青霉素發(fā)酵過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)亞南，鄧小龍，曹 菁，王志偉

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214153)

0 引言

近幾年，尤其是新冠肺炎疫情的爆發(fā)后，諸如生物醫(yī)藥、食品產(chǎn)業(yè)需求不斷發(fā)展壯大，生物醫(yī)藥工程作為國家重點(diǎn)發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展勢頭愈加突進(jìn)。但伴隨著生物醫(yī)藥工程的發(fā)展帶來的環(huán)境污染、資源消耗等重大社會(huì)問題，高效、清潔的現(xiàn)代生物醫(yī)藥工程技術(shù)是必然發(fā)展趨勢[1]。

生物發(fā)酵是一種產(chǎn)品制備的生化反應(yīng)過程，涉及到生活和生產(chǎn)的方方面面。在工藝流程、產(chǎn)品過程控制技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)酵工程也是國內(nèi)學(xué)者長期的研究熱點(diǎn)。馮立偉等提出基于權(quán)重近鄰加權(quán)平均累計(jì)距離實(shí)現(xiàn)對(duì)多模態(tài)青霉素發(fā)酵時(shí)的故障檢測[2]，但其使用方法需要大量計(jì)算并查詢樣本距離，計(jì)算量大，可能會(huì)出現(xiàn)故障檢測延時(shí)等情況。孫雪蕾利用A9系統(tǒng)在嵌入式Linux建立發(fā)酵監(jiān)測系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立SQL數(shù)據(jù)庫[3]，但是該方法更強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)通信處理，對(duì)發(fā)酵工藝和硬件并未細(xì)致研究。文獻(xiàn)[4]采用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程參數(shù)的監(jiān)控功能，而且通過DDE數(shù)據(jù)交換協(xié)議，將組態(tài)王與Matlab連接在一起，利用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)處理，但此種單片機(jī)仿真算法并未用于實(shí)際生產(chǎn)。

范茂興等將發(fā)酵過程建立數(shù)學(xué)模型，并用STD技術(shù)對(duì)發(fā)酵過程中的溫度、壓力、流量、pH值，溶氧進(jìn)行優(yōu)化控制，并利用卡爾曼方法對(duì)菌體和產(chǎn)物濃度狀態(tài)在線估算[5]。

國外發(fā)酵技術(shù)的控制技術(shù)領(lǐng)先于國內(nèi)，目前國外發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)溫度的控制精度在±0.1 ℃，pH 的控制精度也達(dá)到了±0.01。近幾年我國發(fā)酵技術(shù)發(fā)展迅速，在工藝管控和設(shè)計(jì)方面取得長足發(fā)展，發(fā)酵效果也在不斷推進(jìn)，發(fā)酵控制系統(tǒng)往精細(xì)化路線發(fā)展[6-7]。

1 青霉素發(fā)酵過程特點(diǎn)與工藝流程

圖1是發(fā)酵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。青霉素發(fā)酵過程參數(shù)的測量和控制對(duì)發(fā)酵效果有直接影響。發(fā)酵過程主要對(duì)：溫度(適宜菌體生長溫度)、進(jìn)氣流量(罐體CO2和O2的生產(chǎn)和消耗)、罐體壓力(壓力影響溶氧度和菌體生長)、補(bǔ)料(菌體微生物生成代謝必備營養(yǎng)物質(zhì))、變頻電機(jī)速度(使得營養(yǎng)物質(zhì)和菌體均勻接觸)、溶氧量、pH(菌體代謝條件)、溶氧(DO)、消泡(通入空氣會(huì)產(chǎn)生泡沫，需要利用消泡泵去除)等參數(shù)的測量和控制[8-9]。表1為青霉素發(fā)酵各參數(shù)范圍和設(shè)定值。

表1 青霉素發(fā)酵時(shí)的變量設(shè)定

青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程分為5個(gè)階段，分別為：菌體調(diào)整期、菌體增長期、青霉素生產(chǎn)期、菌體衰減期和菌體消溶期[10-11]。

青霉素發(fā)酵工藝從開始到獲得最終發(fā)酵產(chǎn)品，整個(gè)過程分為以下步驟：

(1)將原材料配置為菌體生長所需營養(yǎng)液，并將配置好的營養(yǎng)液滅菌處理；

(2)利用高壓蒸汽將整個(gè)發(fā)酵設(shè)備殺菌處理，殺滅雜菌；

(3)配置青霉素菌體；

(4)調(diào)整好發(fā)酵參數(shù)；

(5)控制好發(fā)酵過程中的參數(shù)，最終將發(fā)酵產(chǎn)物分離純化，得到發(fā)酵產(chǎn)物[11-12]。

發(fā)酵工藝步驟如圖2所示。

2 發(fā)酵控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

發(fā)酵車間有多種發(fā)酵罐體，主要為原料罐、配料罐、發(fā)酵罐等，控制器采用FX3U系列PLC，圖3為PLC搭建的發(fā)酵系統(tǒng)DCS控制結(jié)構(gòu)圖，采用HART(highway addressable remote transducer)可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)底層各個(gè)現(xiàn)場模塊的尋址采集與控制；MODBUS協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS232、RS422、RS485和以太網(wǎng)通信設(shè)備，例如現(xiàn)場的人機(jī)觸摸屏通過RS232通信，變頻器與控制器通過RS485相連；以太網(wǎng)精度高便于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信，傳輸時(shí)不僅速度快，而且擴(kuò)展性強(qiáng)。

青霉素發(fā)酵過程控制系統(tǒng)采用分層式管理，分層式管理具有結(jié)構(gòu)層次分明，數(shù)據(jù)交換快捷的特點(diǎn)，可為青霉素發(fā)酵過程中的故障診斷提供便利性。

2.2 溫度調(diào)節(jié)控制回路

青霉素發(fā)酵降溫過程分為2個(gè)階段，第1個(gè)階段是罐體和原料經(jīng)過高溫滅菌后，需要快速降溫調(diào)節(jié)到適宜發(fā)酵的溫度。第2階段是菌體生長時(shí)，發(fā)酵罐中溫度上升，需要降溫處理。此外，當(dāng)溫度偏低時(shí)需要升溫到菌體最適宜的生長溫度，升溫采用電加熱方式，溫度控制調(diào)節(jié)回路如圖4所示。

溫度控制采用控制比例閥的開度(0～100%)，調(diào)節(jié)進(jìn)水量，讓水進(jìn)入罐體夾層(從另一側(cè)溢出)實(shí)現(xiàn)升溫或降溫。溫度調(diào)節(jié)控制部件主要包括：控制器、電磁閥、比例調(diào)節(jié)閥、Pt100熱電阻溫度傳感器和FX2N-4AD-PT 溫度采集模塊。

2.3 進(jìn)氣調(diào)節(jié)控制回路

發(fā)酵過程中需要根據(jù)當(dāng)前發(fā)酵所處階段，向發(fā)酵罐內(nèi)輸送無菌空氣讓氧氣溶于溶液中，以保證菌體生長、繁殖和代謝過程對(duì)氧的需求。進(jìn)氣控制回路主要包括：流量計(jì)、控制器、比例調(diào)節(jié)閥，進(jìn)氣控制回路如圖5所示。

2.4 溶氧(DO)調(diào)節(jié)控制回路

溶氧指培養(yǎng)溶液中氧氣含量比例，氧氣是菌體生長、發(fā)生生化反應(yīng)時(shí)的必要物質(zhì)之一。但是氧氣在溶液中溶解度比較低，因此必須借助變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)攪拌速度，同時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)氣比例閥開度，并間接調(diào)節(jié)溶液和氧氣的接觸面積以及罐體壓力值提高溶氧比例。溶氧調(diào)節(jié)控制回路如圖6所示。

在配料和發(fā)酵時(shí)均需調(diào)節(jié)電機(jī)攪拌速度，攪拌有2個(gè)目的：其一，是保證各配料充分混合并與菌體相互接觸，其二，是加快氧氣融入溶液中。PLC通過RS485-Modbus通信實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速在0～50 Hz范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.5 滅菌消殺處理方法

發(fā)酵過程不允許其他雜菌在罐體和管道中，雜菌可能會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，影響發(fā)酵質(zhì)量和產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成整罐發(fā)酵失敗。因此，在接種菌種前需要對(duì)發(fā)酵罐、管道以及培養(yǎng)基溶液采用高溫蒸汽滅菌處理(高溫蒸汽)。發(fā)酵罐和管道均采用高溫蒸汽殺菌處理(溫度為120～125 ℃，壓強(qiáng)為0.18～0.22 MPa，時(shí)間為35～45 min)。培養(yǎng)基溶液滅菌流程如下：先將培養(yǎng)基溶液加注在培養(yǎng)基制備罐中，通過輸送泵、流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥準(zhǔn)確地將設(shè)定量溶液輸送到消殺容器中，再往消殺容器中通蒸汽，并將罐內(nèi)溫度升高到115 ℃，持續(xù)30 min，培養(yǎng)基物質(zhì)細(xì)菌將被徹底消殺。培養(yǎng)基溶液消殺流程如圖7所示。消殺完成之后再將培養(yǎng)基輸送到發(fā)酵罐中。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用Developer8.8.6編寫，該軟件提供良好的PID控制算法，支持在線編程和監(jiān)控操作。人機(jī)交互操作界面采用昆侖通態(tài)MCGS TPC1651Hi版本型號(hào)觸摸屏。上位機(jī)采用組態(tài)王Kingview6.53，它可同時(shí)掛載多臺(tái)控制裝置。發(fā)酵過程的主流程如圖8所示。

在系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)酵流程之前，還需要做好3個(gè)準(zhǔn)備工作：分別是培養(yǎng)基配置及滅菌處理、管道罐體滅菌處理和菌種配置(完成時(shí)標(biāo)志位分別為A，B，C)，當(dāng)3個(gè)大條件均完成后，發(fā)酵正式開始。系統(tǒng)各參數(shù)控制有手動(dòng)和自動(dòng)2種控制方式，每個(gè)子程序入口均需要驗(yàn)證控制方式才能進(jìn)入不同流程。

青霉素發(fā)酵過程雖是間歇過程，即便是分為5個(gè)階段，但是各階段又是一個(gè)連續(xù)的過程。為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)青霉素發(fā)酵各個(gè)階段的在線監(jiān)控，還需要對(duì)發(fā)酵各個(gè)階段作出研判，便于判斷出當(dāng)前發(fā)酵過程各階段是否在正常范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)分析表明，在各階段中菌體對(duì)氧氣的消耗呈現(xiàn)一定的規(guī)律。具體表現(xiàn)為，調(diào)整期菌體：菌體在罐體內(nèi)適應(yīng)環(huán)境，這時(shí)對(duì)氧氣消耗快速增加；菌種增長期：氧氣消耗增大，溶氧度減少明顯，該時(shí)期電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，進(jìn)氣閥開度增大，溶氧經(jīng)過調(diào)整后企穩(wěn)回升，氧氣量相對(duì)比較穩(wěn)定；青霉素生產(chǎn)期：菌體濃度比較穩(wěn)定，活性最高，氧氣消耗再次增大；衰減期：菌體濃度降低、菌體活性降低，氧氣消耗減少，罐體中氧氣再次增多；菌體消溶期：菌體消亡，氧氣增多。利用上位機(jī)實(shí)時(shí)采集氧氣和溶氧度，利用氧氣含量和溶氧率的趨勢，可作為菌體生產(chǎn)階段的在線監(jiān)控指標(biāo)。圖9為分析菌體生長各階段菌體濃度曲線。利用移動(dòng)窗口觀測數(shù)據(jù)[14-15]，如圖10所示，進(jìn)一步的在線測試結(jié)果表明氧氣、溶氧消耗可以有效反映菌體各階段的生長情況。一旦在某個(gè)過程中出現(xiàn)故障，移動(dòng)窗口觀測數(shù)據(jù)將出現(xiàn)波動(dòng)，則表明此段發(fā)生了故障。

4 監(jiān)控層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了能實(shí)時(shí)顯示并記錄各測量參數(shù)，并記錄調(diào)節(jié)閥的開度、閥門開關(guān)狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置以及手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行情況和報(bào)警記錄。選用TPC1651Hi人機(jī)界面與PLC組成下位機(jī)，選用Kingview6.53作為上位機(jī)編程軟件。上位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括：用戶權(quán)限登錄，發(fā)酵罐流程動(dòng)畫界面，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集記錄與分析，歷史數(shù)據(jù)的保存(含導(dǎo)出Excel功能)，常用參數(shù)設(shè)置(被控量手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)以及參數(shù)值)，報(bào)警記錄界面和控制參數(shù)設(shè)定(測量零點(diǎn)斜率和PID參數(shù))。上位機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

發(fā)酵罐流程圖如圖12所示，包含了手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)、設(shè)定值/測量值、閥門開度、電磁閥狀態(tài)和管道流量動(dòng)畫都在該界面中實(shí)時(shí)顯示。

5 結(jié)束語

針對(duì)青霉素發(fā)酵的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一套青霉素發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用子程序控制回路分別測量和控制各被控量，再利用上位機(jī)將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、記錄并存檔，提高了發(fā)酵的生產(chǎn)效率。結(jié)合趨勢分析實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)間的窗口內(nèi)各參數(shù)的趨勢變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)菌體生長各階段的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行監(jiān)測。該控制裝置已經(jīng)在實(shí)際中得到應(yīng)用，使用效果較好。