淺談發(fā)酵過程參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制

鄧 昕

(江西國藥有限責(zé)任公司，江西 南昌 330052)

一、前言

發(fā)酵技術(shù)是一種和我們的生活息息相關(guān)的技術(shù)，人們?nèi)粘Ｉ钪械慕湍?、啤酒、味精，以及各種抗生素藥物、氨基酸等都離不開發(fā)酵。近年來，隨著生物科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，發(fā)酵工業(yè)越來越多的引起人們的重視。生化反應(yīng)器的體積從幾m3，直至幾百m3。二次代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)(抗生素的生產(chǎn))、通過微生物的培養(yǎng)來獲得有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化(如：類固醇)、工業(yè)污水處理以及酶制劑、實(shí)用蛋白、飼料添加劑等生產(chǎn)，發(fā)展迅速。面對(duì)生物反應(yīng)工程的發(fā)展，生物反應(yīng)過程的參數(shù)測(cè)量、自動(dòng)控制、優(yōu)化操作與控制、在線監(jiān)控成為生物反應(yīng)工業(yè)工程發(fā)展中面臨的重要問題。另一方面，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為測(cè)量、分析、反饋控制、在線監(jiān)測(cè)生化工程提供了先進(jìn)的自動(dòng)化工具。與國際先進(jìn)的生物反應(yīng)工程的在線檢測(cè)及控制技術(shù)相比，我國生物反應(yīng)工程技術(shù)無論是發(fā)酵工藝，還是自動(dòng)化控制及在線監(jiān)測(cè)方法，仍然處于一個(gè)較低的水平，傳統(tǒng)的操作方式是開環(huán)的，盡管對(duì)環(huán)境參數(shù)，如：pH值、發(fā)酵溫度、溶氧濃度等都可以控制得很好，但由于微生物生長(zhǎng)過程，一些關(guān)鍵變量還是不可在線測(cè)量，使發(fā)酵過程控制問題依然很復(fù)雜，并且控制效果不理想，發(fā)酵工業(yè)的閉環(huán)控制滯后于一般的工業(yè)生產(chǎn)過程控制。因此，在加強(qiáng)對(duì)發(fā)酵工藝研究的同時(shí)，提高發(fā)酵自動(dòng)化控制技術(shù)及在線監(jiān)控技術(shù)已成為一個(gè)刻不容緩的課題。

二、發(fā)酵過程的參數(shù)檢測(cè)意義

發(fā)酵過程檢測(cè)和控制的目的就是利用盡量少的原料而獲得最大的所需產(chǎn)物。

隨著生物和基因工程技術(shù)在各工業(yè)行業(yè)中的應(yīng)用，發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模和品種不斷增加，對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行控制和優(yōu)化也顯得越來越重要。作為發(fā)酵中游技術(shù)的發(fā)酵過程控制和優(yōu)化技術(shù)，既關(guān)系到能否發(fā)揮菌種的最大生產(chǎn)能力，又會(huì)影響到下游處理的難易程度，在整個(gè)發(fā)酵過程中是一項(xiàng)承上啟下的關(guān)鍵技術(shù)。

與物理和化學(xué)反應(yīng)過程不同，生物過程的反應(yīng)速率比較慢，目的產(chǎn)物的濃度、生產(chǎn)強(qiáng)度、反應(yīng)物質(zhì)(底物或基質(zhì))向目的產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率也比較底。工業(yè)微生物學(xué)從兩個(gè)方面解決上述問題，一方面通過菌種選育和改良獲得高產(chǎn)的發(fā)酵菌種；另一方面，通過控制培養(yǎng)條件使微生物最大限度地生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物。相對(duì)來講，通過發(fā)酵過程控制和優(yōu)化，將生物過程準(zhǔn)確地控制在最優(yōu)的環(huán)境或操作條件下，是提高整體生產(chǎn)水平的一個(gè)捷徑或者說是一種更容易的方法，其重要性也絕不亞于利用分子生物學(xué)和基因工程進(jìn)行菌種改良的方法。

三、我司在發(fā)酵過程參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制

下面是我司在發(fā)酵在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目上的簡(jiǎn)要方案，希望能為發(fā)酵過程中參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制技術(shù)的深入研究提供了思路。

1.發(fā)酵過程在線監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)

在線檢測(cè)必須用專門的傳感器(也叫電極或探頭)放入發(fā)酵系統(tǒng)，將發(fā)酵的一些信息傳遞出來，為發(fā)酵控制提供依據(jù)。

由于微生物培養(yǎng)過程是純培養(yǎng)過程，無菌要求高，因此對(duì)傳感器有特殊要求：

⑴插入罐內(nèi)的傳感器必須能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌(材料、數(shù)據(jù))；

⑵傳感器結(jié)構(gòu)不能存在滅菌不透的死角，以防染菌(密封性好)；

⑶傳感器對(duì)測(cè)量參數(shù)要敏感，且能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。(響應(yīng)快、靈敏)；

⑷傳感器性能要穩(wěn)定，受氣泡影響小。

采集參數(shù)名稱測(cè)試方法意義、主要作用溫度PT100維持生長(zhǎng)罐壓數(shù)顯壓力表維持正壓、增加DO空氣流量渦街流量計(jì)供氧、排泄廢氣體積差壓變送器反映操作穩(wěn)定性PHPH電極反映細(xì)胞的代謝途徑溶氧溶氧電極反映供氧情況

2.數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)發(fā)酵過程工藝要求，整個(gè)系統(tǒng)采用二級(jí)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵過程參數(shù)的采集，以表格形式、流程圖形式顯示生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，瀏覽各種實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)，曲線可放大，各點(diǎn)間隔時(shí)間可調(diào)，工控機(jī)進(jìn)行圖形監(jiān)視及重要參數(shù)的設(shè)置，制備報(bào)表、存儲(chǔ)記錄。

鉑電阻的電阻信號(hào)通過(pt100轉(zhuǎn)mA)的溫度變送器，數(shù)顯壓力表、渦街流量計(jì)、差壓變送器、PH電極、溶氧電極輸出的4-20mA的電信號(hào)，在轉(zhuǎn)換到工控機(jī)前，被接口卡收集，并轉(zhuǎn)換為數(shù)碼信號(hào)，然后通過計(jì)算機(jī)軟件在工控機(jī)前實(shí)現(xiàn)圖形監(jiān)視、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)打印等功能，同時(shí)使用UPS電源防止工控機(jī)意外斷電導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。

3.自動(dòng)控制

我司現(xiàn)使用的自動(dòng)控制主要是溫度控制，其它參數(shù)控制因數(shù)據(jù)采集和處理工作還未完成，暫時(shí)還是采用手動(dòng)控制。

溫度是影響微生物生長(zhǎng)發(fā)育及代謝活動(dòng)的重要因素。發(fā)酵液溫度通過調(diào)節(jié)冷卻水進(jìn)水閥的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，原理如下：

原理：鉑電阻→數(shù)字儀表(與設(shè)定溫度比較后發(fā)出

調(diào)節(jié)信號(hào))→電磁閥→氣動(dòng)薄膜閥→冷卻水進(jìn)水閥。

4.方案實(shí)行后所出現(xiàn)的問題

(1)選用的部分傳感器(如PH電極、溶氧電極等)再進(jìn)行蒸汽滅菌后壽命大大縮短，使得成本上升；

(2)體積測(cè)量采用差壓變送器的準(zhǔn)確度有待提高，60t的發(fā)酵罐再使用差壓測(cè)量的體積和實(shí)際體積大約差500公斤左右，且中間發(fā)酵液的密度發(fā)生變化后也要通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整，準(zhǔn)確度還有待提高。

四、結(jié)束語

總的來看，目前發(fā)酵工廠發(fā)酵過程的計(jì)算機(jī)應(yīng)用和自動(dòng)化控制程度不高，落后于其他領(lǐng)域?，F(xiàn)代化的發(fā)酵工廠已初步實(shí)現(xiàn)對(duì)部分因素如溫度、溶氧、pH、攪拌轉(zhuǎn)速、流速等的在線檢測(cè)，也可對(duì)其變化進(jìn)行單因素控制，但仍與發(fā)酵最優(yōu)化的自動(dòng)控制目標(biāo)相去甚遠(yuǎn)，即難以成功建立對(duì)培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的反饋性控制。謹(jǐn)以自己對(duì)發(fā)酵在線參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的淺見，為其深入研究提供一點(diǎn)思路。

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