的控制：一是生物反应器的温度控制，二是生物反应器的pH值控制，三是生物反应器中溶氧浓度的控制，以下本人将针对这三个方面展开讨论。
(2)温度控制：对于细胞生长来说，适宜的温度是必不可少的，同时生物反应中起催化作用的酶也需要一个适宜的温度，在本系统中，通过温度传感器采集现场温度，通过数模转换后将信号传递给控制器，控制器通过PID控制固态继电器。如图1-1是温度控
1 绪论 1
1．1 课题来源与意义 1
1．2 课题在国内外的发展情况 1
1．3 课题所研究的内容和控制方法 2
1．4 查阅资料对课题研究的启发 4
2 激流式生物反应器控制系统研究 4
2．1 激流式生物反应器的组成和工作原理 4
2．2 激流式生物反应器监控系统的参数要求 6
2．3 激流式生物反应器控制系统的PID控制 6
2．4 激流式生物反应器控制方法研究 6
2．5 本章小结 8
3 硬件设计 8
3．1 激流式生物反应器监控系统硬件的描述 8
3．2 激流式生物反应器监控系统的硬件结构 8
3．3 激流式生物反应器监控系统的上下位机硬件集成 10
3．4 本章小结 10
4 软件设计 10
4．1 激流式生物反应器监控系统软件的描述 10
4．2 系统软件流程图与理论分析 11
4．3 激流式生物反应器监控系统软件设计 14
4．4 本章小结 18
5 系统仿真与性能分析 19
5．1 监控系统运行测试 19
5．2 系统实验 22
5．3 本章小结 24
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
1 绪论
1．1 课题来源与意义
如今，动物细胞培养在世界各地属于热门行业，动物细
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
5 系统仿真与性能分析 19
5．1 监控系统运行测试 19
5．2 系统实验 22
5．3 本章小结 24
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
1 绪论
1．1 课题来源与意义
如今，动物细胞培养在世界各地属于热门行业，动物细胞培养就是通过动物机体提取分散出多个单个细胞，然后提供合适的皿，让这些细胞得以生长，通过观察和监测细胞的生长环境，并进行记录，可以从中发现细胞的生长规律，从而模拟出该细胞的最佳生长环境，将它应用于酒类、医药生产、果汁发酵、有机污染物降解等方面。
生物反应器是一种能提供生物活性环境的制造或工程设备。实际上，生物反应器可以简单地概述为一种由特定生物进行生化反应的容器，并且该反应器既支持有氧的生化反应，也支持无氧的生化过程，同时反应器的形状是不固定的，其体积也是不固定的。该装置在培养生物体细胞体外容器的基础上，可以将其包含的技术成果应用到商业途径中，更关键的是许多应用生物技术的产品都绕不开生物反应器。人们对生物反应器进行深入研究，不但有助于新产品的快速研发和生产，而且也有利于已有生物技术产业的技术改造，为人类社会作出贡献。
目前生物反应器已经得到了较大的发展，它的种类主要有培养动植物细胞的反应器、机械搅拌式的反应器和气升式的反应器等，本课题研究的就是培养动物细胞的反应器，但我国商品化的动物细胞反应器还很少，犹其是激流式生物反应器，它是专门用于大规模动物细胞体外培养,获得代谢产物或生物体的生物工程设备，是将生物技术成果转化为产业化的桥梁[1]。为了顺应世界潮流，与世界接轨，这方面的研究是绝对不能少的。
1．2 课题在国内外的发展情况
关于国外在生物反应器监控系统方面的发展，1995年，F.J.Romen对发酵过程、发酵控制系统及参数检测设备进行了分析，基于DCS,从方法论的角度研究发酵过程控制系统的构建方法[2]；Y.C.Liu,F.S.Wang在2001年使用工业控制计算机和HPLC（色谱仪）开发了发酵过程的在线监控系统[3]；2008年，瑞士联邦理工学院的Xiaowei Zhang, Matthieu Stettler等人在圆柱形结构的内壁添加了螺旋形挡板结构，他们得出，在同样条件下，500mL-1500L带有螺旋形轨道的圆柱形激流式生物反应器内的液体沿着螺旋轨道上升可以显著的增加气液交界面面积，故其相比于同尺寸的圆柱形激流式生物反应器，氧气传输速率大约提高了10倍[4]。
在国内，近年来也有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，在2001年，江南大学陈坚、潘丰等人针对我国发酵企业规模相对较小而控制要求较高的情况,开发了FPC2000生化过程集散控制系统，同时采用智能控制的方法，使多粘菌素工业生产在优化控制中平均缩短发酵时间5%，而产量提高了3%[5]；张舒在2004年利用ATMEL单片机和I2C串行器件,设计了一种带模拟回路的补料装置，同以往的增强型补料器相比,该装置增加了模拟回路,将需要控制的温度、压力、pH、DO等模拟信号及需要调节的阀门等做到了一台设备上,同时用VC编制的上位机软件完全可以代替DCS[6]；2004年洪家平等人使用AT89C52及外围设备，同时运用VB开发上位机系统，实现了对温度、溶氧、pH和液位的有效测量和控制[7]。
1．3 课题所研究的内容和控制方法
本课题主要研究细胞在培养过程中的温度、pH值、溶氧以及消泡和营养液浓度等，原因就是人们至今没有完全掌握生物发生生化反应要求什么样的环境才能使产能达到最佳。生物的环境参数具有时变性、耦合性、多样性和不确定性等，这给生化反应的监测带来了很大程度上的困难，无法很精确地把我生物反应的最佳环境。
该课题的控制方法采用定时取样，并且进行离线分析整定。同时在激流式生物反应器内进行细胞培养，要求罐内的环境是处在无菌的状态下，另外发酵罐内的内部环境也应该是稳定的，使传感器可以方便顺利地检测到pH值、温度以及溶氧等参数。本人在大方向上使用了PLC控制，所以接下来的思路就是采用分段调整PID控制的方法来对系统进行控制，主要分为三个方面的控制：一是生物反应器的温度控制，二是生物反应器的pH值控制，三是生物反应器中溶氧浓度的控制，以下本人将针对这三个方面展开讨论。
(2)温度控制：对于细胞生长来说，适宜的温度是必不可少的，同时生物反应中起催化作用的酶也需要一个适宜的温度，在本系统中，通过温度传感器采集现场温度，通过数模转换后将信号传递给控制器，控制器通过PID控制固态继电器。如图1-1是温度控
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/3521.html
