淺談儀表在潔霉素發酵罐中的應用

淺談儀表在潔霉素發酵罐中的應用

黃文娟

(江西國藥有限責任公司)

摘要：儀表在潔霉素發酵罐中起到了在線實時監測和實現部分自動控制，使生產人員可以科學適時準確地添加有利于發酵培養的物質，從而使發酵罐的收率大大提高，對提高潔霉素的產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物，潔霉素的生產首先從菌種室選種，再到無菌室培養，再到小罐的一級種子培養和中罐的二級種子培養，繁殖到一定濃度和數量后接入大罐進行發酵培養，最后把發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天的發酵培養，這是潔霉素生產的最重要的一個環節。

以前對發酵罐只控制它的溫度和壓力，其他的要靠看罐人員的經驗補料補營養劑等進行培養?，F在我們通過一些智能化的儀表和計算機對發酵罐中對發酵培養起決定作用的一些重要參數進行實時在線監控，生產人員可以科學適時準確地添加有利于發酵培養的物質。

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

圖1　潔霉素發酵過程的反應系統

2下面對要監測的一些重要參數一一闡述

2.1　發酵液溫度T的檢測和自動控制

溫度是影響微生物生長發育及代謝活動的重要因素。溫度在發酵過程中要求較高，一般保持在30℃進行培養，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顯控制儀，數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，因為發酵時會產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，到了溫度數顯控制儀的高位報警斷電氣動薄膜閥自動關閉，該數顯控制儀帶PID調節功能，可根據被控對象自動演算出最佳PID控制參數，從而實現對發酵溫度的穩定控制(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據，兩套溫度顯示保證了罐溫控制萬無一失。

圖2　發酵罐溫度自動控制方框圖

2.2　發酵罐中空氣流量F的監測

在微生物深層培養中，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酵液中氧的濃度。我們選用了YYDG-40AⅢP0Z電磁流量計，它是根據法拉第電磁感應定律來測量管道內導電介質體積流量，該流量計在滿足現場監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網。

2.3　發酵液中溶氧Do的監測

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，通過調節消毒空氣的流量來控制溶解氧的濃度。我們選用了工業溶氧儀Do-200和Do-912氧電極進行監測，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-

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

2.4　發酵液體積的監測

對發酵罐補料控制的目的在于控制中間代謝，使發酵菌保持在半饑餓狀態，促使它大量地分泌和合成代謝產物，及時對發酵液中菌絲的變化，發酵液主要成份的含量進行調節控制，使發酵沿著有利于提高產量的方向發展。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酵液的體積。

2.5　發酵液pH值的監測

發酵液的pH值直接影響到菌體的生長繁殖和代謝產物的合成，發酵培養都需要有適合的酸堿度環境才能朝著期望的方向進行，生產上要把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，除現場監測顯示外還可直接輸出信號到計算機。計算機根據檢測出的數據進行模糊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物的合成。

發酵過程中pH值呈現明顯的時變性，這種時變導致pH值嚴重的非線性，同時在發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值在加氨調節時具有較大的時滯性。PID調節控制是工業生產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，比例環節的作用是成比例的反應控制系統的偏差信號e(t)，偏差一但產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。比例系數越大系統的響應越快，但太大系統會產生超調導致不穩定。積分環節的作用是消除靜差提高系統的無偏差。但它有滯后現象，使系統的響應變慢超調量變大并可能產生振蕩。微分環節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中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。當今的閉環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的響應從而進行調節控制。PID控制具有結構簡單、穩定性好、可靠性高等優點，但在控制非線性、時變及參數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字控制，模糊控制是依賴于人和專家的經驗進行控制，對時滯性、非線性和時變性的系統有良好的控制能力，但不具有積分環節，在變量分級不夠多的情況下，在平衡點附近常出現振蕩現象和穩態余差，對發酵過程中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變化的穩定性，而且可以對pH值實現高精度控制。模糊PID控制器設計的思想是先找出PID調節器的參數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，根據模糊控制規則的PID的三個參數進行在線調整，設計出模糊控制器；將PID調節器的三個參數Kp、KI、KD作為模糊控制器的輸出；最后根據調整后PID參數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，從而使發酵過程中的pH值得到穩定精確的控制。模糊PID控制克服了常規PID控制易產生振蕩和超調量的缺點，實現了系統調節時間短、超調量小、穩態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境及抗干擾能力和較高的可靠性。發酵罐的各個監測參數通過上述方法檢測到的(4～20)mA電流模擬信號經過數模轉換模塊ADAM4018+轉換為對應參數的數字信號，輸入模塊ADAM4018+是一種多功能高性能的智能化遠程數據采集模塊，是專為惡劣環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據采集與控制場合，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，不適應發酵罐現場的控制，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+數模轉換模塊把采集到的模擬信號轉換為數字信號再通過ADAM4520通訊轉換模塊傳輸到計算機進行控制運算，最后直觀地顯示出各參數的實時趨勢圖(如圖4)，實時趨勢圖具有直觀.精確.靈活等特點，該趨勢圖對發酵培養起到了實時監控的作用。同時還能在計算機上查找歷史趨勢圖和歷史數據，提供了一種利用歷史數據完整再現整個發酵過程的途徑。

圖4　被監測的各參數的實時趨勢圖

4成效

通過對潔霉素發酵罐中溫度、流量、溶氧、體積、pH值等重要參數的在線監測和實現部分自動控制，從而使得在發酵過程中可以根據檢測到的數據科學適時準確地進行補料(補充營養劑)和空氣等，現在60T發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，發酵罐的收率大大提高，對提高潔霉素的產量起到了重要的作用。

參考文獻

[1]于穎，張小慧.發酵類生物反應器參數在線監控技術，醫藥工程設計，2011年第32卷第2期.

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