（电气工程专业论文）洁霉素发酵过程控制系统的设计与研究.pdf

摘要 摘要 洁霉素发酵生产是典型的微生物次级代谢过程，生物反应发酵机理复杂， 其发酵水平与国际先进水平相比仍有一定的差距。究其原因，除了菌种因素之 外，主要是生产的自动化程度不高，控制水平比国外落后。所以，研究基于计 算机控制技术的洁霉素发酵过程控制系统，具有重要的现实意义。 本文首先介绍了我国抗生素发酵工业及发酵水平状况，着重分析了抗生素 发酵过程控制的研究现状与发展趋势。 其次介绍了洁霉素发酵工艺的过程、发酵过程控制的概念和基本方法，重 点分析了发酵过程中的主要发酵参数的控制方法的研究现状。 根据发酵工艺特点和控制要求，提出了一套基于组态王6 5 及s 7 3 0 0 p l c 的洁霉素发酵过程控制系统的软硬件解决方案。对控制系统的硬件部分进行设 计，对控制系统上、下位机的软件功能进行介绍和整体设计规划。 重点对o p c 技术及其在洁霉素发酵过程控制系统中的应用进行研究。提出 了采用o p c 技术实现控制系统的硬件与软件，及软件与软件间的数据通信。详 细地论述了o p c 服务器和o p c 客户端的设计方法及主要实现步骤，并实现了组 态王软件与o p c 服务器的连接。 针对发酵过程中温度控制具有严重的非线性及滞后性这一难题，本文运用 了模糊自适应p i d 控制，对温度控制环节进行建模并利用m a l l a b 的s i m u l i n k 进行仿真。 最后，对全文的工作做了总结。总结了主要完成的工作，分析了存在的问 题，并对今后的发展方向进行了展望。 本文的主要研究成果为：( 1 ) 采用o p c 技术实现控制系统的软硬件间的数 据通信，并对其中的关键技术o p c 服务器进行设计，并且实现了组态王软件与 o p c 服务器的连接。o p c 技术在本控制系统中的应用大大提高了系统的可靠性 和扩展的灵活性。( 2 ) 基于模糊自适应p i d 控制算法实现了温度的控制，该控制 器具有适应性强、响应迅速，控制效果明显优于常规p i d 控制方法，适合于发 酵过程的温度控制领域以及其他的相关控制领域。 关键词：发酵过程控制系统；o p c 技术；模糊自适应p i d 控制 a b s t r a c t a b s t r a c t l i c o m y e i nf e r m e n t a t i o np r o d u c t i o ni s t h et y p i c a lm i c r o o r g a n i s ms e c o n d a r y m e t a b o l i s mp r o c e s s ，i t sb i o l o g i c a lr e s p o n s ef e r m e n t a t i o nm e c h a n i s mi sc o m p l e xa n d i t sf e r m e n t a t i o nl e v e lc o m p a r e dt oi n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e ls t i l lh a sc e r t a i n d i s p a r i t y l o o ki n t ot h ec a u s e s ，b e s i d e st h em o l dm u s h r o o ms p a w nf a c t o r ，t h em a i n l y r e s a o nl i e si nt h ef a c tt h a tt h ea u t o m a t i o nd e g r e eo ft h ep r o d u c t i o nc o m p a r e dt o o v e r s e a si sn o th i g ha n di t sc o n t r o ll e v e lf a l l sb e h i n d t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho n p r o c e s sc o n t r o ls y s t e mo fl i c o m y c i nf e r e n t a t i o nb a s e d0 nt h ec o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g y , h a si m p o r t a n tr c a l i s t i cm e a n i n g f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e so u rc o u n t r ya n t i b i o t i cf e r m e n t a t i o ni n d u s t r ya n dt h e f e r m e n t a t i o nl e v e lc o n d i t i o n ，c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n d d e v e l o p m e n tt r e n d sa b o u tt h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e mo f a n t i b i o t i cf e r m e n t a t i o n s e c o n d l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e sl i c o m y c i nf e r m e n t a t i o np r o c e s s ，c o n c e p ta n d b a s i cm e t h o do f f e r m e n tp r o c e s sc o n t r o l ，e m p h a s i z e st h er e s e a r c ho f p r e s e n ts i t u a t i o n b a s e do nt h ec o n t r o lm e t h o do f t h em a i nf e r m e n t a t i o np a r a m e t e r a c c o r d i n gt ot h ef e r m e n t a t i o np r o c e s sc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ec o n t r o lr e q u e s t ，a s e to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r es o l u t i o n sf o ro n ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e mo fl i c o m y c i n f e r e n t a t i o nb a s e do ns o f t w a r ek i n g v i e w6 5a n ds i m a t i cp l ch a sb e e np r o p o s e da n d r e a l i z e d i ti n c l u d e st h ed e s i g no f t h eh a r d w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ei n t r o d u c eo f t h ed e s c r i p t i o no ft h es o f t w a r ef u n c t i o nf o rt h em a s t e ra n dt h es a l v em a c h i n e ，a n dt h e d e s i g np l a no f t h es o f t w a r ep a r t t h i sp a p e rc o n d u c t st h er e s e a r c ho nt h eo p ct e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni n t h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e mo fl i c o m y c i nf e r e n t a t i o n i tp r o p o s e st or e a l i z ed a t a c o m m u n i c a t i o no fc o n t r o ls y s t e m ，b e t w e e nh a r d w a r ea n ds o r w a r eo rb e t w e e n s o f t w a r ea n ds o f t w a r eb yi i s i n go p ct e c h n o l o g y i te l a b o r a t e si nd e t a i lt h ed e s i g n m e t h o da n dt h em a i nr e a l i z a t i o ns t e po f o p cs e r v e ra n do p cc u s t o m e r ，m o r e o v e rh a s r e a l i z e dc o n n e c t i o nb e t w e e ns o l l w a r ek i n g v i e wa n dt h eo p c $ g t v e r i i i a b s t r a c t a i ma tt h ed i f f i c u l tp r o b l e mt h a tt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lh a ss e r i o u sn o n l i n e a r i t y a n dl a g g i n gi nt h ef e r m e n t a t i o n p r o c e s s ，t h i sp a p e rh a su t i l i z e dt h ef u z z ya u t o - a d a p t e d p i dc o n t r o lf o rc a r r y i n go nt h em o d e l l i n gt ot h et e m p e r a t u r ec o n t r o la n dc a r r i e d0 1 1 t h es i m u l a t i o nb y 惦i t i gm a t l a bs i m u l i n k f i n a l l y ，i tm a k e sas u m n 怕yt ot h ef u l lw o r k i ts u m m a r i e st h ew o r kw h i c h m a i n l yb ec o m p l e t e ，d a n a l y z e st h ee x i s t i n gp r o b l e m ，a n dc a r r i e so nt h ef o r e c a s tt ot h e n e x td e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nt h ef u t u r e t h ep r o d u c t i o no ft h ep a p e rf o l l o w s ：( 1 ) t h ed a t ac o m m u n i c a t i o no fc o n h o l s y s t e mb e t w e e ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ei sr e a l i z e db yu s i n gt h eo p ct e c l l n o i o g y ，t h e l 。e yt e c h n i c a lp r o b l e mi ss e t t l e ds u c c e s s f u l l yb yd e s i g n i n go p c s e r v e r ，m o r e o v e ri t h a sm a l i z e dc o n n e c t i o nb e t w e e ns o r w a r ek i n g v i e wa n dt h eo p cs e r v e r ( 2 ) t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ri sr e a l i z e db a s e do i lt h ef u z z ya m o - a d a p t e dp i dc o n t r o l ，w h i c h h a st h es t r o n gc o m p a t i b i l i t ya n dr a p i dr e s p o n s e ，a n dh a sm o r eo b v i o u se f f e c to f c o n t r o lt h a nt h ec o n v e n t i o l l a lp i dc o n t r o lm e t h o d ，a n ds u i t st ot h et e m p e r a t u r e c o n t r o ld o m a i no ff e r m e n t a t i v ep r o c e s sa n da l lt h a tc o r r e l a t i o nc o n t r o ld o m a i n s k e yw o r d ：c o n t r o ls y s t e mo ff e r m e n t a t i o n a u t o a d a p t e dp i dc o n t r o l i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特n d e i 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：蝴象够签字曰期：砷年p 月抄日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权壶昌态堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：蛳笃移 签字日期：，刁年t ，月v 日 导师签名：如多 签字日期：y 刁荦，2 ，月沙日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国抗生素发酵工业及发酵水平概述 发酵工业经历了天然发酵技术( 纯培养技术) 阶段；通气搅拌发酵技术阶 段；代谢控制发酵技术阶段( 如抗生素发酵) ；开拓发酵原料阶段( 如石油发 酵，醋酸生产谷氨酸) ；基因工程阶段( 采用酶学的方法，将不同来源的d n a 进行体外重组，再把重组d n a 设法转入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去， 使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物) 五大发展阶段l i j 。 其中的抗生素工业是技术密集型的产业，涉及微生物、生物化学、生化工 程、自动检测、自动控制技术等。随着发酵工业的发展，抗生素生产规模越来 越大，发酵罐体积从几十立方米变成几百立方米，这就越来越依赖发酵过程的 自动检测、自动控制和计算机优化控制。 就国内来看，抗生素工业起步于解放以后。发展到今日，已研制成功并通 过鉴定的抗生素品种已近百个。目前实际生产的抗生素品种共有十几种，主要 有洁霉素、四环素、土霉素、青霉素、头孢菌素、红霉素、链霉素等。抗生素 的生产目前主要用微生物发酵法进行生物合成。 一 国内抗生素各品种的发酵水平虽然从纵向说有较大提高，但横向与国际先 进水平相比仍有一定的差距【2 j ，如表1 1 所示。 表1 1 抗生素发酵水平的国内外比较 抗生素种类国内( 单位毫升) 国际先进水平( 单位毫升) 洁霉素4 0 0 0 5 6 0 0 8 0 0 0 四环素3 6 0 0 4 0 0 0 链霉素 18 0 0 0 3 0 0 0 04 0 0 0 0 青霉素 3 5 0 0 0 5 5 0 0 06 0 0 0 0 红霉素 3 0 0 0 5 0 0 01 0 0 0 0 土霉素4 0 0 0 0 4 5 0 0 0 产生这种差距的主要原因在于：设备陈旧，动力供应不充足，菌种生产能 第一章绪论 力低，发酵工艺落后，原材料质量差。另外一个重要原因就是生产的自动化程 度不高，控制水平比国外落后。生产中仍以人工控制为主，采用计算机技术起 步较晚，普及率较低。目前发酵行业正面临着日益激烈的全球竞争，因此对以 计算机为核心的自动控制技术有着强烈的需求。 1 2 抗生素发酵过程控制的研究现状与发展趋势 抗生素发酵过程是典型的微生物次级代谢过程，以分批间隙培养为特征， 就其内部来说既有分子之间的转化又有细胞之间的转化，且难以建立准确的数 学模型。控制也只限于外部参数的简单控制，随着发酵规模的变大，越来越依 赖于发酵过程自动检测、自动控制和计算机优化控制。在国内，发酵工业相对 落后，以手工操作生产方式为主，生产效益较低，对发酵过程的机理，模型化 和优化控制研究较晚。 当前对抗生素发酵工程的研究主要集中在采用现代控制理论、计算机控制 技术、现代测量技术和智能控制理论等对发酵工程中的测量、自动化、优化控 制及辅助操作四个方面。 1 ) 发酵过程的参数测量 由于生化反应过程的复杂性，要求纯种培养，过程需消毒等特殊性，给发 酵过程的测量带来了困难。其中物理参数的测量比较容易，但是对于化学参数 和生物参数的测量，都需要进行进一步的研究探讨。 ， 2 ) 发酵过程计算机直接数字控制和监督管理系统 有计算机对传统发酵过程进行数字控制和发酵过程信息管理，包括硬件系 统和软件系统。发酵过程是一非线性的时变系统，影响因素复杂，参数相关严 重。因此利用计算机对其进行实时控制，并采集众多的物理参数、化学参数及 呼吸代谢参数，然后进行综合分析，提供发酵过程优化工艺，指导发酵操作， 对提高发酵过程经济效益十分重要。 3 ) 发酵过程重要参数的预测估计 由于发酵过程的重要参数，如生物浓度、产物浓度以及底物浓度无法在线 测量，严重影响发酵过程的优化操作和控制。应用生化反应机理模型，扩展卡 尔滤波方法，非线性观测器分步设计方法，基于物料平衡的数学回归、模糊辨 识、优化操作和控制、神经元网络等方法来预测这些重要参数，从而为优化控 2 第一章绪论 制和操作创造了条件。 4 ) 发酵过程计算机优化控制及软件技术 发酵过程的优化控制，是如何提高发酵产品的发酵单位问题，由于涉及微 生物的生长代谢这一生命活动过程，使得发酵过程的优化控制十分复杂和困难。 目前常采用的方法有模糊控制方法、递阶专家控制系统以及基于物料平衡和呼 吸代谢来控制营养物的优化流加技术，从而提高发酵单位，降低消耗。 8 0 年代文献【4 j 对发酵过程的机理，模型化和参数检测进行初步研究，并就 在发酵过程中采用常规控制和高级控制以及计算机的应用做了实验室研究和仿 真。9 0 年代随着研究工作的深入以及智能控制技术研究的发展，如文献【习1 6 】对 发酵过程的模型化和计算机控制进行了进一步的研究，并对链霉素和青霉素发 酵过程的状态估计进行了研究，并应用智能控制( 模糊控制，模式辨识，神经 网络) 理论对维生素c 发酵过程的建模进行了研究，对螺旋霉素和链霉素发酵 过程建立了计算机d c s 控制系统，提出了基于工艺分析的动态优化方法。分析 的动态优化方法。文献【7 针对青霉素的发酵进行了研究，在青霉素发酵过程的分 批补料和系统优化方面有研究成果。但上述文献中都没有就补料量的确定建立 有效的数学模型，侧重在参数检测和补料装置方面进行了自动控制仪表的改进。 1 3 课题的来源、目的及意义 受某药厂的委托，要求设计一套洁霉素发酵过程控制系统，对发酵过程进 行实时监测、控制、管理和优化操作。由于洁霉素发酵生产是典型的微生物次 级代谢过程，生物反应发酵机理复杂，各种参数互相关联，同时又是时变、非 线性和不确定的生产过程，操作和控制稍有不当，就将严重影响发酵生产水平。 发酵过程控制包括稳定操作条件和系统的优化控制两个方面。稳定发酵条件可 通过常规的调节回路来实现，而系统的优化控制则需要根据过程的数学模型， 对罐温、刚、溶解氧浓度、进气流量、补料量等进行寻优计算，以确定这些变 量最优时间策略。目前，国内大多数发酵工艺的管理和控制，尚处于人工操作 方式。技术管理人员对工艺参数的设置、管理和操作基本上还是手工操作和人 工监视，大大影响了工艺水平和管理水平的提高，以至出现生产不稳定、发酵 系数低、能耗大、成本高等问题，而且发酵工业中的发酵罐越来越大，对于这 样的发酵罐系统，若操作控制不当，将会造成极大的经济损失。 第一章绪论 因此，对于发酵过程的参数检测、操作监视、自动控制，已成为发酵生产 管理及其自动化关键问题。若能采用计算机技术对发酵过程进行实时控制、管 理和优化操作，不但能解决上述存在的问题，而且可以降低工人的劳动强度， 提高自动化水平。所以，研究基于计算机控制技术的沽霉素发酵过程控制系统， 具有重要的现实意义。 1 4 课题的主要研究内容及方法 本课题是开发洁霉素发酵过程控制系统项目的一部分，本人主要参与完成 了洁霉素发酵过程控制系统硬件设计，重点对控制系统的软硬件间的数据通信 及对发酵罐温度控制器部分进行研究和设计。其主要研究的内容与方法包括： 1 ) 根据工艺要求，分析洁霉素发酵过程控制系统的控制要求，并提出控制 方案。针对发酵过程中温度具有严重的非线性及滞后性这一难题，本文运用模 糊自适应p i d 控制，对温度控制环节进行了建模，并利用m a t l a b 的s i m u l i n k 进行了仿真。 2 ) 对控制系统的硬件部分进行设计，根据系统的控制点数选择硬件模块， 完成上、下位机的硬件选型及配置。对控制系统上、下位机的软件功能进行整 体设计。 3 ) 实现控制系统的基础自动化级的硬件与监控级组态软件，监控级组态 软件及其它应用软件间的数据交换。采用o p c 数据访问方式实现控制系统的软 硬件间的通信，解决o p c 服务器和o p c 客户端设计的技术难点。 4 第二章洁霉素发酵过程控制及生产工艺概述 第二章洁霉素发酵过程控制及生产工艺概述 2 1 洁霉素发酵过程工艺流程简介 璺匿机 图2 1 洁霉素生产流程图 洁霉素作为抗生素的一个分支，它的生产在医药生产中有重要的地位。洁 霉素的生产以豆饼粉、淀粉、葡萄糖等为原料，三级发酵而成。发酵是在接种 和通气搅拌下进行的，特点是先在种化过程中进行孢子培养，将成熟的孢子制 成悬浮液，接种到液体种子培养液中，在一、二级种子工程中扩大培养，繁殖 到一定浓度和数量后接入发酵罐中进行发酵。洁霉素是微生物的次级代谢产物， 发酵过程中培养基与有关设备必须进行严格灭菌，与培养基接触的罐体与管件 必须密封，保证不被杂菌感染，培养过程中要适时补入糖、硫酸氨、氨水，以 满足菌体生长对碳源、氮源等养料的需求。 沽霉素的生产由三级发酵组成，其生产流程图如图2 1 所示，其中一级发酵 为2 至3 天，二级发酵为1 天。一、二级发酵主要在机器搅拌条件下进行种子 培养，种子培养过程中需要的无菌空气经过滤器过滤后通入，过滤器及所经管 道、阀门在使用前进行灭菌。 三级发酵是整个发酵过程中最关键的一级，此时发酵所用的基础料按比例 在配料罐内配好，用泵打入已消好毒的发酵罐中进行灭菌，然后在适时的条件 下接入二级种子，通入灭菌空气，发酵过程中用冷循环水保持罐温在2 8 。c ，根 第二章沽霉素发酵过程控制及生产工艺概述 据代谢的情况适当通氨补料，并根据泡沫的多少加入适量的油进行消泡，在搅 拌下培养7 至8 天，发酵单位达3 8 0 0 u m l 以上即可放出提炼。发酵过程中补入 的糖、硫酸氨等要事先消毒，进入发酵罐的液体所经过的管道，阀门等也要先 用蒸汽灭菌，发酵过程中罐内保持正压，以防杂菌进入。在该三级发酵过程中， 每隔八小时要对罐内的p h 值、还原糖、氨基酸、菌体浓度、残糖浓度等参数进 行化验。根据化验的结果补入糖、硫酸氨、氨水等来满足细菌最大程度分泌洁 霉素的需要。在整个发酵过程中，p h 值一般保持为7 左右。加入糖是为了保持 细菌生长最大程度分泌洁霉素所需的糖源。由于氨水为弱碱性，加入这两种物 质的作用一方面保持细菌生长所需的氨源，另一方面对细菌生长环境的p h 值起 到调节作用，以使细菌能最大程度的分泌抗生素。 三级罐发酵过程很大程度决定了洁霉素的最终产量，在整个洁霉素发酵过 程中占据着极其重要的地位。国内的华北制药厂最大发酵单位为5 6 6 6 u m l 左右， 但国外已有8 0 0 0 u m l 的报道，差距很大【8 】。 2 2 发酵过程控制概述 2 2 1 发酵过程控制的概念和基本方法 为了控制发酵过程，必须了解其特性。现在对微生物的认识已不是巴斯德 时期的“微生物”，而是进入到分子生物学及微生物细胞的代谢调节为主的研究。 生物细胞是复杂的生物反应体系。现代生物技术已使这样的复杂变化具有方向 性，即所谓控制发酵。采用控制发酵技术的氨基酸，核酸发酵的出现就是这种 水平的体现。这种状态促使人们致力于发现和研究微生物与其周围环境之间的 相互作用，同时按照人们的意愿设法改进这种相互作用。于是，生化工程工作 者的任务就是如何设法调节控制这种作用，并且还要按照经济原则将实验室的 控制结果放大到生产规模，这就是“发酵过程控制”的出现。 由此可见，。发酵过程控制”包含两个方面【9 】：其一，如何改变细胞的遗传 组成和细胞的代谢生理特性，即细胞的“内部控制”。另一就是“外部控制”即 包含营养成份，细胞体及代谢产物在内的细胞生长的物理、化学环境条件控制。 本论文研究的范围为“外部控制”即发酵过程环境控制。 6 第二章洁霉素发酵过程控制及生产工艺概述 2 2 2 发酵参数 为了实现良好的外部控制，首先需要了解微生物与环境间相互作用的情况。 微生物发酵过程的参数可分为物理参数、化学参数和生物参数【1 0 l 。 1 、物理参数 通常有生化反应器温度( t ) ，生化反应器压力( p ) ，生化反应器体积( v ) ， 空气流量( f a ) ，冷却水流量( f w ) ，冷却水进出口温( t 1 和t 2 ) ，搅拌马达转 速( r 仰) ，搅拌马达电流( i ) ，和泡沫高度( h ) 等。这些物理参数大都实现 了自动测量。 2 、化学参数 发酵过程典型的化学参数有p h 值和溶解氧浓度d o 两个参数，对微生物的 生长，代谢产物的形成极为重要。过去，由于缺乏耐消毒的能进行无菌操作的 p h 电极和溶解氧( d o ) 电极，无法做到实时在线测量。目前，已有成熟的p h 电极和溶解氧( d o ) 电极可供使用，实现了这两个参数的在线测量。 3 、生物参数 发酵过程的生物参数包括微生物呼吸代谢参数、生物质浓度、代谢产物浓 度、底物浓度以及微生物比增长速率、底物消耗速率和产物合成速率。微生物 呼吸代谢参数的在线测量是可以实现的，可是由于技术上的原因，表征微生物 生长状态的菌体浓度、底物浓度和产物浓度在线测量比较困难，由于近红外分 析仪的突出优点及其在工业生产中的成功应用，国外己有将其用于发酵过程生 物参数在线测量的报道。 1 ) 呼吸代谢参数 微生物的呼吸代谢参数一般是指氧利用速率( o u r ) 、二氧化碳释放速率( c e r ) 和呼吸商( r q ) 。这三个参数可以通过在线测量尾气中的氧、二氧化碳的浓度， 根据质量平衡计算出来。 2 ) 生物质、底物和产物浓度 就目前来说，这三个参数还无法实现在线测量，一般是每隔几个小时由操 作i n 现场取样，在实验室利用分析仪器实现离线测量，这些数据因为相距时 间太长，很难在实时控制中应用。如果想要确切知道各个发酵时刻的状态，只 有通过状态估计的方法由其他参数对其进行估计，不过精度不是太好。为使生 产能够安全平衡地进行，发酵过程中的各个参数都有其最佳操作点，这都是经 7 第二章洁霉素发酵过程控制及生产工艺概述 过大量实验总结出来的，最后形成发酵工艺。操作工严格按照工艺要求来进行 操作，控制发酵生产朝着规定的方向进行。 2 3 发酵过程主要参数控制算法的研究现状 抗生素发酵是一个复杂的生化反应过程，为了提高发酵单位，必须保证在 整个进程中有一个适应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，以进一步提高发酵产品的发酵单位，因此对发酵环境的监控是发酵工 业中极为重要的环节。围绕着发酵罐，通常进行下述的发酵参数的控制。 ( 1 ) 发酵温度控制 对于特定的微生物，都有一个最适宜的生长温度。如果从生物酶动力学方 面考虑，酶的最佳活力对应着某一最好温度。因此，微生物发酵过程的发酵温 度的控制，是一个很重要的微生物生长环境参数，必须严格地加以控制。影响 发酵温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热，冷却水本身的温度变化以 及周围环境温度的变化等。对于小型的发酵罐温度控制系统是以发酵温度为被 控制参数，冷却水流量为控制参数的简单p i d 单回路控制方案。对于大型的发 酵罐系统，则采用发酵温度为主回路，以冷却水系统为副回路的串级控制方案。 有人借鉴自适应思想，采用分段调整p i d 控制，将各段p i d 参数固化于各 控制站内，这种方法不是最优方法，但在实践应用中却是理想的。在温度控制 中，由于热交换引起的滞后时间大，而且不稳定，因此文献【l 采用具有时序控 制功能、时间最优的p i d 调节系统，即b a n g - b a n g 控制与反馈控制相结合，使 给定值由一个状态运动到另一个状态所经历的过渡时间最短。其中，考虑积分 分离、积分限幅以减少超调，p i d 改进算法中引入不完全微分抑制扰动信号。此 法经实际运行，控制精度达到o 5 0 c 。 浙大杨一兵博士论文【1 2 】中，采用串级控制方法，以冷却水流量为主要控制 手段实现温度的调节。文中考虑到发酵各个时期控制特性有所变化，故对p i d 参数采用线性校正和模糊校正的方法进行在线校正。 文献【1 3 j 中对温度控制的模糊算法进行了探讨，为了消除静差，采用 f u z z y p i d 控制，在大偏差时采用模糊控制，可使上升时间短、超调小，在小偏 差范围内进行p i d 控制，以消除静差。系统控制程序用汇编语言编写，其实现 了对发酵温度的控制，在模糊p i d 控制下，罐温的控制精度达到了0 1 0 c 。 8 第二章沽霉素发酵过程控制及生产工艺概述 ( 2 ) 发酵过程p h 控制 p h 值又是微生物生长的另一个重要参数。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。在工业生产上，若 发酵液p h 值偏低，则通过加氨水的方法，使其p h 值回升；若p h 值偏高，在 发酵前期，可适当增加糖的补加量来调整，一般没有其它控制手段。通常工业 中，p h 控制系统的氨水不是直接加入反应器，而是通过空气管道与空气一起送 入反应器的，这样使氨水充分分散于发酵液中，不会造成局部p h 值的偏低或偏 高。而且为了防止调节阀门的泄漏，调节采用气动开关阀，它由电磁开关来控 制。 p h 对象特性具有以下一些特点：时变性、不确定性( 影响因素多所致) 较 大的时滞。由于这种复杂性，从机理入手建立模型是相当困难的，采用常规控 制也几乎不可能。实践证明，采用智能模糊控制是可以成功的。在p h 控制中， 可选择p h 值和给定值之差作为过程输入，加入酸或碱的量为过程输出，将p h 值和酸碱输入量经精确量f u z z y 化，转换成模糊变量值，建立相应的模糊规则， 求得模糊关系以及最后作出模糊判断，定出加入的酸碱量，再通过开关量输出 控制酸碱液电磁阀的启动次数，使p h 值逐步逼近设定值，以达到较好的控制效 果。 文献【1 4 1 提出一种具有非线性补偿的变增益控制策略，即将整个p h 参数的变 化范围分成若干子区间，每个区间对应一组控制器参数。参数的选择既吸取了 生产专家的经验又兼顾区间补偿与整体特性的线性。当参数进入某区间时，一 组与之相适应的控制器参数自动跟踪变化。从而较好的适应了p h 这一非线性、 时变过程对控制策略的要求。此方法已用于实际的工厂生产，控制效果明显。 ( 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。影响溶解氧浓度的因素很多，除了供给的空气量、搅拌浆转速和发酵罐 压力和罐温等可测参数的影响外，基质浓度、产物浓度等不可测参数对其也有 影响。由此可见，发酵过程的溶解氧的对象特性很难通过系统辨识方法获得， 传统的控制方法难以得到理想的控制效果，引入人工智能的方法，采用专家系 统进行控制。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浆转 速或者调节供给的空气量来实现。但通过一些抗生素发酵实验，发现搅拌转速 9 第二章洁霉素发酵过程控制及生产工艺概述 对产率的影响远比空气流量大。因此，采用专家控制系统控制搅拌转速的方案， 而空气流量保持定值。 以改变罐压、通气量所组成的溶解氧串级控制方案。罐压由进气调节阀的 开度控制，通气量由出气调节阀的开度控制，在主回路中引入f u z z y - p i d 串级控 制。溶解氧调节器为主调节器，罐压和通气量为副调节器。其中罐压和通气量 两个独立的副回路仍采用常规数字p i d 控制，溶解氧主回路采用模糊控制，其 给定值根据发酵过程生长期和生产期的临界氧浓度分段设定。副回路根据主回 路提供的给定值进行数字化p i d 控制。此方法在1 0 l 柠檬酸和2 l 氨基酸发酵试 验罐的应用实践表明，该方法对改善系统的动、静态特性，克服系统时滞、时 变和耦合是有效的，取得了较好的控制效果i ”j 。 ( 4 ) 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，这时候，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，以减少泡沫，防止发酵液上浮。这样的控制， 通常用双位式的控制方法，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。 福州抗生素集团公司的金霉素发酵生产中，采用微机自动加油消泡，加油 除了受加油率的控制，还受高低电极的影响，当低位电极不通时，用户输入的 加油率不起作用，当发酵液起沫时发酵液接触到低位电极，低位电极接通，系 统按用户输入的加油率加油，如果沫严重，高、低位电极都接触到发酵液时， 高、低位电极全部接通，则油阀处于常开状态连续加油【1 6 】。 ( 5 ) 补料控制 由于发酵过程中基质浓度等参数目前无在线检测手段，因此还难以实现营 养物质补料的闭环控制，大多采用人工分时补料方式进行补料。这种方法会对 发酵过程造成很大的冲击，进而破坏发酵过程的物料平衡，使发酵过程的温度、 p h 、溶解氧等参数波动。发酵过程优化控制主要是补料的优化控制。 在抗生素发酵过程中，随着发酵的进行，微生物生长状态的生物代谢状况， 中间要连续不断地补充营养物质，使微生物按照优化的生长轨迹生长，以获得 高产的微生物代谢产物。由于微生物和代谢状况无法实时在线测量，使得这一 补料控制极为困难。一般的发酵工业生产过程是根据实验室大量的试验研究结 1 0 第二章洁霉素发酵过程控制及生产工艺概述 果得出的补料轨迹来指导工业生产的补料，发酵工艺技术人员根据离线的试验 数据适当修正补料速率。这种方法，不能确保发酵过程沿着优化的轨迹生长， 不能获得最好的代谢产物。为了解决这一难题，发酵工艺技术人员与自动控制 人员一起，共同研究，企图寻找出好的补料方法和策略。例如基于出口气体二 氧化碳的释放率来控制补料速率旧【13 】；有的用化学元素平衡的方法来调整补糖 量【1 9 】；也有的用控制呼吸商的办法来控制补料【2 0 】等等。直至今日，如何控制好 中间补料，仍是亟待解决的难题，此部分内容属于发酵建模优化部分。 第三章洁霉素发酵过程控制系统设计 3 1 引言 第三章洁霉素发酵过程控制系统设计 发酵是生物技术产业化的基础，随着生物技术的发展，对发酵过程控制的 研究逐渐成为这一领域的研究热点。如何控制好发酵过程中对微生物生长繁殖 代谢有影响的环境参数的变化，将对提高产品产量，节省原料投入有很大意义。 由于生物参量测量的困难性和发酵过程的复杂性，生物发酵过程大多以人工控 制为主，大大影响了工艺水平和管理水平的提高，造成了发酵过程的不稳定， 能耗大，成本高等问题。采用计算机控制技术，对发酵过程进行实时监测、控 制、管理和优化操作，不但能解决上述存在的问题，而且可以提高自动化水平， 减轻操作人员的劳动强度，提高发酵系数和经济效益。 本章针对洁霉素发酵生产的过程，根据系统控制要求和发酵工艺特点，集 成洁霉素发酵过程控制系统。 3 2 控制系统设计要求 发酵设备为1 0 0 l 不锈钢罐体，采用强磁力搅拌机构，可以实现在位灭菌。 在发酵罐上装配有搅拌电机和进行温度调节的加热和冷却装置，并配有温 度、溶氧、p h 值等配套检测设备。发酵罐除了对温度、搅拌转速、通气流量、 罐压、消泡、p h 、溶解氧浓度( d o ) 、发酵液真实体积( 或重量) 、三个补料量 ( 还原糖、硫酸氨和氨水) 等在线测量，并具与尾气二氧化碳和氧气分析仪连 接的接口，由此，可进一步精确得到在发酵过程优化与数据放大所必须的间接 参数如：摄氧率、二氧化碳释放率、呼吸商、体积氧传递系数、比生长速率等， 随时了解发酵各种参数的变化情况，并进行优化控制。 对洁霉素发酵过程控制系统提出如下要求： 1 ) 系统负责洁霉素发酵过程自动化运作的监控和管理，控制系统稳定 可靠周全，能实现2 4 小时全天候连续运转，按照工艺要求达到自动操作。 2 ) 利用工艺参数的反馈，实现反应过程的闭环控制，提高反应的效率， 1 2 第三章洁霉素发酵过程控制系统设计 节约能源并且提高系统的抗冲击性。对发酵罐的主要环境参数( 如搅拌转速、 发酵液温度、p h 值、溶氧值等) 控制指标如表3 1 所示： 表3 i 主要环境参数控制指标 参数 控制范围控制指标 温度 2 8 0 c 0 2 0 c 转速1 1 5 r m i n5 r m i n p h70 5 p 日 溶氧o 1 5 0 3 补料 时间比例补料或智能方式补料 消泡不逃液，根据泡沫信号时间比例加消泡剂 3 ) 对主要工艺参数( p h 值、溶氧值、液位、温度) 和各种设备( 如伺服 电机、光电开关、电磁阀等) 的工作状态进行监控，并设置工艺参数l 临界状态 的报警，生成及打印指定时间内的数据报表和变化曲线。 4 ) 系统应具有“自动控制”、“手动控制”二种工作模式。正常情况下为自动 控制模式；异常情况下为手动控制模式，此时仅监视设备工作状态。 5 ) 监控机的监控界面友好，操作方便。各级管理操作权限设置具有良好的 安全性。主要工艺参数的设置和更改方便，以有利于流程的变化。 3 3 控制系统硬件设计 3 3 1 硬件结构 根据工艺要求，整个系统采用i p c + p l c 的硬件结构，如图3 1 所示： 第三章洁霉素发酵过程控制系统设计 图3 1 发酵控制系统硬件构成 下位机选用西门子公司的s 7 3 0 0 系列p l c 。p l c 与检测设备、执行机构和 发酵罐之间构成多回路控制，实现对系统的数据采集及控制。每一台p l c 控制 单个发酵罐生产，先从现场采集系统的输入参数，然后对这些采集到的数据进行 不同的算法处理，最后将运算所得的控制量进行输出，用来控制继电器和电机 等动作，从而完成闭环控制功能。 上位机选用处理速度快、存储量大的工控机，用来完成对系统的发酵参数 的实时显示、数据管理、数据分析、系统参数设置、配方下载等。 系统的主干网络采用p r o f i b u s 网络，p r o f i b u s 总线是一种新型现场总 线，可承担现场层、控制层、监控层三级通信。上位机通过m o d b u s 协议与p l c 进行双向数据交流。 3 3 2 各控制回路控制装置 洁霉素发酵控制系统需要对温度( t ) 、p h 值、溶解氧和泡沫高度、补料进 行重点控制，各回路控制装置具体如下： 1 ) 温度控制：由一个加热盘的开关和进冷却水的电磁阀组成。当发酵罐内 温度高于某个设定值时，系统自动开启电磁阀进冷却水，以达到对发酵罐降温 的目的；当温度低于某个设定值时，系统会开启加热盘开关，同时关闭电磁阀。 为避免由于系统故障而造成的温度过高或过低，冷却水电磁阀和加热盘的开启 1 4 第三章洁霉素发酵过程控制系统设计 关闭分别可进行手动方式调节。 2 ) p h 控制：由一个加酸泵和一个加碱泵组成，泵采用2 4 v 3w 的微型直 流电机来驱动。当口h 值高于设定值时，系统自动启动加酸泵，以时间比例方式 为发酵罐加酸，从而调整p h ，当p h 小于设定值，则启动加碱泵来调节。此外， 加酸、加碱可有自动和手动两种控制方式。 3 ) 溶氧控制：由手动调节空气压缩机进气量和控制电机转速组成。前者 包括空气压缩机、压力表、浮子式流量计，其中空气流量通过流量计测得，空 气由压缩机以一定的压力打入发酵罐；电机转速由变频器来控制，由转速检测 元件、控制器、变频器、电机组成。采用调节电机转速的方法控制溶解氧。 4 ) 消泡控制：由消泡电极和加消泡剂的蠕动泵组成，控制方式有手动和 自动两种组成。处于自动方式时，如果消泡电极检测到泡沫过多，系统会启动 蠕动泵，按时间比例加入消泡剂。 5 ) 补料控制：由一个添加补料的蠕动泵组成