*發酵過程控制系統方案
來源:南京瑋丹自動化設備有限公司
2010年12月05日 20:05
隨著生物工業技術的迅速發展,其生產設備和規模不斷擴大,生產過程的強化,對自動控制技術的要求越來越迫切,對生化過程實行優化控制,可穩定生產,提高得率,降低消耗,增加效益。然而,微生物發酵過程,不同于一般的過程工業,由于它涉及生命體的生長繁殖過程,機理十分復雜,至今還有許多發酵過程信息無法測量,這給發酵過程優化控制帶來極大的困難。浙江浙大中自集成控制工程技術有限公司依托浙江大學工業自動化國家工程研究中心和浙江大學工業自動化國家重點實驗室強有力的,長期從事化工、輕工及生化過程的模型化與控制,積累了豐富的經驗,開發了多套成型、成套的系統化生化控制系統,取得顯著的經濟效益。
影響發酵過程的兩個主要因素是發酵培養基和發酵條件,在培養基配方基本固定的情況下,發酵條件是影響過程代謝變化的主要方面。根據那些反映發酵條件和代謝變化的參數,參照代謝變化規律來控制以下發酵條件,盡可能縮短菌體生長期,延長產物合成期,使菌體生長既迅速而又不易衰老,并保持產物的zui大生產速率,從而達到提高zui終產物產量的目的。
針對系統具體情況,采用以下控制與檢測手段:
一.罐壓的檢測與手動控制
為防染菌必須維持發酵罐為正壓,這里,通過本地壓力表監視罐壓,以手動調節發酵罐空氣流量來定值控制罐壓。
二.罐溫的監視與手動控制
發酵罐的溫度一方面通過改變發酵液的物理性質間接作用于產生菌的代謝活動;另一方面通過對酶活性的影響直接作用于菌體生長和產物合成。在整個發酵過程中,不同的階段對應于不同的適宜溫度。一般在菌體生長期和產物合成期,可以選擇不同的zui適宜溫度。變溫操作比恒溫操作能得到更高產率。溫度通過計算機進行監視、記錄;溫度的控制是通過手動調節蒸汽流量及冷卻水流量來實現的,以期達到*的溫度控制曲線。
三.pH值控制
在發酵過程中,菌種、培養基和發酵條件決定著pH值的變化。pH的變化會影響酶的活力,并有可能改變菌體代謝的途徑及細胞的結構和功能。由于本系統發酵過程偏酸性,可以通過單向加堿性物質來調節pH值。
四.通風量、溶解氧的監視與手動控制
對代謝產物的好氣產生菌來說,其氧化有機碳水化合物的過程需耗氧氣,才能獲得大量的能量來滿足菌體的生長、繁殖以及產物合成的需要。供氧和耗氧的動態平衡決定著溶氧水平的高低,溶氧低峰值低于臨界值時,發酵液可能出現酸敗。為使發酵正常進行,必須協調好氧的供需關系,以減少溶氧的低峰數或使低峰值高于臨界值。通過對溶解氧的監測,分析總結*通風量控制曲線,并以此為依據進行通風量的手動控制。
五.補料控制
在發酵前期,基質的消耗主要用于菌體發育、生長和繁殖。而在中后期,則更多地用于產物的合成。基質濃度過低,對生長不利,但過量又會導致代謝向合成菌體的方向進行,有時甚至抑制產物的合成。因此,培養基基質成分只能保證前期菌體的生長需要,而在中后期,為保證一定的基質濃度以延長產物分泌期,保持zui大生產速率,通常采用補料的方法控制基質濃度。系統根據發酵過程不同階段的需要,以*補料曲線控制補料量。
本系統通過現場的在線數據采集以及鍵盤輸入大量的過程測量、分析特性參數值輸入到計算機內,并進行必要的處理、計算、存貯。據這些參數所反映的過程代謝變化狀態,實時控制。系統可定時或根據操作者的實際需要,隨時顯示過程特性參數的歷史曲線,打印過程特性參數、日、周期、月報表。這為進一步積累可靠的工作經驗,探索新的更復雜的以及更有效的控制知識和規律以及實現科學化管理創造條件。