解決方案生物發(fā)酵過(guò)程解決方案_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、生物發(fā)酵過(guò)程解決方案引言:發(fā)酵過(guò)程是一種既古老又年輕的生化過(guò)程。早在幾千年前人們就已經(jīng)在食品生產(chǎn)方面利用酵母對(duì)淀粉進(jìn)行發(fā)酵以獲得含有乙醇的飲料,這一生產(chǎn)過(guò)程一直延續(xù)至今,它就是人們所熟知的制酒工業(yè)的核心釀造工業(yè)。利用微生物生長(zhǎng)過(guò)程中的二次代謝作用以制取醫(yī)藥工業(yè)中的抗生素則是人類(lèi)運(yùn)用生化技術(shù)的一大創(chuàng)造。工業(yè)生產(chǎn)時(shí)這一新陳代謝過(guò)程在發(fā)酵罐內(nèi)完成。深入研究發(fā)酵過(guò)程將為生化反應(yīng)發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)、操作和控制奠定基礎(chǔ)。因此,它是提高生化工程水平的重要內(nèi)容之一;生化反應(yīng)是生化技術(shù)中的難點(diǎn)所在,在研究和實(shí)際應(yīng)用時(shí)既需要微生物技術(shù)也需要借用化工技術(shù)以及融匯近代測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)于一體。微生物發(fā)酵過(guò)程是個(gè)

2、極其復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程,對(duì)于發(fā)酵罐的操作,以前人們是憑借實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的,由于缺乏發(fā)酵過(guò)程參數(shù)的測(cè)量監(jiān)視和控制系統(tǒng),使得發(fā)酵產(chǎn)品成本高、操作費(fèi)用大、產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。為此,需要對(duì)發(fā)酵罐實(shí)行優(yōu)化操作和控制。一、發(fā)酵過(guò)程中的工藝及其特點(diǎn)一般的耗氧型發(fā)酵罐系統(tǒng)如下圖所示,其中要測(cè)量的參數(shù)可以分為物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)以及生物參數(shù)。X,S,PCT,P,PH,DO,VM營(yíng)養(yǎng)物消泡空氣 FACO2,O2%T2FW,T1RMP發(fā)酵過(guò)程物理參數(shù):通常有發(fā)酵罐溫度(T)、發(fā)酵罐壓力(P)、發(fā)酵液體積(V)、空氣流量(FA)、冷卻水進(jìn)出口溫度(T1和T2)、攪拌馬達(dá)轉(zhuǎn)速(RMP)、攪拌馬達(dá)電流(I)、泡沫高

3、度(H)等,這些物理參數(shù)根據(jù)不同種類(lèi)的發(fā)酵要求,都可以選擇性的選取有關(guān)測(cè)量?jī)x表來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。發(fā)酵過(guò)程化學(xué)參數(shù):發(fā)酵過(guò)程典型的化學(xué)參數(shù)有PH值(PH)和溶解氧濃度(DO),這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于微生物的生長(zhǎng),代謝產(chǎn)物的形成極為重要。過(guò)于由于缺乏耐消毒的能進(jìn)行無(wú)菌操作的PH電極和溶解氧電極,使得無(wú)法做到實(shí)時(shí)的在線測(cè)量。而現(xiàn)在已有成熟的PH和溶解氧測(cè)量電極,典型的產(chǎn)品如瑞士的Ingold電極等。發(fā)酵過(guò)程生物參數(shù):生物參數(shù)通常包括生物質(zhì)呼吸代謝參數(shù)、生物質(zhì)濃度、代謝產(chǎn)物濃度、底物濃度以及生物比生長(zhǎng)速率、底物消耗速率和產(chǎn)物形成速率等。關(guān)于生物參數(shù),無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)時(shí)在線的測(cè)量?jī)x表都還很少。正

4、是由于這些原因,使得微生物發(fā)酵過(guò)程的控制比一般的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程難度更大。呼吸代謝參數(shù)的測(cè)量:微生物呼吸代謝參數(shù)通常有三個(gè),即微生物的氧利用速率(OUR),二氧化碳釋放速率(CER)和呼吸商(RQ)。這三個(gè)參數(shù)的測(cè)量,可以給予發(fā)酵罐系統(tǒng)氣相平衡計(jì)算出來(lái)。要測(cè)量呼吸代謝參數(shù),必須測(cè)量除發(fā)酵液體積、空氣流量,排出氣體氧含量和二氧化碳的含量。假設(shè)流出發(fā)酵罐的氣體流量與空氣流入量相等,空氣中氧含量為21,二氧化碳的濃度為零,測(cè)量到派出氣體的氧濃度為O2出,二氧化碳的濃度為CO2出。l 微生物發(fā)酵熱的測(cè)量:微生物發(fā)酵熱從某種意義上說(shuō)間接地反應(yīng)了微生物生長(zhǎng)過(guò)程的細(xì)胞濃度和生長(zhǎng)速率。因此,通過(guò)測(cè)量發(fā)酵熱,就可以

5、了解微生物生長(zhǎng)狀態(tài)。這樣只要測(cè)量出冷卻水流量和它的進(jìn)出口溫度就可以粗略地知道發(fā)酵熱的變化。l 生物質(zhì)底物和產(chǎn)物濃度的測(cè)量:就目前來(lái)看,還沒(méi)有可在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)用的這些參數(shù)的測(cè)量?jī)x器。在實(shí)驗(yàn)室中,已有用質(zhì)譜儀和核磁共震分析儀來(lái)測(cè)量發(fā)酵液中各種物質(zhì)的濃度。利用生物傳感器來(lái)測(cè)量生物質(zhì)濃度、底物和產(chǎn)物濃度在成為研究熱點(diǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)中這些參數(shù)的測(cè)量大都基于取出發(fā)酵液樣品到實(shí)驗(yàn)室采用化學(xué)分析方法和借用如HPLC儀器來(lái)分析,由于分析一個(gè)樣品要用很長(zhǎng)時(shí)間,這對(duì)于實(shí)時(shí)控制來(lái)說(shuō)就很難通過(guò)這樣的方法來(lái)利用這些數(shù)據(jù)。二、發(fā)酵過(guò)程的控制隨著生物工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展,其生產(chǎn)設(shè)備和規(guī)模不斷擴(kuò)大,生產(chǎn)過(guò)程的強(qiáng)化,對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)的要

6、求越來(lái)越迫切,對(duì)生化過(guò)程實(shí)行優(yōu)化控制,可穩(wěn)定生產(chǎn),提高得率,降低消耗,增加效益。然而,微生物發(fā)酵過(guò)程,不同于一般的過(guò)程工業(yè),由于它涉及生命體的生長(zhǎng)繁殖過(guò)程,機(jī)理十分復(fù)雜,至今還有許多發(fā)酵過(guò)程信息無(wú)法測(cè)量,這給發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制帶來(lái)極大的困難。影響發(fā)酵過(guò)程的兩個(gè)主要因素是發(fā)酵培養(yǎng)基和發(fā)酵條件,在培養(yǎng)基配方基本固定的情況下,發(fā)酵條件是影響過(guò)程代謝變化的主要方面。根據(jù)那些反映發(fā)酵條件和代謝變化的參數(shù),參照代謝變化規(guī)律來(lái)控制以下發(fā)酵條件,盡可能縮短菌體生長(zhǎng)期,延長(zhǎng)產(chǎn)物合成期,使菌體生長(zhǎng)既迅速而又不易衰老,并保持產(chǎn)物的最大生產(chǎn)速率,從而達(dá)到提高最終產(chǎn)物產(chǎn)量目的。上圖為:以常規(guī)控制為主的發(fā)酵罐自控工藝圖2.

7、1發(fā)酵罐溫度常規(guī)控制對(duì)于特定的微生物,它都有一個(gè)最適宜的生長(zhǎng)溫度。如果從生物酶動(dòng)力學(xué)方面來(lái)考慮,酶的最佳活力對(duì)應(yīng)著一最好的溫度。因此,微生物發(fā)酵過(guò)程發(fā)酵溫度的控制是一個(gè)很重要的微生物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù),必須嚴(yán)格的加以控制。影響發(fā)酵溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、電機(jī)攪拌熱、冷卻水本身的溫度。對(duì)于小型的發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)是以發(fā)酵罐溫度為被控參數(shù),冷卻水流量為控制參數(shù)的單回路控制方案,對(duì)于大型的發(fā)酵罐系統(tǒng),則采用發(fā)酵罐溫度為主回路,以冷卻水系統(tǒng)為副回路的串級(jí)控制或前饋-反饋控制方案。(一)單回路PID控制在進(jìn)水溫度比較穩(wěn)定的情況下,發(fā)酵反應(yīng)罐的溫度常采用單回路的PID控制。在實(shí)際過(guò)程中工業(yè)發(fā)酵過(guò)程溫度控制

8、,由于冷卻水(或溫水)溫度地變化,將會(huì)影響發(fā)酵溫度控制品質(zhì),這個(gè)影響作用過(guò)程是先使夾套溫度變化,然后使發(fā)酵罐的溫度變化,只有這時(shí),控制器才感受到溫差的出現(xiàn),從而驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥。很明顯,從干擾開(kāi)始到調(diào)節(jié)閥動(dòng)作,要經(jīng)過(guò)較大的滯后,要克服這些滯后作用,可以采用串級(jí)調(diào)節(jié)。(二)串級(jí)控制將T1、T2測(cè)量出來(lái)的信號(hào)組成一個(gè)控制系統(tǒng),將TC1的輸出作為T(mén)C2控制器的給定值,便組成一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)。與單回路控制相比,串級(jí)控制有以下特點(diǎn):(1)當(dāng)由于一些外界的原因,夾套溫度發(fā)生波動(dòng)時(shí),TC2的作用將使這種波動(dòng)在還未影響到T1時(shí)就被提前克服,故有利于保證T1的控制品質(zhì)。并可顯著改善發(fā)酵罐的控制特性,使等效對(duì)象滯后減小

9、。(2)可兼顧兩個(gè)參數(shù),實(shí)現(xiàn)“均勻控制:當(dāng)主控制器TC1的比例度選得較寬時(shí),其輸出變化較小。由于它是作為副控制器TC2的給定值,因此使得副參數(shù)變化也較小,比較平穩(wěn),這樣就可以使主副兩個(gè)參數(shù)都能保持在一定范圍內(nèi)平緩波動(dòng),以滿足工藝過(guò)程的要求。(3)可消除調(diào)節(jié)閥等非線性特性的影響:由于調(diào)節(jié)閥和一部分對(duì)象(副控制對(duì)象)被包含于副回路之內(nèi),調(diào)節(jié)閥的非線性影響在副環(huán)中便被消除。(三)前饋-反饋控制將冷卻水溫度這一擾動(dòng)信號(hào)于TC1控制器的輸出信號(hào)一起作用于調(diào)節(jié)閥,便形成前饋-反饋控制,這樣,對(duì)于冷卻水溫度的變化這一干擾便能快速的作用于調(diào)節(jié)閥門(mén),使調(diào)節(jié)閥也作相應(yīng)的調(diào)整從而及時(shí)消除這一干擾。但需要注意的是前饋

10、補(bǔ)償器需要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型作為基礎(chǔ)。2.2發(fā)酵罐壓力常規(guī)控制發(fā)酵罐操作壓力的變化,將會(huì)引起氧在發(fā)酵液中的分壓改變,也就是說(shuō)影響著溶解氧濃度的變化。另外,為了使發(fā)酵物不被細(xì)菌感染,需要對(duì)通入的壓縮氣體進(jìn)行過(guò)濾消毒,并保證發(fā)酵罐內(nèi)呈現(xiàn)正壓,以免外部未經(jīng)處理的空氣等的進(jìn)入。影響發(fā)酵罐的壓力主要是供給的消毒空氣的壓力變化,通??刂瓢l(fā)酵罐的壓力是通過(guò)調(diào)節(jié)排出氣體的量來(lái)控制。一般采用單回路控制即可,對(duì)于發(fā)酵罐內(nèi)壓力變化對(duì)溶解氧濃度的影響,則由溶解氧濃度調(diào)節(jié)回路來(lái)處理,當(dāng)然,溶解氧濃度的調(diào)節(jié)將考慮罐內(nèi)壓力對(duì)其的影響。2.3發(fā)酵過(guò)程中的PH值控制PH是微生物生長(zhǎng)的另一個(gè)重要環(huán)境參數(shù)。在發(fā)酵過(guò)程中,必須嚴(yán)格加以

11、控制,否則會(huì)嚴(yán)重影響微生物代謝的進(jìn)行和代謝產(chǎn)物的合成。在工業(yè)生產(chǎn)上,若發(fā)酵液PH值偏低、氨氮也偏低的時(shí)候,則通過(guò)加氨水等方法使其PH值回升;如果PH值偏高而氨氮偏低,可以補(bǔ)入硫酸銨或氯化銨;若PH值和氨氮都偏高,在發(fā)酵前期,可適當(dāng)增加糖的補(bǔ)加量來(lái)調(diào)整。一般沒(méi)有其它的控制手段。因此在PH值控制中必須嚴(yán)格控制好調(diào)整液的加入量,絕對(duì)不能過(guò)量。如下圖所示,PH值的控制常由PH測(cè)量電極和變送器、PH控制器、空氣開(kāi)關(guān)和氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥組成。氨水可以通過(guò)噴淋頭加入發(fā)酵罐,當(dāng)然最好是通過(guò)空氣管道與空氣一起送入發(fā)酵罐,這樣便使氨水充分散發(fā)于發(fā)酵液中,不會(huì)造成局部區(qū)域的PH值的偏高或偏低。為避免一般調(diào)節(jié)閥有泄漏量的缺陷

12、,在PH控制中,所使用的閥門(mén)常用開(kāi)關(guān)閥??刂破鞲鶕?jù)PH偏差信號(hào)計(jì)算出開(kāi)關(guān)閥門(mén)開(kāi)關(guān)周期和開(kāi)與關(guān)的時(shí)間長(zhǎng)短,來(lái)控制加入調(diào)整液(如氨水)的量,從而達(dá)到控制PH值的目的。當(dāng)然,由于PH值的嚴(yán)重非線性特性,使得控制器在PH值為7(中性點(diǎn))附近和遠(yuǎn)離中性點(diǎn)的控制方法和整定參數(shù)不盡相同。因此這里的控制器是綜合考慮PH值的非線性特性和閥門(mén)調(diào)節(jié)特性的的復(fù)雜的控制器,簡(jiǎn)單的PID調(diào)節(jié)器是不能完成要求的。另外,與開(kāi)關(guān)閥門(mén)相對(duì)應(yīng),控制器的輸出也為開(kāi)關(guān)信號(hào)。在PH值的控制過(guò)程中,首先要在控制方法上確保閥門(mén)動(dòng)作的頻率在可接受的范圍內(nèi)盡可能的小,以盡可能的延長(zhǎng)閥門(mén)的使用壽命。另一方面,閥門(mén)在整個(gè)調(diào)節(jié)控制回路中是最易出故障的

13、環(huán)節(jié)是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí),當(dāng)閥門(mén)出現(xiàn)故障時(shí),有可能將氨水直接泄漏到發(fā)酵罐中,因此,嚴(yán)格而獨(dú)立并具有冗余配置的PH值報(bào)警系統(tǒng)是必須的,最好有一個(gè)緊急事件處理系統(tǒng)。2.4發(fā)酵過(guò)程中的溶解氧濃度控制在耗氧型發(fā)酵過(guò)程中,氧是作為微生物生長(zhǎng)必須的原料,若供氧不足,將會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)和代謝的進(jìn)行。為此在發(fā)酵過(guò)程中要保持一定的溶解氧濃度。影響溶解氧濃度的主要因素有供給的空氣量、攪拌槳轉(zhuǎn)速和發(fā)酵罐的壓力。如果在發(fā)酵罐壓力有自動(dòng)控制的情況下則認(rèn)為發(fā)酵罐壓力恒定不變。目前,國(guó)內(nèi)發(fā)酵罐攪拌槳轉(zhuǎn)速一般是恒定不變的,所以只要通過(guò)調(diào)節(jié)供給的空氣量來(lái)控制溶解氧濃度。當(dāng)然,也有同時(shí)對(duì)發(fā)酵罐轉(zhuǎn)速和供應(yīng)的空氣量進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)的做法。

14、如前所述,發(fā)酵罐內(nèi)壓力的波動(dòng)對(duì)溶解氧濃度有影響,因此,在通過(guò)調(diào)節(jié)通入的空氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)溶解氧濃度控制時(shí),需要考慮這種影響。其控制原理圖如下所示:這里采用了一個(gè)串級(jí)控制回路,在保證對(duì)通入蒸汽量的調(diào)節(jié)滿足溶解氧濃度要求的同時(shí),及時(shí)消除了壓力波動(dòng)的影響。如果溶解氧濃度的調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn),情況類(lèi)似。2.5發(fā)酵過(guò)程中的消泡控制在發(fā)酵前期,微生物生長(zhǎng)旺盛時(shí)期,加入料液滿載,攪拌馬達(dá)全速開(kāi)動(dòng),空氣通入量達(dá)到最大。這時(shí)候,發(fā)酵液上浮得很厲害,稍有不慎,就可能會(huì)產(chǎn)生逃液現(xiàn)象。此時(shí),必須即使加入消泡劑,以減少泡沫,防止發(fā)酵液上浮。消泡控制通常采用雙位式的控制方法,當(dāng)發(fā)酵液液面達(dá)到一定的高度時(shí),自動(dòng)打開(kāi)

15、消泡劑的閥門(mén),當(dāng)液面降回到正常時(shí),自動(dòng)關(guān)閉消泡劑閥門(mén)。2.6發(fā)酵過(guò)程中的補(bǔ)料控制在半連續(xù)發(fā)酵過(guò)程中,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,微生物生長(zhǎng)狀態(tài)和生物代謝狀況,中間要繼續(xù)不斷補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),使微生物沿著最優(yōu)的生長(zhǎng)軌跡生長(zhǎng),以獲得高產(chǎn)的微生物代謝產(chǎn)物。由于微生物和代謝狀況無(wú)法在線測(cè)量,使得這一補(bǔ)料極為困難,一般的發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室大量的試驗(yàn)研究結(jié)果得出的補(bǔ)料曲線來(lái)指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)的補(bǔ)料,發(fā)酵工藝技術(shù)人員根據(jù)離線的化驗(yàn)室化驗(yàn)的數(shù)據(jù),適當(dāng)修正補(bǔ)料速率,這種方法對(duì)于有大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)可能會(huì)做出好的判斷決策,但往往不盡如人意,不能確保發(fā)酵過(guò)程沿著最優(yōu)的曲線進(jìn)行,不能獲得最好的代謝產(chǎn)物。針對(duì)這種發(fā)酵過(guò)程的復(fù)雜性

16、和信息的缺乏,發(fā)酵工藝技術(shù)人員與自動(dòng)控制人員一起共同研究,試圖尋找出更好的補(bǔ)料方法和策略。例如,基于出口氣體二氧化碳的釋放率來(lái)控制補(bǔ)料速率、用化學(xué)元素的平衡方法來(lái)調(diào)整補(bǔ)糖量、用控制呼吸商的方法來(lái)控制補(bǔ)料等等。三、系統(tǒng)配置針對(duì)生物發(fā)酵過(guò)程的具體特點(diǎn),選用了SunyTDCS9200集散控制系統(tǒng)進(jìn)行配置。糖化車(chē)間、發(fā)酵車(chē)間、制藥車(chē)間各設(shè)置一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站配操作面板,中央控制室內(nèi)配置操作員站三臺(tái),工程師站一臺(tái),打字機(jī)兩臺(tái),其中:控制站:負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理及完成控制功能,并通過(guò)高速、可靠而開(kāi)放的冗余系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)與操作站相連,能夠?qū)崿F(xiàn)與其他集散型控制系統(tǒng)、上層信息管理系統(tǒng)的無(wú)源連接。操作站/工程師站:采用DELL計(jì)算機(jī)配置,裝有Windows 2000 Professional操作系統(tǒng)和先進(jìn)的組態(tài)軟件SunyTech7.0

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