一、前言

微生物發(fā)酵過(guò)程是發(fā)酵行業(yè)中一個(gè)十分重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié),是一個(gè)復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程,為了提高最終產(chǎn)物的得率,必須保證在整個(gè)操作進(jìn)程中有一個(gè)適宜的微生物生長(zhǎng)代謝環(huán)境,在此基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)酵過(guò)程控制進(jìn)行優(yōu)化。因此對(duì)發(fā)酵環(huán)境的控制是發(fā)酵工業(yè)中極為重要的環(huán)節(jié)。采用計(jì)算機(jī)控制, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵過(guò)程參數(shù)的在線實(shí)量檢測(cè)、記錄、圖形顯示、歷史數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)、報(bào)表打印和環(huán)境參數(shù)自動(dòng)控制。

近年來(lái)，生物技術(shù)工業(yè)發(fā)展迅速，生物發(fā)酵技術(shù)和發(fā)酵裝置作為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，已引起人們廣泛的關(guān)注。微生物發(fā)酵過(guò)程，機(jī)理十分復(fù)雜，影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，很難用確定的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，加之缺乏在線檢測(cè)發(fā)酵生物量參數(shù)的傳感器，給生物發(fā)酵自動(dòng)化帶來(lái)了困難，因此開(kāi)發(fā)一個(gè)能有效監(jiān)控系統(tǒng)十分必要的。

二、微生物發(fā)酵系統(tǒng)方案

1、微生物發(fā)酵過(guò)程環(huán)境控制系統(tǒng)

發(fā)酵過(guò)程較為復(fù)雜,涉及到微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝,是一個(gè)具有時(shí)變性、隨機(jī)性和多變性輸入輸出的動(dòng)態(tài)過(guò)程。由于有些變量(菌體濃度、基質(zhì)濃度、產(chǎn)物得率等)在線檢測(cè)困難,不能直接作為被控變量,因此在發(fā)酵過(guò)程中主要采用與質(zhì)量有關(guān)的變量,如溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、pH值、溶解氧、通氣量、泡沫等作為被控變量。針對(duì)發(fā)酵過(guò)程中影響微生物代謝的各環(huán)境參數(shù)的重要性,主要介紹對(duì)溫度pH、溶解氧和泡沫高度進(jìn)行重點(diǎn)控制。

（1）溫度控制

溫度控制對(duì)于特定的微生物,都有一個(gè)最適宜的生長(zhǎng)溫度。因此,微生物發(fā)酵過(guò)程的發(fā)酵溫度的控制,是很重要的微生物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)。PID控制算法是工業(yè)工程中應(yīng)用最廣的、技術(shù)最成熟的基本控制算法,考慮到其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,參數(shù)易于調(diào)整,控制精度高,適用性廣,并具有無(wú)余差功能。所以溫度控制采用這種算法, 并單獨(dú)構(gòu)成控制回路。

（2）PH控制

PH值是微生物生長(zhǎng)的另一個(gè)重要環(huán)境參數(shù)。在發(fā)酵過(guò)程中,必須嚴(yán)格加以控制,否則會(huì)嚴(yán)重影響微生物代謝的進(jìn)行和代謝產(chǎn)物的合成。由于發(fā)酵過(guò)程pH 調(diào)節(jié)對(duì)象的特性的時(shí)變性較強(qiáng),故pH調(diào)節(jié)劑的加入與發(fā)酵液pH變化關(guān)系復(fù)雜,在某些pH值附近，pH變化對(duì)加入的pH調(diào)節(jié)劑的量非常敏感,而另一些pH值附近,靈敏度卻顯著降低。采用控制蠕動(dòng)泵的通斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)酵液中的pH值可解決該問(wèn)題。Ph值檢測(cè)用ph計(jì)。

（3）溶解氧濃度控制

在耗氧型發(fā)酵過(guò)程中,氧是作為微生物生長(zhǎng)必須的原料,若供氧不足,將會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)和代謝的進(jìn)行,為此,在發(fā)酵過(guò)程中,要保持一定的溶氧濃度DO。影響溶解氧濃度DO的主要因素有供給的空氣量、攪拌槳轉(zhuǎn)速和發(fā)酵罐的壓力。目前,國(guó)內(nèi)發(fā)酵罐溶解氧濃度的控制主要通過(guò)采用調(diào)節(jié)攪拌槳轉(zhuǎn)速或者調(diào)節(jié)供給的空氣量來(lái)實(shí)現(xiàn),并且多為人工操作,控制精度不高?？蓪O濃度變量(主參數(shù))作為被控變量,以攪拌轉(zhuǎn)速(副參數(shù))為控制手段,組成一個(gè)有主、副兩個(gè)回路的串級(jí)控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速的實(shí)際值是不斷隨發(fā)酵罐內(nèi)的溶氧的變化而變化的, 最后達(dá)到主參數(shù)控制在給定值上。溶解氧濃度控制用溶解氧分析儀。

（4）液位與消泡控制

在發(fā)酵前期,微生物生長(zhǎng)旺盛。加入液料滿載,攪拌馬達(dá)全速開(kāi)動(dòng),空氣通入量達(dá)到最大,這時(shí)發(fā)酵液上浮很厲害,稍有不慎,就可能會(huì)產(chǎn)生逃液現(xiàn)象。此時(shí)必須及時(shí)加入消泡劑,以減少泡沫,防止發(fā)酵液上浮。采用電阻極棒作為液位檢測(cè)元件,當(dāng)發(fā)酵液液面達(dá)到一定的高度時(shí),自動(dòng)打開(kāi)消泡劑的閥門,當(dāng)液面降回到正常時(shí),自動(dòng)關(guān)閉消泡劑閥門。在消泡控制中,過(guò)程響應(yīng)較慢,所以控制回路中應(yīng)加入時(shí)間延遲防止加入過(guò)量的消泡劑。

2、微生物發(fā)酵微機(jī)集散控制系統(tǒng)

在抗生素、酶制劑、味精釀造等發(fā)酵行業(yè)中,微生物發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)十分重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié),發(fā)酵的好壞直接影響到產(chǎn)品的數(shù)量、質(zhì)量和生產(chǎn)成本。采用微機(jī)集散控制系統(tǒng),不但實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過(guò)程參數(shù)的在線實(shí)量檢測(cè)、記錄、圖形顯示、歷史數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)、報(bào)表打印和環(huán)境參數(shù)自動(dòng)控制,而且為發(fā)酵工業(yè)的優(yōu)化控制奠定了良好的基礎(chǔ)。

目前，人們大都采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)控制,其結(jié)構(gòu)基本上都是采用工控機(jī)或PC機(jī)為上位機(jī),下位機(jī)則采用STD總線或單片機(jī),系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高。可采用上、下位機(jī)的方式構(gòu)建系統(tǒng),下位機(jī)采用PLC,上位機(jī)采用普通PC機(jī)。兩者通過(guò)串口進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。 

首先,采用PLC作為下位機(jī),并設(shè)計(jì)成能自動(dòng)選擇脫機(jī)(脫離上位機(jī))或并機(jī)兩種運(yùn)行方式,由于PLC運(yùn)行可靠,一旦上位機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題,不會(huì)影響下位機(jī)的正常運(yùn)行,另外,上、下位機(jī)之間的通訊采用專用的隔離電纜,這樣能夠很好地避免現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)的沖擊從而保護(hù)了計(jì)算機(jī),PLC本身具有內(nèi)部與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)光電隔離的設(shè)計(jì),所以現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電很難串入PLC中,這樣使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間地可靠運(yùn)行。  

根據(jù)對(duì)發(fā)酵過(guò)程在線監(jiān)控及對(duì)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行分析管理的需要,系統(tǒng)具有以下的功能: 

(1）能數(shù)設(shè)定和通信功能:包括控制參數(shù)設(shè)定、間接參數(shù)計(jì)算及離線參數(shù)輸入等；實(shí)時(shí)接收由下位機(jī)發(fā)送來(lái)的檢測(cè)參數(shù)。

(2）檢測(cè)控制功能:對(duì)發(fā)酵罐中主要的變量和生物量(如攪拌轉(zhuǎn)速、培養(yǎng)液溫度、發(fā)酵液pH值、溶解氧濃度值等)進(jìn)行在線測(cè)量,對(duì)菌體濃度、產(chǎn)物濃度和基質(zhì)濃度等間接參數(shù)進(jìn)行在線計(jì)算,以實(shí)時(shí)了解培養(yǎng)對(duì)象在發(fā)酵過(guò)程中的生理、生化特性、掌握其生長(zhǎng)趨勢(shì),為優(yōu)化工藝控制和過(guò)程放大提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

(3）屏幕顯示功能:各種實(shí)時(shí)參數(shù)、圖表、帶實(shí)時(shí)發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)動(dòng)態(tài)刷新的發(fā)酵過(guò)程監(jiān)控流程圖的顯示,以指導(dǎo)相應(yīng)操作。

(4）操作管理功能:在上位機(jī)中通過(guò)圖形操作界面及多層菜單,選擇各種操作功能,包括設(shè)置限值、對(duì)下位機(jī)設(shè)置重要控制參數(shù)、采樣時(shí)間設(shè)定,顯示或打印過(guò)程數(shù)據(jù)等。

(5）信息存儲(chǔ)及報(bào)表和曲線打印功能:記錄及保存運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)、數(shù)據(jù)是發(fā)酵過(guò)程在線監(jiān)控中的一個(gè)重要任務(wù)。通過(guò)精確的記錄來(lái)滿足各種分析統(tǒng)計(jì)的要求,以及對(duì)未來(lái)監(jiān)控的操作指導(dǎo)。記錄保存的一般實(shí)現(xiàn)方法是按一定的周期間隔獲取預(yù)先選定的數(shù)據(jù)集,并把它們保存在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件中。

3、微生物發(fā)酵過(guò)程的監(jiān)控系統(tǒng)

新研發(fā)微生物發(fā)酵過(guò)程的監(jiān)控系統(tǒng)首先根據(jù)微生物發(fā)酵原理和過(guò)程，明確控制參數(shù)和控制對(duì)象模型；創(chuàng)新性地提出了指數(shù)積分PID控制和模糊PID控制算法，并在實(shí)際應(yīng)用中得到了良好得控制效果；微生物發(fā)酵過(guò)程的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)方法，利用Lab Windows/CVI開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)了具有流程圖顯示、實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)圖顯示、歷史數(shù)據(jù)保存、Excel格式報(bào)表、工業(yè)以太網(wǎng)通訊、自定義高級(jí)算法接口等完備功能的監(jiān)控軟件；最后針對(duì)使用Rabbit2000作為嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器的不足，設(shè)計(jì)了基于ARM9高級(jí)嵌入式微處理器和嵌入式Linux強(qiáng)大的嵌入式一體化機(jī)，并利用MSP430微控制器設(shè)計(jì)了具有高抗干擾性、隔離的、能應(yīng)用于惡劣工業(yè)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集器，然后將多個(gè)數(shù)據(jù)采集器通過(guò)RS485主從式總線連接到嵌入式一體化機(jī)，使系統(tǒng)具有更好的可擴(kuò)展性。

工業(yè)控制系統(tǒng)正朝著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開(kāi)放化的方向發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)需要完成智能化，數(shù)字化改造、自動(dòng)控制，嵌入式技術(shù)及其產(chǎn)品起到了至關(guān)重要的作用。嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、能適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式應(yīng)用已由工業(yè)、通信和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到與數(shù)字多媒體相關(guān)的消費(fèi)領(lǐng)域,其強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭驗(yàn)證了全球數(shù)字化革命的倡導(dǎo)者尼葛洛龐帝的預(yù)言：嵌入式應(yīng)用是PC和互聯(lián)網(wǎng)之后最偉大的應(yīng)用發(fā)明。 

該系統(tǒng)借助迅猛發(fā)展的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了具有良好的開(kāi)發(fā)性、分散的、易于擴(kuò)展和集成的控制結(jié)構(gòu)。并且設(shè)計(jì)了直觀的、友好的、便于操作的、能兼容其他程序的監(jiān)控軟件。

（內(nèi)容參考中廣微生物）