关于微生物发酵系统方案的介绍

一、前言

微生物发酵过程是发酵行业中一个十分重要的生产环节,是一个复杂的生化反应过程,为了提高最终产物的得率,必须保证在整个操作进程中有一个适宜的微生物生长代谢环境,在此基础上对发酵过程控制进行优化。因此对发酵环境的控制是发酵工业中极为重要的环节。采用计算机控制, 可实现对发酵过程参数的在线实量检测、记录、图形显示、历史数据的自动存储、报表打印和环境参数自动控制。

近年来，生物技术工业发展迅速，生物发酵技术和发酵装置作为生物技术产业化的基础，已引起人们广泛的关注。微生物发酵过程，机理十分复杂，影响因素错综复杂，很难用确定的数学模型来描述，加之缺乏在线检测发酵生物量参数的传感器，给生物发酵自动化带来了困难，因此开发一个能有效监控系统十分必要的。

二、微生物发酵系统方案

1、微生物发酵过程环境控制系统

发酵过程较为复杂,涉及到微生物细胞的生长和代谢,是一个具有时变性、随机性和多变性输入输出的动态过程。由于有些变量(菌体浓度、基质浓度、产物得率等)在线检测困难,不能直接作为被控变量,因此在发酵过程中主要采用与质量有关的变量,如温度、搅拌转速、pH值、溶解氧、通气量、泡沫等作为被控变量。针对发酵过程中影响微生物代谢的各环境参数的重要性,主要介绍对温度pH、溶解氧和泡沫高度进行重点控制。

（1）温度控制

温度控制对于特定的微生物,都有一个最适宜的生长温度。因此,微生物发酵过程的发酵温度的控制,是很重要的微生物生长环境参数。PID控制算法是工业工程中应用最广的、技术最成熟的基本控制算法,考虑到其结构简单,参数易于调整,控制精度高,适用性广,并具有无余差功能。所以温度控制采用这种算法, 并单独构成控制回路。

（2）PH控制

PH值是微生物生长的另一个重要环境参数。在发酵过程中,必须严格加以控制,否则会严重影响微生物代谢的进行和代谢产物的合成。由于发酵过程pH 调节对象的特性的时变性较强,故pH调节剂的加入与发酵液pH变化关系复杂,在某些pH值附近，pH变化对加入的pH调节剂的量非常敏感,而另一些pH值附近,灵敏度却显著降低。采用控制蠕动泵的通断时间来调节发酵液中的pH值可解决该问题。Ph值检测用ph计。

（3）溶解氧浓度控制

在耗氧型发酵过程中,氧是作为微生物生长必须的原料,若供氧不足,将会抑制微生物的生长和代谢的进行,为此,在发酵过程中,要保持一定的溶氧浓度DO。影响溶解氧浓度DO的主要因素有供给的空气量、搅拌桨转速和发酵罐的压力。目前,国内发酵罐溶解氧浓度的控制主要通过采用调节搅拌桨转速或者调节供给的空气量来实现,并且多为人工操作,控制精度不高。可将DO浓度变量(主参数)作为被控变量,以搅拌转速(副参数)为控制手段,组成一个有主、副两个回路的串级控制系统。转速的实际值是不断随发酵罐内的溶氧的变化而变化的, 最后达到主参数控制在给定值上。溶解氧浓度控制用溶解氧分析仪。

（4）液位与消泡控制

在发酵前期,微生物生长旺盛。加入液料满载,搅拌马达全速开动,空气通入量达到最大,这时发酵液上浮很厉害,稍有不慎,就可能会产生逃液现象。此时必须及时加入消泡剂,以减少泡沫,防止发酵液上浮。采用电阻极棒作为液位检测元件,当发酵液液面达到一定的高度时,自动打开消泡剂的阀门,当液面降回到正常时,自动关闭消泡剂阀门。在消泡控制中,过程响应较慢,所以控制回路中应加入时间延迟防止加入过量的消泡剂。

2、微生物发酵微机集散控制系统

在抗生素、酶制剂、味精酿造等发酵行业中,微生物发酵过程是一个十分重要的生产环节,发酵的好坏直接影响到产品的数量、质量和生产成本。采用微机集散控制系统,不但实现了发酵过程参数的在线实量检测、记录、图形显示、历史数据的自动存储、报表打印和环境参数自动控制,而且为发酵工业的优化控制奠定了良好的基础。

目前，人们大都采用计算机控制技术进行发酵过程的自动控制,其结构基本上都是采用工控机或PC机为上位机,下位机则采用STD总线或单片机,系统复杂且成本较高。可采用上、下位机的方式构建系统,下位机采用PLC,上位机采用普通PC机。两者通过串口进行通讯,实现数据的采集与传输。 

首先,采用PLC作为下位机,并设计成能自动选择脱机(脱离上位机)或并机两种运行方式,由于PLC运行可靠,一旦上位机出现问题,不会影响下位机的正常运行,另外,上、下位机之间的通讯采用专用的隔离电缆,这样能够很好地避免现场信号对计算机的冲击从而保护了计算机,PLC本身具有内部与现场信号光电隔离的设计,所以现场强电很难串入PLC中,这样使系统能够长时间地可靠运行。  

根据对发酵过程在线监控及对实时信息进行分析管理的需要,系统具有以下的功能: 

(1）能数设定和通信功能:包括控制参数设定、间接参数计算及离线参数输入等；实时接收由下位机发送来的检测参数。

(2）检测控制功能:对发酵罐中主要的变量和生物量(如搅拌转速、培养液温度、发酵液pH值、溶解氧浓度值等)进行在线测量,对菌体浓度、产物浓度和基质浓度等间接参数进行在线计算,以实时了解培养对象在发酵过程中的生理、生化特性、掌握其生长趋势,为优化工艺控制和过程放大提供实验依据和理论基础。

(3）屏幕显示功能:各种实时参数、图表、带实时发酵过程状态动态刷新的发酵过程监控流程图的显示,以指导相应操作。

(4）操作管理功能:在上位机中通过图形操作界面及多层菜单,选择各种操作功能,包括设置限值、对下位机设置重要控制参数、采样时间设定,显示或打印过程数据等。

(5）信息存储及报表和曲线打印功能:记录及保存运行过程中的状态、数据是发酵过程在线监控中的一个重要任务。通过精确的记录来满足各种分析统计的要求,以及对未来监控的操作指导。记录保存的一般实现方法是按一定的周期间隔获取预先选定的数据集,并把它们保存在一个数据库文件中。

3、微生物发酵过程的监控系统

新研发微生物发酵过程的监控系统首先根据微生物发酵原理和过程，明确控制参数和控制对象模型；创新性地提出了指数积分PID控制和模糊PID控制算法，并在实际应用中得到了良好得控制效果；微生物发酵过程的监控软件设计方法，利用Lab Windows/CVI开发环境开发了具有流程图显示、实时和历史趋势图显示、历史数据保存、Excel格式报表、工业以太网通讯、自定义高级算法接口等完备功能的监控软件；最后针对使用Rabbit2000作为嵌入式网络控制器的不足，设计了基于ARM9高级嵌入式微处理器和嵌入式Linux强大的嵌入式一体化机，并利用MSP430微控制器设计了具有高抗干扰性、隔离的、能应用于恶劣工业环境的数据采集器，然后将多个数据采集器通过RS485主从式总线连接到嵌入式一体化机，使系统具有更好的可扩展性。

工业控制系统正朝着数字化、智能化、网络化和开放化的方向发展。工业生产需要完成智能化，数字化改造、自动控制，嵌入式技术及其产品起到了至关重要的作用。嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、能适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式应用已由工业、通信和网络扩展到与数字多媒体相关的消费领域,其强劲的发展势头验证了全球数字化革命的倡导者尼葛洛庞帝的预言：嵌入式应用是PC和互联网之后最伟大的应用发明。 

该系统借助迅猛发展的嵌入式系统技术在工业控制中的应用，设计了具有良好的开发性、分散的、易于扩展和集成的控制结构。并且设计了直观的、友好的、便于操作的、能兼容其他程序的监控软件。

（内容参考中广微生物）