一种线性、指数、对数运算自由组合的补料装置和方法与流程

1.本发明涉及生物发酵技术领域，尤其涉及一种线性、指数、对数运算自由组合的补料装置和方法。


背景技术：

2.发酵罐生产过程是微生物不断生长和分裂的过程。微生物的数量跟随时间呈现为线性、指数、对数增长方式，不同的微生物或者相同微生物在不同的生产工艺下数量的增长方式是不同的，可能为一种增长方式，也可能为多种增长方式的组合。伴随着设备中微生物数量的变化，对补料的需求量也是对应变化的。
3.补料是指通过某些方法向发酵罐中加入营养物质保证微生物的生长和分裂，如果加入量不够则微生物会因为缺乏养分而导致生长迟缓，如果加入量过多也会因为物料浓度变化等原因起到反作用抑制微生物的生长。
4.如图4所示，现有的为发酵罐内的微生物补料的装置主要是通过流量计7测量流速，人工调节手动阀6来改变流速值为发酵罐内的微生物补料，无法按照微生物的增长方式进行补料，极有可能造成抑制微生物的生长或导致微生物的生长迟缓的不利后果。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种线性、指数、对数运算自由组合的补料装置和方法，使得发酵罐内的微生物数量随时间呈现线性、指数、对数中的一种或几种组合增长方式时，营养液根据微生物数量的增长方式自动向发酵罐中的微生物补料。
6.为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种线性、指数、对数运算自由组合的补料装置，包括质量流量计、气动调节阀、plc控制器和上位机，发酵罐内的微生物数量随时间呈现线性、指数、对数中的一种或几种组合增长方式，营养液通过管道向发酵罐中的微生物补料，质量流量计测量管道中营养液的瞬时流速，质量流量计将测得的瞬时流速pv传送至plc控制器，上位机根据发酵罐内的微生物数量随时间的增长方式设置设定流速sv，上位机将设定流速sv传输给plc控制器，plc控制器调节气动调节阀的打开比例，使得瞬时流速pv接近设定流速sv。
7.为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种线性、指数、对数运算自由组合的补料装置的补料方法，补料方法包括如下步骤：s1、上位机根据微生物数量随时间的增长方式获取设定流速sv；s2、plc控制器获取设定流速sv和瞬时流速pv，plc控制器通过pid算法得到气动调节阀的打开比例，使得营养液通过管道向发酵罐中的微生物补料。
8.作为本发明的优化方案，plc控制器通过pid算法得到气动调节阀的打开比例为：公式1公式1中：u(t)为气动调节阀的打开比例；k
p
为比例增益，是调适参数；ki为积分增
益，是调适参数；kd为微分增益，是调适参数；t为目前时间；e(t)=设定流速sv-瞬时流速pv。
9.作为本发明的优化方案，微生物数量随时间呈线性增长方式时，设定流速sv为：公式2公式2中：y为设定流速sv；x是时间变量，x为发酵的计时时间；x1为单个发酵周期的开始设定时间；x2为单个发酵周期的发酵结束设定时间；y1为单个发酵周期的补料流速的起始点设定值，y2为单个发酵周期的补料流速的结束点设定值。
10.作为本发明的优化方案，微生物数量随时间呈指数增长方式时，设定流速sv为：公式3公式3中：y为设定流速sv；x是时间变量，x为发酵的计时时间；x1为单个发酵周期的开始设定时间；x2为单个发酵周期的发酵结束设定时间；y1为单个发酵周期的补料流速的起始点设定值，y2为单个发酵周期的补料流速的结束点设定值。
11.作为本发明的优化方案，微生物数量随时间呈对数增长方式时，设定流速sv为：公式4公式4中：y为设定流速sv；x是时间变量，x为发酵的计时时间；x1为单个发酵周期的开始设定时间；x2为单个发酵周期的发酵结束设定时间；y1为单个发酵周期的补料流速的起始点设定值，y2为单个发酵周期的补料流速的结束点设定值。
12.本发明具有积极的效果：1）本发明按照发酵罐内的微生物数量随时间增长方式进行科学合理的补料，有效的促进了微生物的生长；2）本发明克服了现有依靠人工经验进行补料引起的各种不利后果，无需人工参与，自动补料，自动化程度高，提高了补料效率。
附图说明
13.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
14.图1是本发明补料装置的结构示意图；图2是本发明补料方法的流程示意图；图3为上位机选择微生物数量随时间增长方式界面；图4为现有补料装置的结构示意图。
15.其中：1、质量流量计，2、气动调节阀，3、plc控制器，4、上位机，5、发酵罐，6、手动阀，7、流量计。
具体实施方式
16.如图1所示，本发明公开了一种线性、指数、对数运算自由组合的补料装置，包括质量流量计1、气动调节阀2、plc控制器3和上位机4，发酵罐5内的微生物数量随时间呈现线
性、指数、对数中的一种或几种组合增长方式，营养液通过管道向发酵罐5中的微生物补料，质量流量计1测量管道中营养液的瞬时流速，质量流量计1将测得的瞬时流速pv传送至plc控制器3，上位机4根据发酵罐5内的微生物数量随时间的增长方式设置设定流速sv，上位机4将设定流速sv传输给plc控制器3，plc控制器3调节气动调节阀2的打开比例，使得瞬时流速pv接近设定流速sv。质量流量计1测得的瞬时流速pv通过总线传送至plc控制器3，上位机4为台式机或笔记本。
17.如图2所示，一种线性、指数、对数运算自由组合的补料装置的补料方法，补料方法包括如下步骤：s1、上位机4根据微生物数量随时间的增长方式获取设定流速sv；s2、plc控制器3获取设定流速sv和瞬时流速pv，plc控制器3将设定流速sv和瞬时流速pv通过pid算法得到气动调节阀2的打开比例，使得营养液通过管道向发酵罐5中的微生物补料。
18.plc控制器3通过pid算法得到气动调节阀2的打开比例为： 公式1公式1中：u(t)为气动调节阀2的打开比例；k
p
为比例增益，是调适参数（k
p
根据经验和调试设置）；ki为积分增益，是调适参数（ki根据经验和调试设置）；kd为微分增益，是调适参数（kd根据经验和调试设置）；t为目前时间；e(t)=设定流速sv-瞬时流速pv。
19.微生物数量随时间呈线性增长方式时，设定流速sv为：公式2公式2中：y为设定流速sv；x是时间变量，x为发酵的计时时间；x1为单个发酵周期的开始设定时间；x2为单个发酵周期的发酵结束设定时间；y1为单个发酵周期的补料流速的起始点设定值，y2为单个发酵周期的补料流速的结束点设定值。
20.微生物数量随时间呈指数增长方式时，设定流速sv为：公式3公式3中：y为设定流速sv；x是时间变量，x为发酵的计时时间；x1为单个发酵周期的开始设定时间；x2为单个发酵周期的发酵结束设定时间；y1为单个发酵周期的补料流速的起始点设定值，y2为单个发酵周期的补料流速的结束点设定值。
21.微生物数量随时间呈对数增长方式时，设定流速sv为：公式4公式4中：y为设定流速sv；x是时间变量，x为发酵的计时时间；x1为单个发酵周期的开始设定时间；x2为单个发酵周期的发酵结束设定时间；y1为单个发酵周期的补料流速的起始点设定值，y2为单个发酵周期的补料流速的结束点设定值。其中，x1、x2、y1和y2在图3的界面中根据发酵罐生产工艺要求输入相应的值。界面中的周期为x2
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x1的值。
22.如图3所示，整个发酵过程可以分为2-3个阶段性的发酵周期，单个发酵周期的生
长变化不会多于3种，分为周期程控1~3。每个发酵周期参数的下拉列表中可以自由选择指数、对数、线性中的一种算法。发酵过程开始时从0开始计时。当计时在单个发酵周期程控的范围时，补料的速率（气动调节阀2的打开比例决定补料的速率）将会按对应发酵周期的算法进行变化。
23.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。