淺談儀表在潔霉素發(fā)酵罐中的應用

淺談儀表在潔霉素發(fā)酵罐中的應用

黃文娟

(江西國藥有限責任公司)

摘要：儀表在潔霉素發(fā)酵罐中起到了在線實時監(jiān)測和實現(xiàn)部分自動控制，使生產(chǎn)人員可以科學適時準確地添加有利于發(fā)酵培養(yǎng)的物質，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行提煉。其中，在大罐中要進行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)驗補料補營養(yǎng)劑等進行培養(yǎng)。現(xiàn)在我們通過一些智能化的儀表和計算機對發(fā)酵罐中對發(fā)酵培養(yǎng)起決定作用的一些重要參數(shù)進行實時在線監(jiān)控，生產(chǎn)人員可以科學適時準確地添加有利于發(fā)酵培養(yǎng)的物質。

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警輸出信號控制二位三通電磁閥控制氣動薄膜閥，因為發(fā)酵時會產(chǎn)生熱量所以控制罐溫時不需要加熱只需要降溫，當超溫時數(shù)顯控制儀的高位報警得電使電動閥吸合控制氣動薄膜閥打開冷卻水進入罐體夾套使罐溫下降，到了溫度數(shù)顯控制儀的高位報警斷電氣動薄膜閥自動關閉，該數(shù)顯控制儀帶PID調節(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，它是根據(jù)法拉第電磁感應定律來測量管道內導電介質體積流量，該流量計在滿足現(xiàn)場監(jiān)測顯示的同時可輸出標準直流電流信號(4～20)mA方便與計算機進行聯(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鍵因素之一，通過調節(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氧電極進行監(jiān)測，氧電極由鉑陰極和銀陽極構成，由電解液傳導連接，外部被測發(fā)酵液中的氧透過透氧膜套擴散到電解質溶液中：

陽極反應：O2+2H2O+4e-→4OH-

陰極反應：4Ag+4cl-→4Agcl+4e-

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

2.4　發(fā)酵液體積的監(jiān)測

對發(fā)酵罐補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，及時對發(fā)酵液中菌絲的變化，發(fā)酵液主要成份的含量進行調節(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，基準壓力以同樣的方式傳遞到傳感膜片的另一側，傳感膜片的位移與差壓成正比，通過差壓可測量出液位，因為其壓力由液位的高低和液體比重所決定。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，這樣罐內發(fā)酵液的體積與液位的高度成正比，利用這個通過計算機來運算出發(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算機。計算機根據(jù)檢測出的數(shù)據(jù)進行模糊PID運算控制蠕動泵，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)明顯的時變性，這種時變導致pH值嚴重的非線性，同時在發(fā)酵過程中由于影響因素太多導致測量結果幾乎不可重復，存在不確定性，pH值在加氨調節(jié)時具有較大的時滯性。PID調節(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)的響應越快，但太大系統(tǒng)會產(chǎn)生超調導致不穩(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)的響應變慢超調量變大并可能產(chǎn)生振蕩。微分環(huán)節(jié)的作用是反應偏差信號的變化趨勢，能及時控制并能在偏差信號太大之前在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間。當今的閉環(huán)自動控制都是基于反饋的概念，將被控制量的實際值與期望值相比較，用這個偏差來糾正系統(tǒng)的響應從而進行調節(jié)控制。PID控制具有結構簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點，但在控制非線性、時變及參數(shù)和結構不確定的復雜過程時，工作得不太好，不能控制復雜過程。而在實際潔霉素發(fā)酵過程的pH值控制中存在時變性、非線性與模型不確定性，此時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用中的一個重要方面，是以模糊集合化、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制，模糊控制是依賴于人和專家的經(jīng)驗進行控制，對時滯性、非線性和時變性的系統(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控制結合起來，這樣不僅具有較快的響應速度和抗參數(shù)變化的穩(wěn)定性，而且可以對pH值實現(xiàn)高精度控制。模糊PID控制器設計的思想是先找出PID調節(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的三個參數(shù)進行在線調整，設計出模糊控制器；將PID調節(jié)器的三個參數(shù)Kp、KI、KD作為模糊控制器的輸出；最后根據(jù)調整后PID參數(shù)Kp、KI、KD重新帶入PID運算公式進行運算，計算結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)生振蕩和超調量的缺點，實現(xiàn)了系統(tǒng)調節(jié)時間短、超調量小、穩(wěn)態(tài)誤差小的理想性能指標。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算機進行實時監(jiān)控

我們選用的計算機是研華IPC-610的專用機，該機具有較強的抗惡劣環(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)模轉換模塊ADAM4018+轉換為對應參數(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計的緊湊型智能化的計算機接口單元，特別適用于采集及控制點分散、與主機距離較遠的數(shù)據(jù)采集與控制場合，ADAM4018+能同時采集多路模擬信號，并將它們轉化成數(shù)字信號，然后通過RS-485總線傳送給計算機。因為標準計算機的配置只提供RS-232C通訊接口，而RS-232C只能進行點對點的通訊且傳輸距離短，不適應發(fā)酵罐現(xiàn)場的控制，因此必須將其轉換，我們選用了ADAM4520模塊，該模塊是RS232C-RS485轉換模塊。由ADAM4018+數(shù)模轉換模塊把采集到的模擬信號轉換為數(shù)字信號再通過ADAM4520通訊轉換模塊傳輸?shù)接嬎銠C進行控制運算，最后直觀地顯示出各參數(shù)的實時趨勢圖(如圖4)，實時趨勢圖具有直觀.精確.靈活等特點，該趨勢圖對發(fā)酵培養(yǎng)起到了實時監(jiān)控的作用。同時還能在計算機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)整個發(fā)酵過程的途徑。

圖4　被監(jiān)測的各參數(shù)的實時趨勢圖

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)科學適時準確地進行補料(補充營養(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

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[2]向術利，周海燕，洪厚勝.智能模糊自調整PID控制器在發(fā)酵過程PH值控制中的應用，河北科技大學學報，2008(3).