【文章內(nèi)容簡介】 明，通過選擇合適的加壓介質(zhì)、加壓方式，可以保證微生物活性基本不受影響。同時，壓力可以增進細胞膜通透性，改善難溶底物的溶解性質(zhì)，提高基質(zhì)，產(chǎn)物的傳質(zhì)速率。 另外，壓力作為微生物生長的脅迫因子，可以顯著改變細胞的代謝通量，刺激細胞分泌應(yīng)激產(chǎn)物。針對某些發(fā)酵產(chǎn)物，適當(dāng)提高壓力有利于加快產(chǎn)物的合成。 啤酒發(fā)酵過程中各工藝參數(shù)的信號檢測及控制 pH檢測與控制pH檢測可以取外采樣，但這樣不利于自動化管理。因此一般采用在線檢測，使用pH傳感器。 pH的控制方法如今用的比較多的是補料的方法來調(diào)節(jié)pH，以生理酸性物質(zhì)(硫酸銨)和堿性物質(zhì)(氨水)來控制。pH低，氨氮低，補氨水；pH高，氨氮低，補硫酸銨 。這種方法既可以達到穩(wěn)定pH值的目的，又可以不斷補充營養(yǎng)物質(zhì)，特別是能產(chǎn)生阻遏作用的物質(zhì)。少量多次補加還可解除對產(chǎn)物合成的阻遏作用，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。也就是說，采用補料的方法，可以同時實現(xiàn)補充營養(yǎng)、延長發(fā)酵周期、調(diào)節(jié)pH值和培養(yǎng)液的特性（如菌濃等）等幾個目的。pH控制如下圖31所示。圖31罐內(nèi)pH控制框圖溫度檢測一般直接采用溫度傳感器。罐內(nèi)的溫度值T是通過罐內(nèi)的溫度傳感器采樣并通過變送器將測得的數(shù)據(jù)送入單片機，再由單片機確定發(fā)酵罐溫度設(shè)定值T2,發(fā)酵罐的溫度T2則按照下圖進行閉環(huán)回路控制并最終達到控制罐內(nèi)溫度T目的。發(fā)酵罐內(nèi)的溫度值是通過罐內(nèi)的溫度傳感器進行信號的采集，并通過測量電路將其轉(zhuǎn)換為15V的電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)字量送入計算機，計算機則通過預(yù)設(shè)的算法進行運算，然后得到相應(yīng)的控制信號送入驅(qū)動放大電路，驅(qū)動控制閥控制冷媒的流量來控制發(fā)酵罐的溫度。罐內(nèi)溫度控制如下圖32所示。圖32罐內(nèi)溫度T控制框圖壓力檢測一般采用壓力儀直接測量。壓力儀將罐內(nèi)壓力P轉(zhuǎn)化為420mA電流信號，經(jīng)過濾波和電流電壓轉(zhuǎn)化電路得到15V的電壓信號。此信號然后傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器，得到的數(shù)字量信號傳輸至單片機，單片機通過預(yù)設(shè)的PID算法進行運算得到相應(yīng)的控制信號，通過D/A和電壓電流轉(zhuǎn)換后得到420mA的模擬信號，然后送至驅(qū)動放大電路，得到信號用來控制排氣電動調(diào)節(jié)閥開閉的大小，借此以保持罐內(nèi)壓力P恒定，并形成對壓力P的閉環(huán)控制。罐內(nèi)壓力控制如下圖33所示。圖33 罐內(nèi)壓力P控制框圖溶解氧的測定一般采用溶氧儀。對溶解氧進行控制的目的是把溶解氧濃度值穩(wěn)定控制在一定的期望值或范圍內(nèi)。在微生物發(fā)酵過程中，溶解氧濃度與其它過程參數(shù)的關(guān)系極為復(fù)雜，受到生物反應(yīng)器中多種物理，化學(xué)和微生物因素的影響和制約。對溶氧量（DO）值的控制主要集中在氧的溶解和傳遞兩個方面。（1）控制溶氧量。控制溶氧量首要因素是控制氧分壓。高密度培養(yǎng)往往采用通入純氧的方式提高氧分壓，而厭氧發(fā)酵則采用各種方式將氧分壓控制在較低水平。如啤酒發(fā)酵，麥汁充氧和酵母接種階段，一般要求氧含量達到810PPM；而啤酒發(fā)酵階段，一般啤酒中的含氧量不得超過2PPM。此外，由于氧是難溶氣體，一定溫度和壓力下，DO值有一上限。為此，向發(fā)酵液中加入氧載體是提高DO值的一個行之有效的方法。實驗表明，在發(fā)酵基質(zhì)中添加5％正十二烷，可明顯地提高發(fā)酵介質(zhì)中的溶氧水平，改善供氧條件，維持溶氧的相對穩(wěn)定，增加菌體濃度，提高發(fā)酵水平(21％左右)。(2)控制氧傳遞速率。氧傳遞速率主要考慮體積溶氧系數(shù)（KLa）的影響因素。從一定意義上講，KLa愈大，好氧生物反應(yīng)器的傳質(zhì)性能愈好?？刂芀La的途徑可分為操作變量、反應(yīng)液的理化性質(zhì)和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)3個部分。操作變量包括溫度、壓力，通風(fēng)量和轉(zhuǎn)速(攪拌功率)等發(fā)酵液的理化性質(zhì)包括發(fā)酵液的黏度、表面張力、氧的溶解度、發(fā)酵液的組成成分、發(fā)酵液的流動狀態(tài)、反應(yīng)器的類型、反應(yīng)器各部分尺寸的比例、空氣分布器的形式等。當(dāng)然有些因素是相互關(guān)聯(lián)的。值得注意的是，在培養(yǎng)過程中并不是維持DO越高越好。即使是專性好氣菌，過高的DO對生長可能不利。過量的氧形成新生氧，超氧化物和過氧化物基，破壞許多細胞組分，進而破壞微生物生長。罐內(nèi)溶解氧控制如下圖34所示。 圖34 罐內(nèi)溶解氧DO控制框圖發(fā)酵過程中通過測定發(fā)酵過程中的數(shù)據(jù)以便對此過程進行有效的控制。其目的包括：了解過程變量與預(yù)期是否一致；對不可測變量進行估計；對過程變量給定值進行手動或自動控制；通過過程模型實施計算機控制；收集數(shù)據(jù)等等。除了基本的pH，溫度，壓力，溶解氧模擬量測定外，還包括體積，流量，溶CO2等等其他物理化學(xué)量的測定。第四章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計在本啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中[9]，在一個采樣周期內(nèi)安裝于啤酒發(fā)酵罐上、中、下三個位置的溫度傳感器將會分別采集發(fā)酵罐上、中和下三個位置的溫度信號。采集到的三個溫度信號將會按照設(shè)定好的順序依次向單片機提供中斷信號，從而可以把測得的溫度信號讀入到單片機內(nèi)部，然后再把預(yù)先設(shè)定好的發(fā)酵過程具體階段的設(shè)定值與實測值相比較。然后根據(jù)比較之后所得的余差給控制閥發(fā)出相應(yīng)的控制信號。與此同時，需要引起注意的是如何消除外界干擾?？刂葡到y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖[10]如下圖所示。本系統(tǒng)主要由 AT89S52 單片機、溫度采集電路、液晶顯示接口、鍵盤接口、報警電路、AD轉(zhuǎn)換器ADC0809﹑DA轉(zhuǎn)換器DAC083電壓放大和 V/I 轉(zhuǎn)換等單元組成。圖41 啤酒發(fā)酵溫度控制硬件結(jié)構(gòu)框圖溫度傳感器從現(xiàn)場采集到溫度通過溫度變送器轉(zhuǎn)化為420mA的電流，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機AT89S52，單片機檢測溫度是否超出，如果超出啟動報警，同時將測出的溫度顯示在LED顯示屏上，單片機內(nèi)部通過與預(yù)設(shè)的溫度對比，經(jīng)過PID算法分析，將輸出量通過D/A轉(zhuǎn)換，I/V轉(zhuǎn)換成電壓來控制冷媒的控制閥，從而對發(fā)酵罐的溫度進行控制。 微處理系統(tǒng) 單片機AT89S52[11]單片機型號的選擇[12]應(yīng)當(dāng)根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠性、性價比、精度和速度等來決定。根據(jù)本課題的實際情況，適合本課題的單片機型號的選擇主要從以下兩方面考慮：一是要有較強的抗干擾能力，這是任何一個控制系統(tǒng)都需要考慮的問題；二是要有較高的性價比，也就是能夠利用最低的成本實現(xiàn)本系統(tǒng)的功能。由于52系列單片機在我國使用最廣，并且該系列單片機的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是美國 ATMEL 公司 2003 年推出的新一代 89S 系列單片機，其典型產(chǎn)品 AT89S52 單片機具有較高的性能價格比。因此本系統(tǒng)采用ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機作為檢測系統(tǒng)的核 心部件，AT89S52 單片機是 AT89S 系列單片機中的一種，它是 AT89C52 系列單片機的更新?lián)Q代產(chǎn)品，AT89C52 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域的，它具有 89C52 的全部功能。是80C51 單片機的增強型并且指令完全兼容。AT89S52 的引腳分布如下圖所示。 圖42 AT89S52引腳號AT89S52主要特性[13]如下：（1）兼容 MCS—51 單片機； （2）8k 字節(jié) FLASH 存儲器；（3）1000次擦寫周期； （4）256 字節(jié)內(nèi)部 RAM；（5）全靜態(tài)時鐘 0HZ 到 33MHZ； （6）三級程序鎖存器；（7）32個可編程 I/O 口； （8）3個 16 位定時/計數(shù)器；（9）8個中斷源； （10）全雙工雙向 UART 通道；（11）雙數(shù)據(jù)指針； （12）上電復(fù)位標(biāo)志；（13）低功耗支持 Idle 和 Powerdown 模式；此外,與AT89C52相比AT89S52 還新增加了許多功能，這將使得單片機在工作過程中具備更高的穩(wěn)定性和電磁抗干擾能力。首先，AT89S52 內(nèi)部增加了片內(nèi)看門狗定時器，這將有利于堅固用戶應(yīng)用系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性；其次 AT89S52獨有的雙指針功能，使數(shù)據(jù)操作更加快捷方便；再次，AT89S52 運行速度更高，最高晶振可達33MHZ；最后 AT89S52 支持 ISP（InSystem Programming）在線下載功能，使得其使用更加方便。AT89S52 中 ISP 引腳有：RST、MOSI、MISO和 SCK。用戶可以直接替代應(yīng)用系統(tǒng)中的 AT89C51/52，而且軟件和硬件均不需作任何修改，這給正使用 AT89C52 單片機的用戶更新?lián)Q代帶來了許多方便。正因為 AT89S52 單片機具有更高的可靠性和安全性的功能，所以能夠避免因外部芯片擴展過多或傳感器輸入信號過多而引起的信號失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生，從而進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 鍵盤電路設(shè)計本次設(shè)計為44的矩陣鍵盤，這樣的設(shè)計可以有效的減少鍵盤與單片機接口時所占用的I/O接口。在這種非編碼鍵盤的單片機[15]系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行有無按鍵按下的程序段，當(dāng)確認有按鍵按下后，下一步就要識別哪一個按鍵被按下，對鍵的識別常采用逐行（逐列）掃描的方法。首先判斷有無按鍵按下。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部行線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入到累加器A中，如果有按鍵按下，會使列線電平被拉至低電平，是列輸入不全為1。判斷鍵盤哪一個鍵被按下。方法是：一次給行線送低電平，然后查所有列線狀態(tài)，稱為行掃描，如果全為1，則所按下鍵不在此行，如果不全為1，則所按下鍵必在此行，而且是在與零電平列線相交的交點上的那個鍵。在此，按鍵的位置碼并不等于按鍵的實際定義鍵值，因此還必須進行轉(zhuǎn)換，即鍵值譯碼，本次設(shè)計中采用軟件實現(xiàn)鍵值的譯碼，譯碼方式如下：第0行鍵值為：0行4+列號（0~3）為0、3；第1行鍵值為：1行4+列號（0~3）為7；第2行鍵值為：2行4+列號（0~3）為A、B；第3行鍵值為：3行4+列號（0~3）為C、D、E、F； 原理：44的矩陣鍵盤的連接原理圖如+5V下圖： 10KΩ AT89S52輸 出 端 口 （行掃描） 0 1 2 3 第0行 4 5 6 7 第1行 8 9 A B 第2行 C D E F 第3行 輸入端口線 （讀入檢查） 圖43 鍵盤電路接口 顯示電路設(shè)計顯示電路[16]系統(tǒng)是實現(xiàn)人機聯(lián)系的主要途徑。顯示系統(tǒng)根據(jù)發(fā)酵罐內(nèi)的反應(yīng)情況，需要實時循環(huán)顯示出三路冷卻液溫度、發(fā)酵罐溫度、罐內(nèi)壓力、以及三路閥門的準(zhǔn)確位置，并在參數(shù)設(shè)定時顯示更新的數(shù)據(jù)，同時 LED 顯示器又承擔(dān)對發(fā)酵罐內(nèi)部溫度反應(yīng)工藝曲線的設(shè)定參數(shù)的顯示任務(wù)，以達到更好的人機對話。在顯示電路中，需要使用到74LS48集成芯片。74LS48用作七段數(shù)碼管數(shù)值顯示譯碼器，使得數(shù)碼管能夠正確顯示數(shù)值。74LS48芯片的電路結(jié)構(gòu)原理[17]及引腳圖：引腳圖中的大寫字母A、B、C、D為BCD碼輸入端，小寫字母a、b、c、d、e、f、g為字型碼輸出端，LT為燈測試輸入端，RBI為消隱輸入，RBO為消隱輸出。表41為74LS48 BCD7段鎖存/譯碼/驅(qū)動器作為段驅(qū)動器的輸入輸出信號的對應(yīng)關(guān)系。在使用時，將芯片的輸入端引腳A、B、C、D與單片機的P0口相連接，該芯片的輸出端七個管腳，與LED顯示器的七個段碼引腳相連接。74LS48的作用是接受來自單片機的BCD碼型的輸入信號，經(jīng)鎖存、譯碼和放大后，輸出七段字型碼到LED顯示器，完成對BCD碼到七段字型碼的鎖存、譯碼和驅(qū)動的功能。 圖44 74LS48引腳圖表41 74LS48 BCD7段譯碼器輸入/輸出端信號對照表輸入端電平輸出端電平顯示字型輸出端電平輸出端電平顯示字型D C B Ag f e d c b aD C B Ag f e d c b a0 0 0 00 0 0 0 0