生物反应器智能测控系统的研制

【摘要】随着社会的快速发展，以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程为代表的现代生物技术广泛应用于医药、食品、环境、海洋和能源等多个领域，并且显示巨大的发展潜力。因此，人们对生物技术展开了大量的研究，相关研究人员从生物反应过程入手，来寻找获取提高生物过程代谢产物的方法，从而将实验室的研究逐步转向工业生产。因此，生物反应器的测控系统的研究成为现今社会研究重点之一。本文根据生物过程的实际需要，以复杂的生物反应过程为主线，设计了一套基于DSP的嵌入式生物过程在线测控系统，来满足不同生物反应过程的需求。本论文的内容主要包括：首先，通过阅读相关的文献，完成从对生物技术的初步认识到对生物反应过程的深入理解，分析现有生物反应器的测控系统研究情况，归纳总结生物反应器测控系统的需求。根据生物过程的实际检测需要，提出基于DSP的测控系统作为生物反应器的通用测控系统的设计方案。以采用PLC模块化的设计思想，利用嵌入式技术，将系统分为主控模块、检测模块和控制模块三个基本模块，通过CAN总线的方式，将各个模块连接起来，搭建完整系统，实现温度、pH溶解氧参数在线检测，同时实现加酸碱、补料、搅拌充氧、消泡、升降温的控制。通过系统的灵活组合和升级换代，来满足不同生物过程中的应用，提高系统的通用化和智能化。其次，根据系统的设计方案，进行系统的软硬件设计。利用DSP强大的运算能力，将主控模块设计为基于DSP的嵌入式系统，对整个系统的数据管理，通过DSP与CPLD的硬件结合，设计人机界面。设计检测模块的信号调理电路，实现对温度、pH以及溶解氧传感器的弱小信号采集，并通过MCU转换为数字信号。并且对控制模块的外部设备进行驱动，实现升降温控制、加酸加碱控制、补料控制、搅拌控制、光照控制，设计CAN总线的网络结构以及应用层的通信协议，通过CodeComposerStudio、KeiluVision4等集成开发环境进行软件开发。最后，系统进行调试，通过测控系统实现完整的生物培养过程，来对系统进行整体测试，在此基础上，以毕赤酵母、螺旋藻为例，开展生物制药和生物能源和环境生物治理领域的实验。经几个月几十批次的实验实践证明：本系统能够维持培养液的温度、pH和溶解氧处于生物过程的最佳范围。在这两个中试线上，验证了新型仪器和集成系统的适用性。
【作者】王誉树；
【导师】蔡强；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电子与通信工程，2014，硕士
【关键词】生物反应器；生物过程；测控系统；DSP；CAN总线；Modbus-RTU协议；

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