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)展為測量、分析、反饋控制、在線監(jiān)測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，但由于微生物生長過程，一些關(guān)鍵變量還是不可在線測量，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)檢測意義

發(fā)酵過程檢測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)測及自動(dòng)控制

下面是我司在發(fā)酵在線監(jiān)測項(xiàng)目上的簡要方案，希望能為發(fā)酵過程中參數(shù)的在線監(jiān)測及自動(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)測的主要指標(biāo)

在線檢測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)名稱測試方法意義、主要作用溫度PT100維持生長罐壓數(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，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)測系統(tǒng)的淺見，為其深入研究提供一點(diǎn)思路。

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