1、概述
隨著有關學科的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的改進，人們對微生物的利用本領越來越高。以微生物為原料進行生產(chǎn)的新產(chǎn)品如雨后春筍，層出不窮,比如：微生物發(fā)酵制藥。微生物發(fā)酵過程是個極其復雜的生化反應過程，對于發(fā)酵罐的操作，以前人們是憑借實踐經(jīng)驗來進行的，由于缺乏發(fā)酵過程參數(shù)的測量監(jiān)視和控制系統(tǒng)，使得發(fā)酵產(chǎn)品成本高、操作費用大、產(chǎn)品在國際市場上缺乏競爭力，為此，迫切需要對發(fā)酵罐實行優(yōu)化操作和控制。
杭州優(yōu)穩(wěn)UW500集散控制系統(tǒng)在自動化領域已有廣泛應用，利用UW500集散控制系統(tǒng)對發(fā)酵過程進行監(jiān)控，能大幅度提高發(fā)酵品產(chǎn)量。
2、工藝簡介
一般的耗氧型發(fā)酵罐系統(tǒng)如圖1所示，測量的參數(shù)可以分為物理參數(shù)、化學參數(shù)以及生物參數(shù)。
圖1 發(fā)酵罐檢測參數(shù)圖
1、發(fā)酵過程物理參數(shù)
通常有發(fā)酵罐溫度、發(fā)酵罐壓力、發(fā)酵液體積、空氣流量、冷卻水進出口溫度和流量攪拌馬達轉(zhuǎn)速、攪拌馬達電流、泡沫高度等，這些物理參數(shù)根據(jù)不同種類的發(fā)酵要求，都可以選擇性的選取有關測量儀表來實現(xiàn)自動測量。
2、發(fā)酵過程化學參數(shù)
發(fā)酵過程典型的化學參數(shù)有pH值和溶解氧濃度，這兩個參數(shù)對于微生物的生長，代謝產(chǎn)物的形成極為重要。
3、發(fā)酵過程生物參數(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速率、底物消耗速率和產(chǎn)物形成速率等。
3、控制策略
隨著生物工業(yè)技術的迅速發(fā)展，其生產(chǎn)設備和規(guī)模不斷擴大，生產(chǎn)過程的強化，對自動控制技術的要求越來越迫切，對生化過程實行優(yōu)化控制，可穩(wěn)定生產(chǎn)，提高得率，降低消耗，增加效益。
1、發(fā)酵罐溫度常規(guī)控制
對于特定的微生物，它都有一個最適宜的生長溫度。因此，微生物發(fā)酵過程發(fā)酵溫度的控制是一個很重要的微生物生長環(huán)境參數(shù)，必須嚴格的加以控制。影響發(fā)酵溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、電機攪拌熱、冷卻水本身的溫度。
對于小型的發(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)為副回路的串級控制或前饋-反饋控制方案。
2、發(fā)酵罐壓力常規(guī)控制
發(fā)酵罐操作壓力的變化，將會引起氧在發(fā)酵液中的分壓改變，也就是說影響著溶解氧濃度的變化。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)酵罐的壓力是通過調(diào)節(jié)排出氣體的量來控制。
3、發(fā)酵過程中的pH值控制
pH是微生物生長的另一個重要環(huán)境參數(shù)。在發(fā)酵過程中，必須嚴格加以控制，否則會嚴重影響微生物代謝的進行和代謝產(chǎn)物的合成。在工業(yè)生產(chǎn)上，若發(fā)酵液pH值偏低、氨氮也偏低的時候，則通過加氨水等方法使其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，可適當增加糖的補加量來調(diào)整。一般沒有其它的控制手段。因此在pH值控制中必須嚴格控制好調(diào)整液的加入量，絕對不能過量。如圖2所示，pH值的控制常由pH測量電極和變送器、pH控制器、空氣開關和氣動
開關閥組成。
圖2 PH值控制
4、發(fā)酵過程中的溶解氧濃度控制
在耗氧型發(fā)酵過程中，氧是作為微生物生長必須的原料，若供氧不足，將會抑制微生物的生長和代謝的進行。為此在發(fā)酵過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、攪拌器轉(zhuǎn)速和發(fā)酵罐的壓力。
圖3 串級控制回路
這里采用了一個串級控制回路，在保證對通入蒸汽量的調(diào)節(jié)滿足溶解氧濃度要求的同時，及時消除了壓力波動的影響。如果溶解氧濃度的調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)攪拌機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，情況類似。如前所述，發(fā)酵罐內(nèi)壓力的波動對溶解氧濃度有影響，因此，在通過調(diào)節(jié)通入的空氣流量來實現(xiàn)溶解氧濃度控制時，需要考慮這種影響。如果在發(fā)酵罐壓力有自動控制的情況下則認為發(fā)酵罐壓力恒定不變。目前，國內(nèi)發(fā)酵罐攪拌器轉(zhuǎn)速一般是恒定不變的，所以只要通過調(diào)節(jié)供給的空氣量來控制溶解氧濃度。當然，也有同時對發(fā)酵罐轉(zhuǎn)速和供應的空氣量進行綜合調(diào)節(jié)的做法。
5、發(fā)酵過程中的消泡控制
在發(fā)酵前期，微生物生長旺盛時期，加入料液滿載，攪拌馬達全速開動，空氣通入量達到最大。這時候，發(fā)酵液上浮得很厲害，稍有不慎，就可能會產(chǎn)生逃液現(xiàn)象。此時，必須即時加入消泡劑，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，當發(fā)酵液液面達到一定的高度時，自動打開消泡劑的閥門，當液面降回到正常時，自動關閉消泡劑閥門。
6、發(fā)酵過程中的補料控制
在半連續(xù)發(fā)酵過程中，隨著發(fā)酵的進行，微生物生長狀態(tài)和生物代謝狀況，中間要繼續(xù)不斷補充營養(yǎng)物質(zhì)，使微生物沿著最優(yōu)的生長軌跡生長，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法在線測量，使得這一補料極為困難，一般的發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)過程是根據(jù)實驗室大量的試驗研究結(jié)果得出的補料曲線來指導工業(yè)生產(chǎn)的補料，發(fā)酵工藝技術人員根據(jù)離線的化驗室化驗的數(shù)據(jù)，適當修正補料速率，這種方法對于有大量實踐經(jīng)驗的人來說可能會做出好的判斷決策，但往往不盡如人意，不能確保發(fā)酵過程沿著最優(yōu)的曲線進行，不能獲得最好的代謝產(chǎn)物。針對這種發(fā)酵過程的復雜性和信息的缺乏，發(fā)酵工藝技術人員與自動控制人員一起共同研究，試圖尋找出更好的補料方法和策略。例如，基于出口氣體二氧化碳的釋放率來控制補料速率、用化學元素的平衡方法來調(diào)整補糖量、用控制呼吸商的方法來控制補料等。
4、控制工程
在發(fā)酵生產(chǎn)過程中，對溫度、pH、溶解氧等進行實時監(jiān)控是重點，杭州優(yōu)穩(wěn)UW500集散控制系統(tǒng)經(jīng)過不斷的研究分析、開發(fā)創(chuàng)新，已經(jīng)在擁有廣泛應用，能夠完成勝任這一要求，為發(fā)酵生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)的自動化控制。
圖4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖5發(fā)酵罐
5、小結(jié)
本工程自從用UW500集散控制系統(tǒng)投運以來，運行平穩(wěn)，效果顯著，操作平穩(wěn)率，單罐產(chǎn)量，產(chǎn)品質(zhì)量等都大大提高；工人勞動強度，原料消耗等都有大幅度降低，同時也確保了裝置的平穩(wěn)安全運行。直接提高了企業(yè)的市場競爭能力，為企業(yè)帶來了十分明顯的經(jīng)濟效益。此項目成功的投產(chǎn)表明UW500集散控制系統(tǒng)擁有優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)定性、可靠性。
