浅谈仪表在洁霉素发酵罐中的应用

浅谈仪表在洁霉素发酵罐中的应用

黄文娟

(江西国药有限责任公司)

摘要：仪表在洁霉素发酵罐中起到了在线实时监测和实现部分自动控制，使生产人员可以科学适时准确地添加有利于发酵培养的物质，从而使发酵罐的收率大大提高，对提高洁霉素的产量起到了重要的作用。

关键词：温度流量溶氧体积pH值

1前言

洁霉素是微生物的次级代谢产物，洁霉素的生产首先从菌种室选种，再到无菌室培养，再到小罐的一级种子培养和中罐的二级种子培养，繁殖到一定浓度和数量后接入大罐进行发酵培养，最后把发酵液输送到洁霉素提炼车间进行提炼。其中，在大罐中要进行9天的发酵培养，这是洁霉素生产的最重要的一个环节。

以前对发酵罐只控制它的温度和压力，其他的要靠看罐人员的经验补料补营养剂等进行培养。现在我们通过一些智能化的仪表和计算机对发酵罐中对发酵培养起决定作用的一些重要参数进行实时在线监控，生产人员可以科学适时准确地添加有利于发酵培养的物质。

在洁霉素的发酵过程中我们通过控制发酵液的温度T、空气流量F、溶氧Do、体积V、pH值等(见图1)，使发酵液生长繁殖有一个良好的环境，从而提高得率。

图1　洁霉素发酵过程的反应系统

2下面对要监测的一些重要参数一一阐述

2.1　发酵液温度T的检测和自动控制

温度是影响微生物生长发育及代谢活动的重要因素。温度在发酵过程中要求较高，一般保持在30℃进行培养，我们选用了SWP-C804-01的PID显示控制仪、Pt100铂电阻和SWP-LCD-SSR多路无紙记录仪、Pt100铂电阻两套，通过Pt100铂电阻检测到信号输入数显控制仪，数显控制仪除显示温度外还通过高位报警输出信号控制二位三通电磁阀控制气动薄膜阀，因为发酵时会产生热量所以控制罐温时不需要加热只需要降温，当超温时数显控制仪的高位报警得电使电动阀吸合控制气动薄膜阀打开冷却水进入罐体夹套使罐温下降，到了温度数显控制仪的高位报警断电气动薄膜阀自动关闭，该数显控制仪带PID调节功能，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数，从而实现对发酵温度的稳定控制(见图2)。另一套多路无纸计录仪除显示温度还可查找历史数据，两套温度显示保证了罐温控制万无一失。

图2　发酵罐温度自动控制方框图

2.2　发酵罐中空气流量F的监测

在微生物深层培养中，为适应菌体代谢要求，需要通入无菌空气，空气流量的大小直接影响发酵液中氧的浓度。我们选用了YYDG-40AⅢP0Z电磁流量计，它是根据法拉第电磁感应定律来测量管道内导电介质体积流量，该流量计在满足现场监测显示的同时可输出标准直流电流信号(4～20)mA方便与计算机进行联网。

2.3　发酵液中溶氧Do的监测

溶解氧是好氧微生物生长所必需的。溶解氧浓度是限制菌体生长的关键因素之一，通过调节消毒空气的流量来控制溶解氧的浓度。我们选用了工业溶氧仪Do-200和Do-912氧电极进行监测，氧电极由铂阴极和银阳极构成，由电解液传导连接，外部被测发酵液中的氧透过透氧膜套扩散到电解质溶液中：

阳极反应：O2+2H2O+4e-→4OH-

阴极反应：4Ag+4cl-→4Agcl+4e-

这些化学反应产生的电流大小与发酵液中的氧分压成线性关系从而测出含氧量。生产人员根据检测出的溶氧值可以及时准确地加减空气。

2.4　发酵液体积的监测

对发酵罐补料控制的目的在于控制中间代谢，使发酵菌保持在半饥饿状态，促使它大量地分泌和合成代谢产物，及时对发酵液中菌丝的变化，发酵液主要成份的含量进行调节控制，使发酵沿着有利于提高产量的方向发展。我们选用了WJ-5151智能电容式变送器，变送器的核心是一个电容式压力传感器，过程压力通过隔离膜片和灌充液传递到“δ”室中心的传感膜片，基准压力以同样的方式传递到传感膜片的另一侧，传感膜片的位移与差压成正比，通过差压可测量出液位，因为其压力由液位的高低和液体比重所决定。在靠近罐底部位开一取压口，刚好使取压口的上面罐体是圆柱体的，这样罐内发酵液的体积与液位的高度成正比，利用这个通过计算机来运算出发酵液的体积。

2.5　发酵液pH值的监测

发酵液的pH值直接影响到菌体的生长繁殖和代谢产物的合成，发酵培养都需要有适合的酸碱度环境才能朝着期望的方向进行，生产上要把pH值控制在6.5～6.8之间，才能使其适合洁霉素菌体的生长和产物的合成。我们选用了G312T高温灭菌pH复合电极和PH310输入输出二线式隔离变送器，除现场监测显示外还可直接输出信号到计算机。计算机根据检测出的数据进行模糊PID运算控制蠕动泵，pH值偏低要通氨水，偏高要加硫酸铵，使其更适合洁霉素菌体的生长和代谢产物的合成。

发酵过程中pH值呈现明显的时变性，这种时变导致pH值严重的非线性，同时在发酵过程中由于影响因素太多导致测量结果几乎不可重复，存在不确定性，pH值在加氨调节时具有较大的时滞性。PID调节控制是工业生产中最常用的一种控制方式，PID控制又称为比例-积分-微分控制，比例环节的作用是成比例的反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一但产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例系数越大系统的响应越快，但太大系统会产生超调导致不稳定。积分环节的作用是消除静差提高系统的无偏差。但它有滞后现象，使系统的响应变慢超调量变大并可能产生振荡。微分环节的作用是反应偏差信号的变化趋势，能及时控制并能在偏差信号太大之前在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。当今的闭环自动控制都是基于反馈的概念，将被控制量的实际值与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应从而进行调节控制。PID控制具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点，但在控制非线性、时变及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得不太好，不能控制复杂过程。而在实际洁霉素发酵过程的pH值控制中存在时变性、非线性与模型不确定性，此时PID不能很好地控制，我们就采用了模糊PID控制方法。模糊控制是模糊集合理论应用中的一个重要方面，是以模糊集合化、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，模糊控制是依赖于人和专家的经验进行控制，对时滞性、非线性和时变性的系统有良好的控制能力，但不具有积分环节，在变量分级不够多的情况下，在平衡点附近常出现振荡现象和稳态余差，对发酵过程中pH值的控制我们把模糊控制和PID控制结合起来，这样不仅具有较快的响应速度和抗参数变化的稳定性，而且可以对pH值实现高精度控制。模糊PID控制器设计的思想是先找出PID调节器的参数Kp、KI、KD与误差e和误差变化率之间的模糊关系，并将它们作为控制器的输入，根据模糊控制规则的PID的三个参数进行在线调整，设计出模糊控制器；将PID调节器的三个参数Kp、KI、KD作为模糊控制器的输出；最后根据调整后PID参数Kp、KI、KD重新带入PID运算公式进行运算，计算结果即为模糊控制器的最终输出，从而使发酵过程中的pH值得到稳定精确的控制。模糊PID控制克服了常规PID控制易产生振荡和超调量的缺点，实现了系统调节时间短、超调量小、稳态误差小的理想性能指标。模糊PID控制具体控制原理图如图3。

图3　模糊PID控制原理图

3检测到的温度、流量、溶氧、体积、pH值输送到控制室的计算机进行实时监控

我们选用的计算机是研华IPC-610的专用机，该机具有较强的抗恶劣环境及抗干扰能力和较高的可靠性。发酵罐的各个监测参数通过上述方法检测到的(4～20)mA电流模拟信号经过数模转换模块ADAM4018+转换为对应参数的数字信号，输入模块ADAM4018+是一种多功能高性能的智能化远程数据采集模块，是专为恶劣环境下可靠工作而专门设计的紧凑型智能化的计算机接口单元，特别适用于采集及控制点分散、与主机距离较远的数据采集与控制场合，ADAM4018+能同时采集多路模拟信号，并将它们转化成数字信号，然后通过RS-485总线传送给计算机。因为标准计算机的配置只提供RS-232C通讯接口，而RS-232C只能进行点对点的通讯且传输距离短，不适应发酵罐现场的控制，因此必须将其转换，我们选用了ADAM4520模块，该模块是RS232C-RS485转换模块。由ADAM4018+数模转换模块把采集到的模拟信号转换为数字信号再通过ADAM4520通讯转换模块传输到计算机进行控制运算，最后直观地显示出各参数的实时趋势图(如图4)，实时趋势图具有直观.精确.灵活等特点，该趋势图对发酵培养起到了实时监控的作用。同时还能在计算机上查找历史趋势图和历史数据，提供了一种利用历史数据完整再现整个发酵过程的途径。

图4　被监测的各参数的实时趋势图

4成效

通过对洁霉素发酵罐中温度、流量、溶氧、体积、pH值等重要参数的在线监测和实现部分自动控制，从而使得在发酵过程中可以根据检测到的数据科学适时准确地进行补料(补充营养剂)和空气等，现在60T发酵罐平均放罐单位从3000γ/ml左右增加到6000γ/ml左右，单罐的总亿也从300左右增加到350左右，发酵罐的收率大大提高，对提高洁霉素的产量起到了重要的作用。

参考文献

[1]于颖，张小慧.发酵类生物反应器参数在线监控技术，医药工程设计，2011年第32卷第2期.

[2]向术利，周海燕，洪厚胜.智能模糊自调整PID控制器在发酵过程PH值控制中的应用，河北科技大学学报，2008(3).