淺談儀表在潔霉素發(fā)酵罐中的應(yīng)用

黃文娟

(江西國藥有限責(zé)任公司)

摘要：儀表在潔霉素發(fā)酵罐中起到了在線實(shí)時(shí)監(jiān)測和實(shí)現(xiàn)部分自動控制，使生產(chǎn)人員可以科學(xué)適時(shí)準(zhǔn)確地添加有利于發(fā)酵培養(yǎng)的物質(zhì)，從而使發(fā)酵罐的收率大大提高，對提高潔霉素的產(chǎn)量起到了重要的作用。

關(guān)鍵詞：溫度流量溶氧體積pH值

1前言

潔霉素是微生物的次級代謝產(chǎn)物，潔霉素的生產(chǎn)首先從菌種室選種，再到無菌室培養(yǎng)，再到小罐的一級種子培養(yǎng)和中罐的二級種子培養(yǎng)，繁殖到一定濃度和數(shù)量后接入大罐進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)，最后把發(fā)酵液輸送到潔霉素提煉車間進(jìn)行提煉。其中，在大罐中要進(jìn)行9天的發(fā)酵培養(yǎng)，這是潔霉素生產(chǎn)的最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

以前對發(fā)酵罐只控制它的溫度和壓力，其他的要靠看罐人員的經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)料補(bǔ)營養(yǎng)劑等進(jìn)行培養(yǎng)。現(xiàn)在我們通過一些智能化的儀表和計(jì)算機(jī)對發(fā)酵罐中對發(fā)酵培養(yǎng)起決定作用的一些重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，生產(chǎn)人員可以科學(xué)適時(shí)準(zhǔn)確地添加有利于發(fā)酵培養(yǎng)的物質(zhì)。

在潔霉素的發(fā)酵過程中我們通過控制發(fā)酵液的溫度T、空氣流量F、溶氧Do、體積V、pH值等(見圖1)，使發(fā)酵液生長繁殖有一個(gè)良好的環(huán)境，從而提高得率。

圖1　潔霉素發(fā)酵過程的反應(yīng)系統(tǒng)

2下面對要監(jiān)測的一些重要參數(shù)一一闡述

2.1　發(fā)酵液溫度T的檢測和自動控制

溫度是影響微生物生長發(fā)育及代謝活動的重要因素。溫度在發(fā)酵過程中要求較高，一般保持在30℃進(jìn)行培養(yǎng)，我們選用了SWP-C804-01的PID顯示控制儀、Pt100鉑電阻和SWP-LCD-SSR多路無紙記錄儀、Pt100鉑電阻兩套，通過Pt100鉑電阻檢測到信號輸入數(shù)顯控制儀，數(shù)顯控制儀除顯示溫度外還通過高位報(bào)警輸出信號控制二位三通電磁閥控制氣動薄膜閥，因?yàn)榘l(fā)酵時(shí)會產(chǎn)生熱量所以控制罐溫時(shí)不需要加熱只需要降溫，當(dāng)超溫時(shí)數(shù)顯控制儀的高位報(bào)警得電使電動閥吸合控制氣動薄膜閥打開冷卻水進(jìn)入罐體夾套使罐溫下降，到了溫度數(shù)顯控制儀的高位報(bào)警斷電氣動薄膜閥自動關(guān)閉，該數(shù)顯控制儀帶PID調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)被控對象自動演算出最佳PID控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對發(fā)酵溫度的穩(wěn)定控制(見圖2)。另一套多路無紙計(jì)錄儀除顯示溫度還可查找歷史數(shù)據(jù)，兩套溫度顯示保證了罐溫控制萬無一失。

圖2　發(fā)酵罐溫度自動控制方框圖

2.2　發(fā)酵罐中空氣流量F的監(jiān)測

在微生物深層培養(yǎng)中，為適應(yīng)菌體代謝要求，需要通入無菌空氣，空氣流量的大小直接影響發(fā)酵液中氧的濃度。我們選用了YYDG-40AⅢP0Z電磁流量計(jì)，它是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測量管道內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量，該流量計(jì)在滿足現(xiàn)場監(jiān)測顯示的同時(shí)可輸出標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(4～20)mA方便與計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

2.3　發(fā)酵液中溶氧Do的監(jiān)測

溶解氧是好氧微生物生長所必需的。溶解氧濃度是限制菌體生長的關(guān)鍵因素之一，通過調(diào)節(jié)消毒空氣的流量來控制溶解氧的濃度。我們選用了工業(yè)溶氧儀Do-200和Do-912氧電極進(jìn)行監(jiān)測，氧電極由鉑陰極和銀陽極構(gòu)成，由電解液傳導(dǎo)連接，外部被測發(fā)酵液中的氧透過透氧膜套擴(kuò)散到電解質(zhì)溶液中：

陽極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-

陰極反應(yīng)：4Ag+4cl-→4Agcl+4e-

這些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流大小與發(fā)酵液中的氧分壓成線性關(guān)系從而測出含氧量。生產(chǎn)人員根據(jù)檢測出的溶氧值可以及時(shí)準(zhǔn)確地加減空氣。

2.4　發(fā)酵液體積的監(jiān)測

對發(fā)酵罐補(bǔ)料控制的目的在于控制中間代謝，使發(fā)酵菌保持在半饑餓狀態(tài)，促使它大量地分泌和合成代謝產(chǎn)物，及時(shí)對發(fā)酵液中菌絲的變化，發(fā)酵液主要成份的含量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使發(fā)酵沿著有利于提高產(chǎn)量的方向發(fā)展。我們選用了WJ-5151智能電容式變送器，變送器的核心是一個(gè)電容式壓力傳感器，過程壓力通過隔離膜片和灌充液傳遞到“δ”室中心的傳感膜片，基準(zhǔn)壓力以同樣的方式傳遞到傳感膜片的另一側(cè)，傳感膜片的位移與差壓成正比，通過差壓可測量出液位，因?yàn)槠鋲毫τ梢何坏母叩秃鸵后w比重所決定。在靠近罐底部位開一取壓口，剛好使取壓口的上面罐體是圓柱體的，這樣罐內(nèi)發(fā)酵液的體積與液位的高度成正比，利用這個(gè)通過計(jì)算機(jī)來運(yùn)算出發(fā)酵液的體積。

2.5　發(fā)酵液pH值的監(jiān)測

發(fā)酵液的pH值直接影響到菌體的生長繁殖和代謝產(chǎn)物的合成，發(fā)酵培養(yǎng)都需要有適合的酸堿度環(huán)境才能朝著期望的方向進(jìn)行，生產(chǎn)上要把pH值控制在6.5～6.8之間，才能使其適合潔霉素菌體的生長和產(chǎn)物的合成。我們選用了G312T高溫滅菌pH復(fù)合電極和PH310輸入輸出二線式隔離變送器，除現(xiàn)場監(jiān)測顯示外還可直接輸出信號到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)檢測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊PID運(yùn)算控制蠕動泵，pH值偏低要通氨水，偏高要加硫酸銨，使其更適合潔霉素菌體的生長和代謝產(chǎn)物的合成。

發(fā)酵過程中pH值呈現(xiàn)明顯的時(shí)變性，這種時(shí)變導(dǎo)致pH值嚴(yán)重的非線性，同時(shí)在發(fā)酵過程中由于影響因素太多導(dǎo)致測量結(jié)果幾乎不可重復(fù)，存在不確定性，pH值在加氨調(diào)節(jié)時(shí)具有較大的時(shí)滯性。PID調(diào)節(jié)控制是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，PID控制又稱為比例-積分-微分控制，比例環(huán)節(jié)的作用是成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一但產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例系數(shù)越大系統(tǒng)的響應(yīng)越快，但太大系統(tǒng)會產(chǎn)生超調(diào)導(dǎo)致不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜差提高系統(tǒng)的無偏差。但它有滯后現(xiàn)象，使系統(tǒng)的響應(yīng)變慢超調(diào)量變大并可能產(chǎn)生振蕩。微分環(huán)節(jié)的作用是反應(yīng)偏差信號的變化趨勢，能及時(shí)控制并能在偏差信號太大之前在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。當(dāng)今的閉環(huán)自動控制都是基于反饋的概念，將被控制量的實(shí)際值與期望值相比較，用這個(gè)偏差來糾正系統(tǒng)的響應(yīng)從而進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但在控制非線性、時(shí)變及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時(shí)，工作得不太好，不能控制復(fù)雜過程。而在實(shí)際潔霉素發(fā)酵過程的pH值控制中存在時(shí)變性、非線性與模型不確定性，此時(shí)PID不能很好地控制，我們就采用了模糊PID控制方法。模糊控制是模糊集合理論應(yīng)用中的一個(gè)重要方面，是以模糊集合化、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，模糊控制是依賴于人和專家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，對時(shí)滯性、非線性和時(shí)變性的系統(tǒng)有良好的控制能力，但不具有積分環(huán)節(jié)，在變量分級不夠多的情況下，在平衡點(diǎn)附近常出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象和穩(wěn)態(tài)余差，對發(fā)酵過程中pH值的控制我們把模糊控制和PID控制結(jié)合起來，這樣不僅具有較快的響應(yīng)速度和抗參數(shù)變化的穩(wěn)定性，而且可以對pH值實(shí)現(xiàn)高精度控制。模糊PID控制器設(shè)計(jì)的思想是先找出PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp、KI、KD與誤差e和誤差變化率之間的模糊關(guān)系，并將它們作為控制器的輸入，根據(jù)模糊控制規(guī)則的PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，設(shè)計(jì)出模糊控制器；將PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)Kp、KI、KD作為模糊控制器的輸出；最后根據(jù)調(diào)整后PID參數(shù)Kp、KI、KD重新帶入PID運(yùn)算公式進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果即為模糊控制器的最終輸出，從而使發(fā)酵過程中的pH值得到穩(wěn)定精確的控制。模糊PID控制克服了常規(guī)PID控制易產(chǎn)生振蕩和超調(diào)量的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小的理想性能指標(biāo)。模糊PID控制具體控制原理圖如圖3。

圖3　模糊PID控制原理圖

3檢測到的溫度、流量、溶氧、體積、pH值輸送到控制室的計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控

我們選用的計(jì)算機(jī)是研華IPC-610的專用機(jī)，該機(jī)具有較強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境及抗干擾能力和較高的可靠性。發(fā)酵罐的各個(gè)監(jiān)測參數(shù)通過上述方法檢測到的(4～20)mA電流模擬信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊ADAM4018+轉(zhuǎn)換為對應(yīng)參數(shù)的數(shù)字信號，輸入模塊ADAM4018+是一種多功能高性能的智能化遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊，是專為惡劣環(huán)境下可靠工作而專門設(shè)計(jì)的緊湊型智能化的計(jì)算機(jī)接口單元，特別適用于采集及控制點(diǎn)分散、與主機(jī)距離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)采集與控制場合，ADAM4018+能同時(shí)采集多路模擬信號，并將它們轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后通過RS-485總線傳送給計(jì)算機(jī)。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的配置只提供RS-232C通訊接口，而RS-232C只能進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的通訊且傳輸距離短，不適應(yīng)發(fā)酵罐現(xiàn)場的控制，因此必須將其轉(zhuǎn)換，我們選用了ADAM4520模塊，該模塊是RS232C-RS485轉(zhuǎn)換模塊。由ADAM4018+數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊把采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再通過ADAM4520通訊轉(zhuǎn)換模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行控制運(yùn)算，最后直觀地顯示出各參數(shù)的實(shí)時(shí)趨勢圖(如圖4)，實(shí)時(shí)趨勢圖具有直觀.精確.靈活等特點(diǎn)，該趨勢圖對發(fā)酵培養(yǎng)起到了實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用。同時(shí)還能在計(jì)算機(jī)上查找歷史趨勢圖和歷史數(shù)據(jù)，提供了一種利用歷史數(shù)據(jù)完整再現(xiàn)整個(gè)發(fā)酵過程的途徑。

圖4　被監(jiān)測的各參數(shù)的實(shí)時(shí)趨勢圖

4成效

通過對潔霉素發(fā)酵罐中溫度、流量、溶氧、體積、pH值等重要參數(shù)的在線監(jiān)測和實(shí)現(xiàn)部分自動控制，從而使得在發(fā)酵過程中可以根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)科學(xué)適時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行補(bǔ)料(補(bǔ)充營養(yǎng)劑)和空氣等，現(xiàn)在60T發(fā)酵罐平均放罐單位從3000γ/ml左右增加到6000γ/ml左右，單罐的總億也從300左右增加到350左右，發(fā)酵罐的收率大大提高，對提高潔霉素的產(chǎn)量起到了重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]于穎，張小慧.發(fā)酵類生物反應(yīng)器參數(shù)在線監(jiān)控技術(shù)，醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2011年第32卷第2期.

[2]向術(shù)利，周海燕，洪厚勝.智能模糊自調(diào)整PID控制器在發(fā)酵過程PH值控制中的應(yīng)用，河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(3).