生物發(fā)酵過程解決方案
引言:
發(fā)酵過程是一種既古老又年輕的生化過程。早在幾千年前人們就已經(jīng)在食品生產(chǎn)方面利用酵母對淀粉進(jìn)行發(fā)酵以獲得含有乙醇的飲料，這一生產(chǎn)過程一直延續(xù)*今，它就是人們所熟知的制酒工業(yè)的核心——釀造工業(yè)。
利用微生物生長過程中的二次代謝作用以制取醫(yī)藥工業(yè)中的***則是人類運(yùn)用生化技術(shù)的一大創(chuàng)造。工業(yè)生產(chǎn)時(shí)這一新陳代謝過程在發(fā)酵罐內(nèi)完成。深入研究發(fā)酵過程將為生化反應(yīng)——發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)、操作和控制奠定基礎(chǔ)。因此，它是提高生化工程水平的重要內(nèi)容之一；生化反應(yīng)是生化技術(shù)中的難點(diǎn)所在，在研究和實(shí)際應(yīng)用時(shí)既需要微生物技術(shù)也需要借用化工技術(shù)以及融匯近代測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)于一體。微生物發(fā)酵過程是個(gè)極其復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，對于發(fā)酵罐的操作，以前人們是憑借實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行的，由于缺乏發(fā)酵過程參數(shù)的測量監(jiān)視和控制系統(tǒng)，使得發(fā)酵產(chǎn)品成本高、操作費(fèi)用大、產(chǎn)品在市場上缺乏競爭力。為此，需要對發(fā)酵罐實(shí)行優(yōu)化操作和控制。
一、發(fā)酵過程中的工藝及其特點(diǎn)
一般的耗氧型發(fā)酵罐系統(tǒng)如下圖所示，其中要測量的參數(shù)可以分為物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)以及生物參數(shù)。
x,s,pc
t,p,ph,do,v
m
營養(yǎng)物
消泡
空氣 fa
co2,o2%
t2
fw,t1
rmp
發(fā)酵過程物理參數(shù):通常有發(fā)酵罐溫度（t）、發(fā)酵罐壓力（p）、發(fā)酵液體積（v）、空氣流量（fa）、冷卻水進(jìn)出口溫度（t1-和t-2）、攪拌馬達(dá)轉(zhuǎn)速（rmp）、攪拌馬達(dá)電流（i）、泡沫高度（h）等，這些物理參數(shù)根據(jù)不同種類的發(fā)酵要求，都可以選擇性的選取有關(guān)測量儀表來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量。發(fā)酵過程化學(xué)參數(shù):發(fā)酵過程典型的化學(xué)參數(shù)有ph值（ph）和溶解氧濃度（do），這兩個(gè)參數(shù)對于微生物的生長，代謝產(chǎn)物的形成極為重要。過于由于缺乏耐**的能進(jìn)行無菌操作的ph電極和溶解氧電極，使得無法做到實(shí)時(shí)的在線測量。而現(xiàn)在已有成熟的ph和溶解氧測量電極，典型的產(chǎn)品如瑞士的ingold電極等。
發(fā)酵過程生物參數(shù):生物參數(shù)通常包括生物質(zhì)呼吸代謝參數(shù)、生物質(zhì)濃度、代謝產(chǎn)物濃度、底物濃度以及生物比生長速率、底物消耗速率和產(chǎn)物形成速率等。
關(guān)于生物參數(shù)，無論在國內(nèi)還是國外，在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)時(shí)在線的測量儀表都還很少。正是由于這些原因，使得微生物發(fā)酵過程的控制比一般的工業(yè)生產(chǎn)過程難度更大。
呼吸代謝參數(shù)的測量：微生物呼吸代謝參數(shù)通常有三個(gè)，即微生物的氧利用速率（our），二氧化碳釋放速率（cer）和呼吸商（rq）。這三個(gè)參數(shù)的測量，可以給予發(fā)酵罐系統(tǒng)氣相平衡計(jì)算出來。要測量呼吸代謝參數(shù)，必須測量除發(fā)酵液體積、空氣流量，排出氣體氧含量和二氧化碳的含量。假設(shè)流出發(fā)酵罐的氣體流量與空氣流入量相等，空氣中氧含量為21％，二氧化碳的濃度為零，測量到派出氣體的氧濃度為o2出％，二氧化碳的濃度為co2出％。
l微生物發(fā)酵熱的測量：微生物發(fā)酵熱從某種意義上說間接地反應(yīng)了微生物生長過程的細(xì)胞濃度和生長速率。因此，通過測量發(fā)酵熱，就可以了解微生物生長狀態(tài)。
這樣只要測量出冷卻水流量和它的進(jìn)出口溫度就可以粗略地知道發(fā)酵熱的變化。
l生物質(zhì)底物和產(chǎn)物濃度的測量：就目前來看，還沒有可在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)用的這些參數(shù)的測量儀器。在實(shí)驗(yàn)室中，已有用質(zhì)譜儀和核磁共震分析儀來測量發(fā)酵液中各種物質(zhì)的濃度。利用生物傳感器來測量生物質(zhì)濃度、底物和產(chǎn)物濃度在成為研究熱點(diǎn)。
在工業(yè)生產(chǎn)中這些參數(shù)的測量大都基于取出發(fā)酵液樣品到實(shí)驗(yàn)室采用化學(xué)分析方法和借用如hplc儀器來分析，由于分析一個(gè)樣品要用很長時(shí)間，這對于實(shí)時(shí)控制來說就很難通過這樣的方法來利用這些數(shù)據(jù)。
二、發(fā)酵過程的控制
隨著生物工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，其生產(chǎn)設(shè)備和規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過程的強(qiáng)化，對自動(dòng)控制技術(shù)的要求越來越迫切，對生化過程實(shí)行優(yōu)化控制，可穩(wěn)定生產(chǎn)，提高得率，降低消耗，增加效益。然而，微生物發(fā)酵過程，不同于一般的過程工業(yè)，由于它涉及生命體的生長繁殖過程，機(jī)理十分復(fù)雜，*今還有許多發(fā)酵過程信息無法測量，這給發(fā)酵過程優(yōu)化控制帶來極大的困難。
影響發(fā)酵過程的兩個(gè)主要因素是發(fā)酵培養(yǎng)基和發(fā)酵條件，在培養(yǎng)基配方基本固定的情況下，發(fā)酵條件是影響過程代謝變化的主要方面。根據(jù)那些反映發(fā)酵條件和代謝變化的參數(shù)，參照代謝變化規(guī)律來控制以下發(fā)酵條件，盡可能縮短菌體生長期，延長產(chǎn)物合成期，使菌體生長既迅速而又不易衰老，并保持產(chǎn)物的*大生產(chǎn)速率，從而達(dá)到提高*終產(chǎn)物產(chǎn)量目的。
上圖為：以常規(guī)控制為主的發(fā)酵罐自控工藝圖
2.1發(fā)酵罐溫度常規(guī)控制
對于特定的微生物，它都有一個(gè)*適宜的生長溫度。如果從生物酶動(dòng)力學(xué)方面來考慮，酶的*佳活力對應(yīng)著一*好的溫度。因此，微生物發(fā)酵過程發(fā)酵溫度的控制是一個(gè)很重要的微生物生長環(huán)境參數(shù)，必須嚴(yán)格的加以控制。影響發(fā)酵溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、電機(jī)攪拌熱、冷卻水本身的溫度。
對于小型的發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)是以發(fā)酵罐溫度為被控參數(shù)，冷卻水流量為控制參數(shù)的單回路控制方案，對于大型的發(fā)酵罐系統(tǒng)，則采用發(fā)酵罐溫度為主回路，以冷卻水系統(tǒng)為副回路的串級控制或前饋-反饋控制方案。
（一）單回路pid控制
在進(jìn)水溫度比較穩(wěn)定的情況下，發(fā)酵反應(yīng)罐的溫度常采用單回路的pid控制。在實(shí)際過程中工業(yè)發(fā)酵過程溫度控制，由于冷卻水（或溫水）溫度地變化，將會(huì)影響發(fā)酵溫度控制品質(zhì)，這個(gè)影響作用過程是先使夾套溫度變化，然后使發(fā)酵罐的溫度變化，只有這時(shí)，控制器才感受到溫差的出現(xiàn)，從而驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥。很明顯，從干擾開始到調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，要經(jīng)過較大的滯后，要克服這些滯后作用，可以采用串級調(diào)節(jié)。
（二）串級控制
將t1、t2測量出來的信號組成一個(gè)控制系統(tǒng)，將tc1的輸出作為tc2控制器的給定值，便組成一個(gè)串級控制系統(tǒng)。與單回路控制相比，串級控制有以下特點(diǎn)：
（1）當(dāng)由于一些外界的原因，夾套溫度發(fā)生波動(dòng)時(shí)，tc2的作用將使這種波動(dòng)在還未影響到t1時(shí)就被提前克服，故有利于保證t1的控制品質(zhì)。并可顯著改善發(fā)酵罐的控制特性，使等效對象滯后減小。
（2）可兼顧兩個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)“均勻控制：當(dāng)主控制器tc1的比例度選得較寬時(shí)，其輸出變化較小。由于它是作為副控制器tc2的給定值，因此使得副參數(shù)變化也較小，比較平穩(wěn)，這樣就可以使主副兩個(gè)參數(shù)都能保持在一定范圍內(nèi)平緩波動(dòng)，以滿足工藝過程的要求。
（3）可消除調(diào)節(jié)閥等非線性特性的影響：由于調(diào)節(jié)閥和一部分對象（副控制對象）被包含于副回路之內(nèi)，調(diào)節(jié)閥的非線性影響在副環(huán)中便被消除。
（三）前饋-反饋控制
將冷卻水溫度這一擾動(dòng)信號于tc1控制器的輸出信號一起作用于調(diào)節(jié)閥，便形成前饋-反饋控制，這樣，對于冷卻水溫度的變化這一干擾便能快速的作用于調(diào)節(jié)閥門，使調(diào)節(jié)閥也作相應(yīng)的調(diào)整從而及時(shí)消除這一干擾。但需要注意的是前饋補(bǔ)償器需要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型作為基礎(chǔ)。
2.2發(fā)酵罐壓力常規(guī)控制
發(fā)酵罐操作壓力的變化，將會(huì)引起氧在發(fā)酵液中的分壓改變，也就是說影響著溶解氧濃度的變化。另外，為了使發(fā)酵物不被**感染，需要對通入的壓縮氣體進(jìn)行過濾**，并保證發(fā)酵罐內(nèi)呈現(xiàn)正壓，以免外部未經(jīng)處理的空氣等的進(jìn)入。影響發(fā)酵罐的壓力主要是供給的**空氣的壓力變化，通?？刂瓢l(fā)酵罐的壓力是通過調(diào)節(jié)排出氣體的量來控制。一般采用單回路控制即可，對于發(fā)酵罐內(nèi)壓力變化對溶解氧濃度的影響，則由溶解氧濃度調(diào)節(jié)回路來處理，當(dāng)然，溶解氧濃度的調(diào)節(jié)將考慮罐內(nèi)壓力對其的影響。
2.3發(fā)酵過程中的ph值控制
ph是微生物生長的另一個(gè)重要環(huán)境參數(shù)。在發(fā)酵過程中，必須嚴(yán)格加以控制，否則會(huì)嚴(yán)重影響微生物代謝的進(jìn)行和代謝產(chǎn)物的合成。在工業(yè)生產(chǎn)上，若發(fā)酵液ph值偏低、氨氮也偏低的時(shí)候，則通過加氨水等方法使其ph值回升；如果ph值偏高而氨氮偏低，可以補(bǔ)入硫酸銨或氯化銨；若ph值和氨氮都偏高，在發(fā)酵前期，可適當(dāng)增加糖的補(bǔ)加量來調(diào)整。一般沒有其它的控制手段。因此在ph值控制中必須嚴(yán)格控制好調(diào)整液的加入量，優(yōu)良不能過量。
如下圖所示，ph值的控制常由ph測量電極和變送器、ph控制器、空氣開關(guān)和氣動(dòng)開關(guān)閥組成。氨水可以通過噴淋頭加入發(fā)酵罐，當(dāng)然*好是通過空氣管道與空氣一起送入發(fā)酵罐，這樣便使氨水充分散發(fā)于發(fā)酵液中，不會(huì)造成局部區(qū)域的ph值的偏高或偏低。為避免一般調(diào)節(jié)閥有泄漏量的缺陷，在ph控制中，所使用的閥門常用開關(guān)閥?？刂破鞲鶕?jù)ph偏差信號計(jì)算出開關(guān)閥門開關(guān)周期和開與關(guān)的時(shí)間長短，來控制加入調(diào)整液（如氨水）的量，從而達(dá)到控制ph值的目的。當(dāng)然，由于ph值的嚴(yán)重非線性特性，使得控制器在ph值為7（中性點(diǎn)）附近和遠(yuǎn)離中性點(diǎn)的控制方法和整定參數(shù)不盡相同。因此這里的控制器是綜合考慮ph值的非線性特性和閥門調(diào)節(jié)特性的的復(fù)雜的控制器，簡單的pid調(diào)節(jié)器是不能完成要求的。另外，與開關(guān)閥門相對應(yīng)，控制器的輸出也為開關(guān)信號。
在ph值的控制過程中，首先要在控制方法上確保閥門動(dòng)作的頻率在可接受的范圍內(nèi)盡可能的小，以盡可能的延長閥門的使用壽命。另一方面，閥門在整個(gè)調(diào)節(jié)控制回路中是*易出故障的環(huán)節(jié)是一個(gè)不爭的事實(shí)，當(dāng)閥門出現(xiàn)故障時(shí)，有可能將氨水直接泄漏到發(fā)酵罐中，因此，嚴(yán)格而獨(dú)立并具有冗余配置的ph值報(bào)警系統(tǒng)是必須的，*好有一個(gè)緊急事件處理系統(tǒng)。
2.4發(fā)酵過程中的溶解氧濃度控制
在耗氧型發(fā)酵過程中，氧是作為微生物生長必須的原料，若供氧不足，將會(huì)抑制微生物的生長和代謝的進(jìn)行。為此在發(fā)酵過程中要保持一定的溶解氧濃度。影響溶解氧濃度的主要因素有供給的空氣量、攪拌槳轉(zhuǎn)速和發(fā)酵罐的壓力。如果在發(fā)酵罐壓力有自動(dòng)控制的情況下則認(rèn)為發(fā)酵罐壓力恒定不變。目前，國內(nèi)發(fā)酵罐攪拌槳轉(zhuǎn)速一般是恒定不變的，所以只要通過調(diào)節(jié)供給的空氣量來控制溶解氧濃度。當(dāng)然，也有同時(shí)對發(fā)酵罐轉(zhuǎn)速和供應(yīng)的空氣量進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)的做法。如前所述，發(fā)酵罐內(nèi)壓力的波動(dòng)對溶解氧濃度有影響，因此，在通過調(diào)節(jié)通入的空氣流量來實(shí)現(xiàn)溶解氧濃度控制時(shí)，需要考慮這種影響。其控制原理圖如下所示：
這里采用了一個(gè)串級控制回路，在保證對通入蒸汽量的調(diào)節(jié)滿足溶解氧濃度要求的同時(shí)，及時(shí)消除了壓力波動(dòng)的影響。如果溶解氧濃度的調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，情況類似。
2.5發(fā)酵過程中的消泡控制
在發(fā)酵前期，微生物生長旺盛時(shí)期，加入料液滿載，攪拌馬達(dá)全速開動(dòng)，空氣通入量達(dá)到*大。這時(shí)候，發(fā)酵液上浮得很厲害，稍有不慎，就可能會(huì)產(chǎn)生逃液現(xiàn)象。此時(shí)，必須即使加入消泡劑，以減少泡沫，防止發(fā)酵液上浮。消泡控制通常采用雙位式的控制方法，當(dāng)發(fā)酵液液面達(dá)到一定的高度時(shí)，自動(dòng)打開消泡劑的閥門，當(dāng)液面降回到正常時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉消泡劑閥門。
2.6發(fā)酵過程中的補(bǔ)料控制
在半連續(xù)發(fā)酵過程中，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，微生物生長狀態(tài)和生物代謝狀況，中間要繼續(xù)不斷補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)，使微生物沿著*優(yōu)的生長軌跡生長，以獲得高產(chǎn)的微生物代謝產(chǎn)物。由于微生物和代謝狀況無法在線測量，使得這一補(bǔ)料極為困難，一般的發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)過程是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室大量的試驗(yàn)研究結(jié)果得出的補(bǔ)料曲線來指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)的補(bǔ)料，發(fā)酵工藝技術(shù)人員根據(jù)離線的化驗(yàn)室化驗(yàn)的數(shù)據(jù)，適當(dāng)修正補(bǔ)料速率，這種方法對于有大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人來說可能會(huì)做出好的判斷決策，但往往不盡如人意，不能確保發(fā)酵過程沿著*優(yōu)的曲線進(jìn)行，不能獲得*好的代謝產(chǎn)物。針對這種發(fā)酵過程的復(fù)雜性和信息的缺乏，發(fā)酵工藝技術(shù)人員與自動(dòng)控制人員一起共同研究，試圖尋找出更好的補(bǔ)料方法和策略。例如，基于出口氣體二氧化碳的釋放率來控制補(bǔ)料速率、用化學(xué)元素的平衡方法來調(diào)整補(bǔ)糖量、用控制呼吸商的方法來控制補(bǔ)料等等。
三、系統(tǒng)配置
針對生物發(fā)酵過程的具體特點(diǎn)，選用了sunytdcs9200集散控制系統(tǒng)進(jìn)行配置。糖化車間、發(fā)酵車間、制藥車間各設(shè)置一個(gè)現(xiàn)場控制站配操作面板，*控制室內(nèi)配置操作員站三臺，工程師站一臺，打字機(jī)兩臺，其中：
控制站：負(fù)責(zé)對現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理及完成控制功能，并通過高速、可靠而開放的冗余系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)與操作站相連，能夠?qū)崿F(xiàn)與其他集散型控制系統(tǒng)、上層信息管理系統(tǒng)的無源連接。
操作站/工程師站：采用dell計(jì)算機(jī)配置，裝有windows 2000professional操作系統(tǒng)和*的組態(tài)軟件sunytech7.0,實(shí)現(xiàn)了生物制藥過程的優(yōu)化控制和安全操作、生成友好的人機(jī)界面實(shí)時(shí)、安全、可靠地對生物制藥過程實(shí)行監(jiān)督、控制和優(yōu)化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：
四、系統(tǒng)效益分析
本系統(tǒng)自從在某生物制藥企業(yè)發(fā)酵裝置投運(yùn)以來，運(yùn)行平穩(wěn)，*，裝置的儀表三率，操作平穩(wěn)率，單罐產(chǎn)量，產(chǎn)品質(zhì)量等都大大提高；工人勞動(dòng)強(qiáng)度，原料消耗等都有大幅度降低，同時(shí)也確保了裝置的平穩(wěn)安全運(yùn)行。直接提高了企業(yè)的市場競爭能力，為企業(yè)帶來了十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。主要控制指標(biāo)如下：
發(fā)酵罐溫度+-0.2℃；
ph值+-0.05；
罐壓+-0.005mpa;
基值濃度不超過5%