基于SWP-FJC控制的新霉素发酵补料系统的构建

童 冰，邱小明

发酵行业废水是重要的污染源，在我国发酵行业的排污量占工业排放总COD量的30%以上。抗生素发酵生产废水排放量大，COD含量高，废水中所含的多种残留抗生素抑菌性强[1]，因此，抗生素生产废水极难处理。对抗生素生产废水进行末端处理已成为环保工作的重大包袱[2]。目前，国内企业生产新霉素的发酵水平（120h周期）约10 000u/mL，提取率约85%；国外新霉素的发酵水平（120h周期）可达13 000u/mL，提取率达90%左右。这表明，国内新霉素的生产与国际水平还具一定的差距，国内外新霉素发酵水平的差异表现在对发酵过程控制水平和过程优化策略[3]。采用计算机进行微生物药物生产过程的模式识别和过程优化已成必要手段。随着生化工程技术的发展，人们对控制系统要求也越来越高：例如考虑怎样控制温度、pH、通气速率等微生物培养的环境条件而获得相应的最佳操作条件等一系列优化问题，许多专家学者通过补料工艺、通气条件优化研究、添加前体物质工艺以及改变菌龄、温度、pH等方法优化了各种发酵培养进行了优化[4]。近年来张嗣良等提出了多尺度微生物过程优化，强调以细胞代谢流分析与控制为核心的多尺度研究方法对鸟苷酸等发酵过程进行了研究取得了许多成果[5]。石贤爱等[6]通过构建模糊PID控制系统，应用于工业发酵罐中供氧速率控制，实现对溶氧浓度的优化节能控制，达到了节能降耗目的。

本研究以新霉素发酵过程微生物代谢特性的变化规律为依据，构建SWP-FJC专家系统，实现对发酵过程的优化控制，达到提高产量和节能的目标。本控制系统采用工业控制计算机为上位机，具有实时数据采集、图表集成和控制参数给定等多项功能。该系统能够根据不同阶段新霉素的代谢需求进行科学合理的补料，该研究未见报道。该系统能用于指导新霉素发酵过程的优化控制以及对其他微生物发酵过程补料策略的优化控制具有重要意义，为传统发酵行业的清洁生产提供了有价值的参考依据。

1 控制系统组成方案

本系统对2个10 m3发酵罐进行监测和控制，检测项目为溶氧浓度和罐温；控制项目为补糖速率、补硫酸铵速率和pH值。现分述如下：

1.1 补糖控制

本部分采用计量罐来进行补糖。使用的计量罐容积为1L，进出料液气动隔膜阀根据发酵专用控制器的信号进行开启和闭合操作，每次补加糖液为1L。本部分组成如图1所示。

图1 补糖控制流程图

根据发酵过程需要可以设定不同阶段的补糖速率，补糖速率最高可达500 L•h-1。补糖速率的改变可通过改变进出料液阀门开启与闭合来实现。

1.2 补硫酸铵控制

本部分采用计量罐来进行补硫酸铵。使用的计量罐容积为1L，进出料液气动隔膜阀根据发酵专用控制器的信号进行开启和闭合操作。进料阀开启并进料1L后立即关闭，出料阀的开启时间按脉冲来设定，由脉冲的长短来控制每次的加料量。出料阀的多次开启和关闭完成1L料液加入发酵罐的动作。本部分组成可参考图1。

根据发酵过程需要可以设定不同阶段的补硫酸铵速率，补硫酸铵速率最高可达200 L•h-1。补硫酸铵速率的改变可通过改变进出料液阀门开启与闭合来实现。

1.3 pH控制

pH的控制通过计量罐流加NaOH溶液的方式来实现。使用的计量罐容积为1L，进出料液气动隔膜阀根据发酵专用控制器的信号进行开启和闭合操作。进料阀开启并进料1L后立即关闭，出料阀的开启时间按脉冲来设定，由脉冲的长短来控制每次的加料量。出料阀的多次开启和关闭完成1L料液加入发酵罐的动作。本部分组成可参考图1。系统可根据生产需要设定不同阶段的pH值，然后根据pH设定值与测量值的大小流加NaOH溶液。

1.4 溶氧检测

溶氧浓度信号经溶氧电极检测、变送后送到发酵专用控制器和上位机。

1.5 温度检测

发酵温度信号经Pt100温度传感器测量变送后送到发酵专用控制器和上位机并对温度进行计算机自动控制。

2 信号采集与控制

根据以上控制方案，可以确定整个工业罐规模发酵控制系统所需采集的控制信号的点数。

表1 采集控制信号的点数

3 控制系统的组成、结构与运行

整个工业罐规模控制系统所需使用的主要设备有：发酵专用控制器、上位机（含显示器）、通讯模块、工控组态软件、上位机软件。工业罐规模控制系统的结构如图2所示。

图2 工业罐规模控制系统结构图

工作原理如下：由发酵专用控制器对2个10 m3发酵罐的溶氧浓度、pH和温度进行检测，再根据pH值的测量结果确定补碱控制速率，同时操作人员根据总糖、还原糖和氨氮浓度的离线测定数据设定补糖速率、pH值控制水平和补硫酸铵速率的设定值并输入上位机，发酵专用控制器通过通信口与上位机进行信息交换后，由发酵专用控制器完成各种物料的流加。上位机还作为人机界面以及进行历史数据记录。如果上位机由于某种故障瘫痪，而发酵专用控制器仍能够使用缺省设置和限值设置使发酵过程正常进行，生产不会受到影响。

SWP-FJC发酵专用控制器能485总线输出与兼容于NuDAM、ADAM等模块的ASCII码指令集，使其可与其他厂家的控制模块挂在同一485总线上，且便于计算机编程，可轻松地构建所需要的测控系统。SWP-FJC发酵专用控制器输出结果界面如图3所示。

图3 SWP-FJC发酵专用控制器面板及界面

为了实现对该发酵过程的准确控制，设计了上位机软件“鲁班工控组态系统”。可实现对发酵过程参数的采集和显示，以及对补料速率等各参数的设定功能。该软件具有如下功能：

（1）数据输入输出功能：通过各类仪器仪表、IO板卡实现实时数据采集及现场控制输出。

（2）数据显示功能：丰富多彩的画面表现形式使得能够直观、形象地反映现场数据。

（3）报表显示和打印功能：报表组态更加方便，能够即时显示和打印各类报表，也可根据需要定时产生报表输出。

（4）数据记录显示功能：可以记录历史数据，最小时间间隔为1秒采样一次，在数据显示窗口中，可以对历史数据以多种显示方式进行显示。可以显示实时曲线、历史曲线以及显示具体的历史数据值等，方便于对这些数据进行分析，判断。

（5）数据二次处理：可以对现场采集的数据进行二次处理。例如：换算、计算、工程量转换等等。通过处理产生用户所需要的数据。

（6）专用模块：内嵌的专用模块可以针对特定工艺、特定需求实现特殊功能。

（7）数据库功能：内嵌数据库利用Microsoft的DAO引擎实现数据库管理功能。用户可以利用Access等其它专用数据库开发工具进行更为复杂的处理。

（8）系统安全性与口令管理：根据实际需要，系统可以设置为全控制方式，即一般用户无法打开其它应用程序。系统设四重口令级别，由高而低依次是：组态工程师、系统管理员、管理员和操作员。对于每一个用户设定一个口令予以身份确认。不同的操作人员具有不同的使用级别。

（9）报警：对于每一个系统变量可以设置是否报警,并可记录报警信息。

（10）在线组态：鲁班组态不仅可以预览画面组态运行效果，而且支持画面在线组态：在运行系统时，如果发现组态错误，可是又不能停止系统时，这种功能就可以发挥非常重要的作用。

该控制系统在新霉素发酵上运行其鲁班工控组态软件运行采集的发酵罐批的趋势图如图4，该图具有实时数据采集、图表集成和控制参数给定等多项功能，能为生产控制人员提供有效直观的数据，便于调整发酵参数。通过该控制系统，实现了新霉素发酵过程的连续补料操作，使生物反应器中的可发酵性糖浓度由原有的2.5-3.0%降到1.3-1.5%最佳浓度范围内，氨氮控制范围为20-40mg•100ml-1，温度维持在35℃，pH控制在6.5，保证了微生物新霉素合成速率保持在较优的水平。

图4 鲁班工控组态软件的实时趋势图

4 结论

通过分析新霉素代谢特性的基础上，构建了一套SWP-FJC专用控制系统。该系统包括对糖、硫酸铵和和NaOH等物料的补料控制，减少了因为物料补加对系统带来影响，优化了补料手段，降低了环境改变对菌体的影响。该控制系能够很好地反映发酵过程中各参数的变化情况，实现了发酵过程连续补料控制，为新霉素发酵过程的在线自动控制提供了有利的条件，发酵120h后，新霉素发酵效价从原有的10000u•ml-1提高到13000u•ml-1以上。同时大幅度降低了发酵液残糖浓度，使之从原有的2.5-3.0%下降到1.3-1.5%。单位新霉素产量的淀粉单耗由18.5kg/十亿下降到13.4kg/十亿，COD排放量减少近50%，达到了清洁生产的目的。该控制系统通过适当的改变也能够用于其他发酵产品的补料控制，也可广泛应用于各种工业控制与测量系统及各种集散式或分布式发酵监控系统。

[1]张哲.河南省发酵类制药工业水污染物控制措施研究[J].河南科技,2013(19):175-175.

[2]唐文金.制药企业清洁生产研究--以扬州制药厂为例[J].水资源保护,2005,21(3):63-66.

[3]石贤爱,李聪颖,陈飞,等.清洁生产驱动的弗氏链霉菌新霉素发酵过程优化策略[J].福州大学学报,2010(1):147-152.

[4]苟莉.前体及诱导子和发酵条件对TMS-26产紫杉醇发酵体系优化[D].西北农林科技大学,2014:7-13.

[5]张嗣良,储炬,庄英萍,等.鸟苷发酵过程的多尺度问题研究[J].生物加工过程,2004,2(3):23-29.

[6]石贤爱,孟春,陈剑锋,等.溶氧浓度模糊PID控制系统中动态数据交换的实现[J].化工自动化及仪表,2002,29(3):44-46.