酶解胎盘粉制备羊胎素粉剂量产工艺仿人控制实验研究

曾令辉，曾建成

（1.北京理工大学 机电学院，北京 100081；2.宁夏大学 物电学院，银川 750021）

0 研究背景

羊胎素是从羊胎盘的活化细胞中提取出来的一种具有极高生物活性的营养物质。它通过提高人体组织细胞的分裂速度，活化人体细胞，加速老化细胞的分解排除，有效地改善人体内分泌，促使人体机能恢复到最佳状态。羊胎素的神奇功效已被越来越多的人所证实。

宁夏是国内羊胎素的主产地，目前，其生产规模多为实验室小样机的小规模生产，即使有少量企业级规模的生产设备，其控制方式也是传统的人工控制，生产成本高，产量也有限。本项目将仿人智能控制系统引入真空冷冻干燥仓的控制，期望通过大量企业级试验，采集数据、分析数据、处理数据，给出酶解羊胎盘粉制备羊胎素粉剂量产工艺的控制曲线，为羊胎素产业升级提供帮助。

一般冻干工艺的主要过程包括前期处理、速冻、升华干燥、解析干燥、封装、辐射灭菌等操作。冻干工艺应在确保被冻干产品的质量的基础上，缩短冻干时间，减少冻干机的耗能量，实现自动化智能控制，解放劳动力。本项目尝试采用温度趋近法和压力法并用的方法，力求精确判断干燥结束时间，为企业提高大型干燥机的工作效率、降低能耗提供帮助。

1 冻干工艺流程

1.1 真空冷冻干燥技术

图1 水的三相图

水有固态、液态、气态三种态相。如图1所示，当压力降到一定的真空度，在低于O点的固、气两相平衡线上时，若给以足够的热量（升华潜热），冰就可以不经液态而直接汽化为气态，这一过程称为升华。由此可知：如果将被干燥物品（简称物料）中的水分先冻结成冰，然后将其置于三相点以下的低温、低压条件下，并给以必要的升华热，物料中的水分将由冰直接转化为水汽，在蒸汽压的推力下排出，从而达到脱水的目的。这种脱水技术称为真空冷冻干燥技术，简称冻干技术。

1.2 真空冻干技术工艺流程

真空冷冻干燥机外形如图2所示，其真空系统由多级蒸汽喷射真空泵串联组成。真空冷冻干燥机实物如图3所示。

图2 真空冷冻干燥机外形图

图3 真空冷冻干燥机实物图

图4 冻干工艺流程图

如图4所示，冻干工艺流程主要包括：前处理、预冻、升华干燥、解析干燥和后处理等过程。

1）前处理阶段：将酶解后的羊胎素浆滤去残留物后分装，准备实施冻干。

2）预冻阶段：生产中，对羊胎素生物活性的要求很高，因此，在该阶段，需要低温速冻，快速形成冰晶，为水汽升华提供畅通的路径。预冻温度控制在-20℃左右。

3）升华干燥阶段：升华阶段是剔除水分的主要阶段，此阶段可抽取物料95%以上的水分。在干燥仓与水分离器的压力差持续接近、箱内压力上升速率与渗漏速率接近的时候，就可以结束升华干燥。

4）解析干燥阶段：解析干燥的时间大约是升华干燥时间的1/3～1/2。升华干燥结束后，物料中仍含4%左右结合水，此时必须将物料的温度由-20℃上升到45℃，使结合水以水蒸气的方式排出。当物料的温度与板层温度接近时，解析干燥过程即可结束。

5）后处理阶段：冻干后的物料需要在干燥无菌环境中打粉、封装，之后再进行钴60辐照灭菌、入库，成品样送检。

2 控制算法

2.1 模糊控制器的规则设计

在本设计中，我们将输入变量的实测值与给定值的误差E分成如下八档：负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、负零（NZ）、正零（PZ）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB），将误差的变化EC以及输出变量U分成如下七档：负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。通过设定误差量化因子KE，误差变化量化因子KC，把误差和误差变化从基本论域转化到模糊子集论域中。

根据隶属关系，推算干燥仓温控器模糊控制规则表。

创建控制规则表遵循的基本思想是：“若温度高于给定值，则降低热液泵的速度，温差越大，速度降低得越快，但不是线性的”；“若温度低于给定值，则提高热液泵的速度，温差越大，速度提高得越快，但不是线性的”，总结为：当温度实测值与预定值误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。

2.2 模糊查询表的建立

根据系统的控制规则所决定的模糊关系R，应用推理合成规则，计算出在Ei和ECj情况时反映控制量变化的模糊集合Uij，即。

对论域E，EC中全部元素的所有组合，计算出相应的控制量的精确值。写成矩阵形式就构成了模糊查询表（决策库）。表1为模糊控制查询表。

3 智能控制器硬件设计

如图5所示为智能控制系统结构示意图，整个系统分为四大块，分别是制冷系统、制热系统、真空系统和控制系统。控制系统的核心采用Rabbit 3000微处理器，控制器与上位机通信通过WIFI实现，由于工艺流程对工作环境的卫生标准要求很高，所以要尽可能避免操作人员频繁出入干燥机工作环境，为此，控制器设计了SIM900A模块，以便通过手机短信远程设置控制参数。

3.1 MCU——RABBIT3000

Rabbit 3000处理器是Z-World公司推出的一款低成本嵌入式控制系统的核心器件。该处理器工作电压范围是1.8～3.6V；其时钟速度可达54MHz；有7个并行口，每个8位，总共有56个I/O；有6个串行口，这6个串口都可以在多种操作模式下实现异步工作；有一个内置的看门狗定时器。

3.2 传感器

干燥仓温度传感器使用经济耐用的热电偶，在仓内分上、中、下三层，每层左、中、右三个，共计设计九个热电偶，分别对搁板、物料进行分布式测温。通过试验，确定传感器的数量及最佳安装位置。

图5 智能控制系统结构示意图

湿度传感器使用HS1101，HS1101工作温度为-40℃～100℃，测控湿度范围为0～100%RH，供电电压为DC10V。其输出电压与湿度对应参数如表2所示。

真空度检测采用气压传感器HM30，该传感器具有独特的传感器应力隔离技术，检测信号经温度补偿及高稳定性放大处理后被转换成4～20mA DC或1～5V DC标准信号。该传感器的测量范围为0～700kPa，使用24V直流电源。由于干燥仓内环境潮湿，在安装时，需使用配套的干燥过滤器。

表1 模糊控制查询表

表2 HS1101输出电压与湿度对应参数参照表

表3 控制器控制下干燥仓实测数据(温度单位：℃，真空度单位：Pa)

3.3 参数远程设置模块——SIM900A

本项目设计使用SIM900A模块实施手机短信远程设置控制端参数（如温度上、下限等），相当于键盘。

ATK-SIM900A模块是ALIENTEK开发的一款高性能工业级GSM/GPRS模块，接口丰富，功能完善，尤其适用于需要语音/短信/GPRS数据服务的各种领域。

3.4 WIFI——ATK-RM04

本项目设计使用ATK-RM04模块实施下位机与上位机间的实时通信。

ATK-RM04是ALIENTEK推出的一款高性能串口-以太网-无线网模块。该模块采用串口（RS232/LVTTL）与MCU通信，内置TCP/IP协议栈。能够实现用户串口、以太网、无线网3个接口之间的转换。

4 实验结果

通过多次实验，反复调整量化因子，当Ke=1/4，Kec=2/3时，保持比例因子ku=1/3不变，采集到一组相对稳定的数据，如表3所示。由此得到控制曲线，该控制曲线与人工控制曲线非常相似，如图6、图7所示。由此曲线确定的运行周期可以缩短2小时。

图6 控制器控制下干燥仓的温度曲线

图7 控制器控制下干燥仓的真空度曲线

5 结束语

1）优化真空冻干机控制系统，通过反复试验，绘制量产羊胎素的工艺曲线。

对于参数相对比较稳定的物料（如浆料） ，有针对性地就某系列的冻干机给出优化后的冻干工艺曲线，可以对企业的生产产生指导意义。

2）实时监控温度和真空度，采用温度趋近法和压力法并用的方法，判断干燥结束时间，及时终止干燥过程，节约能源，提高效率。

3）构建仿人智能控制系统，解放劳动力，提高成品率。

人工控制冷冻干燥机，为了保证产品的质量，往往人为地在整个干燥的时间上留有较大的经验系数，这就增加了无谓的冻干时间，整个生产工艺长达25个小时之久，生产成本很高。模糊控制系统中使用了语言型规则和模糊概念，规则表的产生，仿效了熟练工程师的操作经验，克服了干燥仓人工控制的不足之处，能提高干燥仓的生产效率，使干燥仓温度、湿度的控制更精确。该控制器将使干燥仓节能、高效、成品率高。

4）为大型干燥仓设计制冷系统。

酶解浆对环境卫生指标的要求很高。在仓外速冻、运输的过程中，容易造成物料被污染。本项目为大型干燥仓设计了压缩机制冷系统。由于干燥仓内是密闭、保温的环境，所以仓内实施压缩机制冷方式效果会很好。