液態(tài)培養(yǎng)基溶解氧含量的控制分析

文 琦，田 明，何佳融，李秋實(shí)

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院 光電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，長(zhǎng)春 130022；2.吉林省計(jì)量科學(xué)研究院 吉林省計(jì)量測(cè)試儀器與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130103）

0 引言

發(fā)酵在藥品、食品等行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中是必不可少的環(huán)節(jié)，而溶氧量對(duì)微生物的發(fā)酵過(guò)程又是非常重要的。在發(fā)酵過(guò)程中，液態(tài)培養(yǎng)基中的溶解氧參與菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物形成并維持細(xì)胞代謝活動(dòng)，不同階段所需要的氧含量又有區(qū)別。在發(fā)酵的整個(gè)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)酵液中的氧含量并將其反饋到控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)做出相關(guān)調(diào)節(jié)是非常重要的[1]。

發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，具有嚴(yán)重的非線性、不確定性和時(shí)變性的特點(diǎn)，這就使得常規(guī)的控制方案很難達(dá)到控制要求。早期人們對(duì)發(fā)酵過(guò)程中溶解氧的控制大多以經(jīng)驗(yàn)為主，對(duì)溶解氧等參數(shù)的控制策略都是基于離線分析的數(shù)據(jù)信息得出的，這種方法往往不能反映當(dāng)前生物的發(fā)酵狀態(tài)，具有極大的滯后性，從而影響發(fā)酵的過(guò)程[5]。后期人們提出模糊控制的方法，但也存在一定的缺點(diǎn)，比如穩(wěn)態(tài)精度不高、模糊量化不好確定、模糊規(guī)則的主觀性等[2]。本文針對(duì)液態(tài)培養(yǎng)基中溶解氧含量的控制問(wèn)題，提出了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)溶解氧含量的多參數(shù)關(guān)聯(lián)控制方法。這種方法能夠很好的提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，使生產(chǎn)質(zhì)量得以保證。

1 系統(tǒng)工作原理

在有氧微生物發(fā)酵過(guò)程中，導(dǎo)致液態(tài)培養(yǎng)基中溶解氧含量減少的原因主要是微生物自身的消耗。但是在微生物發(fā)酵過(guò)程中的不同階段加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?，比如在胰島素發(fā)酵過(guò)程中加入甲醇水溶液，即可提升胰島素的產(chǎn)量，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致液態(tài)培養(yǎng)基中的溶解氧含量急劇下降。一般情況下，能夠提升液態(tài)培養(yǎng)基中溶解氧含量的方式有三種：一是增加攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在條件允許的情況下，增加攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速不僅可以提高液態(tài)培養(yǎng)基表面溶解氧含量進(jìn)而增加整個(gè)培養(yǎng)基溶解氧含量，也能更大程度的擊碎通入氣體產(chǎn)生的氣泡，從而增加液態(tài)培養(yǎng)基中的溶解氧含量；二是增加無(wú)菌空氣通入量，直接提供大量空氣，進(jìn)而增加液態(tài)培養(yǎng)基的溶解氧含量；三是增大壓強(qiáng)，通過(guò)關(guān)閉氣體排出口閥門使發(fā)酵罐內(nèi)的氣體壓力保持在300kPa（發(fā)酵罐設(shè)計(jì)使用的極限壓力），進(jìn)而增加液態(tài)培養(yǎng)基中的溶解氧含量[3]。

在發(fā)酵過(guò)程中，用戶可根據(jù)微生物在不同發(fā)酵階段對(duì)氧氣的需求量不同，在人機(jī)交互界面設(shè)定適宜微生物發(fā)酵的溶解氧含量。溶氧傳感器測(cè)得液態(tài)培養(yǎng)基溶解氧含量數(shù)據(jù)后，經(jīng)信號(hào)隔離器傳送給PLC控制器，PLC把接收到的溶解氧含量的數(shù)據(jù)信息按照用戶設(shè)定的比例、積分、微分參數(shù)進(jìn)行PID控制計(jì)算，運(yùn)算結(jié)果以百分比的形式輸出。系統(tǒng)提供了攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速、氣體通入量、罐內(nèi)壓力三個(gè)參數(shù)與溶解氧相關(guān)聯(lián)，根據(jù)用戶自定義的關(guān)聯(lián)范圍進(jìn)行PID計(jì)算，PLC控制器根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。圖1所示是溶氧控制原理結(jié)構(gòu)圖。

圖1 溶氧控制原理結(jié)構(gòu)圖

2 溶解氧控制系統(tǒng)

2.1 溶解氧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了提高發(fā)酵過(guò)程中溶解氧控制精度，本文提出了一種“多參數(shù)關(guān)聯(lián)控制”的調(diào)節(jié)方式。溶解氧的控制包含三個(gè)關(guān)聯(lián)循環(huán)：攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速、空氣通入量以及罐體內(nèi)壓力。關(guān)聯(lián)控制的原理流程圖如圖2所示。

圖2 原理流程圖

系統(tǒng)將當(dāng)前的溶解氧設(shè)定值與采集值按照預(yù)設(shè)的PID調(diào)節(jié)算法進(jìn)行計(jì)算得到一個(gè)百分比的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)此計(jì)算結(jié)果小于第一關(guān)聯(lián)范圍最小值時(shí)，系統(tǒng)不做調(diào)節(jié)；當(dāng)計(jì)算結(jié)果介于第一關(guān)聯(lián)的范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)按照線性比例關(guān)系調(diào)節(jié)攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)計(jì)算結(jié)果介于第二關(guān)聯(lián)的范圍時(shí)，第一關(guān)聯(lián)的電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出最大值并且按照線性比例關(guān)系調(diào)節(jié)空氣通入量的大??；當(dāng)計(jì)算結(jié)果介于第三關(guān)聯(lián)時(shí)，第一第二關(guān)聯(lián)均輸出最大值且按照線性比例關(guān)系調(diào)節(jié)罐內(nèi)壓力的大??；當(dāng)計(jì)算結(jié)果大于第三關(guān)聯(lián)時(shí)，三個(gè)關(guān)聯(lián)參數(shù)均輸出最大值。攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速、空氣通入量和罐體內(nèi)壓力三種參數(shù)設(shè)置示例如表1所示。

表1 關(guān)聯(lián)控制參數(shù)設(shè)置示例

如上表所示，假設(shè)攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍是0～600RPM，空氣通入量為0～300L/min，罐內(nèi)壓力范圍0～400kPa，則當(dāng)PID輸出為50%時(shí)，溶解氧控制系統(tǒng)的輸出為：第一關(guān)聯(lián)：600×80%=480RPM，即攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速為480RPM。第二關(guān)聯(lián)：[（50%-40%）/（70%～40%）×（50%～10%）+10%]×300=70L/min。即氣體通入量為70L/min。第三關(guān)聯(lián)：罐內(nèi)壓力不作調(diào)節(jié)，即為常壓。

2.2 數(shù)據(jù)采集與控制、執(zhí)行單元

分析基于PLC的溶解氧控制系統(tǒng)的控制要求、傳感設(shè)備輸出信號(hào)的特性以及現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的工作特征，對(duì)S7-200 Smart系列PLC的控制器、模擬量的輸入/輸出模塊、人機(jī)交互設(shè)備、三相交流變頻器與氣體質(zhì)量流量計(jì)等進(jìn)行了選型，如表2所示。

表2 系統(tǒng)配置表

該系統(tǒng)配置提供了12路的數(shù)字量輸入通道、8路的數(shù)字量輸出通道、4路模擬量輸入通道、2路模擬量輸出通道。

根據(jù)系統(tǒng)需要具備的功能，對(duì)PLC進(jìn)行I/O口分配，系統(tǒng)需要控制的變量有：攪拌電機(jī)的起停、出氣閥門的開(kāi)閉、溶氧量測(cè)量、質(zhì)量流量計(jì)的通氣量和電機(jī)的攪拌速度。I/O口分配如表3所示。

表3 系統(tǒng)I/O口分配表

3 系統(tǒng)控制軟件實(shí)現(xiàn)方法

3.1 溶解氧的PID控制程序?qū)崿F(xiàn)

PID回路指令（比例、積分、微分回路）由 PLC控制器提供，用于執(zhí)行PID計(jì)算。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，PID的計(jì)算公式為：

其中：M(t)為回路輸出（時(shí)間函數(shù)）；KC為回路增益；e為回路偏差；Minitial為回路輸出的初始值。

將連續(xù)函數(shù)量化為偏差值的周期采樣且由于控制單元的解決方案具有重復(fù)性，因此可以簡(jiǎn)化在任何采樣時(shí)間都必須求解的方程。簡(jiǎn)化后的方程為：

其中：Mn為采樣時(shí)間n時(shí)回路輸出的計(jì)算值；KC為回路增益；en為采樣時(shí)間n時(shí)的回路偏差值；en-1為前一回路偏差值（采樣時(shí)間n-1時(shí)）；KI為積分項(xiàng)的比例常量；MX為第一積分項(xiàng)值（采樣時(shí)間n-1時(shí)）；KD為微分項(xiàng)的比例常量?？刂破魇褂靡陨虾?jiǎn)化方程的改進(jìn)方程計(jì)算回路輸出值。

S7-200 Smart系列下的SR20提供了8路PID運(yùn)算回路，此系統(tǒng)選擇第2路PID控制回路，編號(hào)為1。因?yàn)槿芙庋鮽鞲衅鳛?～20mA輸出，所以由設(shè)置向?qū)傻腜ID控制子程序如圖3所示。系統(tǒng)調(diào)用PID運(yùn)算且將結(jié)果轉(zhuǎn)化為0～100%區(qū)間的主程序如圖4所示。

圖3 PID控制子程序

圖4 PID調(diào)節(jié)部分主程序

3.2 溶解氧的“關(guān)聯(lián)控制”程序?qū)崿F(xiàn)

溶解氧的控制采用攪拌電機(jī)、進(jìn)氣閥、出氣閥三者關(guān)聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)預(yù)置每種關(guān)聯(lián)所對(duì)應(yīng)的PID輸出的最小值Min和最大值Max，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際PID輸出結(jié)果與預(yù)置值比較，使相應(yīng)器件動(dòng)作。每種關(guān)聯(lián)控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 關(guān)聯(lián)控制程序流程圖

4 數(shù)據(jù)分析處理

本文以200L發(fā)酵罐為例進(jìn)行溶解氧關(guān)聯(lián)過(guò)程的實(shí)

【】【】驗(yàn)。其中，攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為0～288RPM，質(zhì)量流量計(jì)的通氣量范圍為0～200L/min，發(fā)酵罐承受壓力范圍為0～4bar。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，引入了一種溶解氧消耗方式：在發(fā)酵過(guò)程中加入刺激微生物呼吸作用的甲醇水溶液。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)，打開(kāi)溶解氧關(guān)聯(lián)，設(shè)置溶解氧保持范圍為20%～40%之間，每隔十分鐘對(duì)三個(gè)關(guān)聯(lián)參數(shù)和溶解氧含量進(jìn)行記錄，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，由于甲醇溶液的添加，罐體內(nèi)溶解氧含量逐漸下降，當(dāng)溶解氧含量下降到一定程度時(shí)，攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸加快，當(dāng)達(dá)到關(guān)聯(lián)輸出最大值時(shí)，質(zhì)量流量計(jì)逐漸打開(kāi)向罐體通入空氣，隨著溶解氧含量的增加，質(zhì)量流量計(jì)關(guān)閉，攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)而將溶解氧含量維持在設(shè)定范圍內(nèi)。為了更加直觀的顯示關(guān)聯(lián)變量變化過(guò)程與溶解氧的關(guān)系，繪制曲線圖如下：

圖6 溶解氧含量變化曲線圖

從圖中可以看出，隨著甲醇溶液的不斷加入，罐體內(nèi)溶解氧含量持續(xù)下降，隨著溶解氧含量的下降，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)溶解氧的預(yù)設(shè)值進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制調(diào)節(jié)，使得罐體溶解氧保持在20%～40%之間。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，采用了“多參數(shù)關(guān)聯(lián)控制”的液態(tài)培養(yǎng)基溶解氧含量控制系統(tǒng)，在結(jié)合了攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速、空氣通入量以及罐體內(nèi)壓力后，對(duì)溶解氧含量具有很好的調(diào)節(jié)能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)能夠有效的將溶解氧控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

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