摘要: 工业生产发酵过程控制系统,可用于发酵过程营养剂补加控制、消沫控制以及对发酵过程中温度、罐压、PH值、供气量等参数的控制。系统用于抗生素、VC、VB、酶制剂、酵母、味精等发酵生产过程控制。
关键词: 工业过程控制; 医药; 发酵工业; 计算机应用
一、发酵生产过程采用计算机控制的意义和现状
我国是发酵工业大国,但目前我国发酵工业的控制技术还比较落后,在工业生产中仍以人工控制为主,采用计算机控制技术起步较晚,普及率太低。为尽快扭转发酵过程控制技术落后的局面, "七五"末期,在全国电子信息推广应用办公室的支持和国家医药管理局计算机推广应用办公室的组织下,首先在青霉素发酵过程中进行试验,并取得了良好的效果。"八五"期间又陆续在土霉素、洁霉素、维生素C等产品中推广应用,经济效益十分显著。统计资料表明,我国青霉素发酵单位"七五"期间在25000U/m1左右徘徊,由于采用计算机发酵过程控制技术和菌种的改进,到"八五"期间已经突破5000U/m1大关。仅华北制药厂、哈尔滨制药厂和济宁抗菌素厂与"七五"期间相比,年纯增经济效益超过3000万元。"九五"期间,国家医药管理局仍然把发酵生产过程采用计算机控制技术列为推广工作的重点。
1987年502所承接了哈尔滨制药厂的"青霉素发酵过程微机控制系统"工程项目,开始了对我国微机控制发酵工艺的应用研究。经过几年的努力,目前发酵生产过程中主要物理、化学参数和部分生物参数的计算机控制技术较为成熟。已开发成功的FK?Ⅰ型发酵过程控制系统应用在抗生素、维生素、酶制剂、酵母和味精的发酵过程中均取得了明显的经济效益。已具备在发酵工业中全面推广的条件。
二、FK?Ⅰ型发酵过程控制系统
在医药工业中各种抗菌素的生产,维生素C、B和酶制剂的发酵过程,以及在食品工业中味精和酵母的生产,虽各具特色,各有自己的特点,但对其常规参数的检测与控制基本相同。502所开发的首先用在抗生素生产中的FK?Ⅰ型发酵过程控制系统可满足上述各种产品的生产过程控制。
1?主要技术参数
·检测参数:发酵温度、消毒温度、通气流量、罐压力、发酵液体积、PH值、溶解氧分子含量、尾气中的二氧化碳和二氧化碳含量、搅拌速度等,以及公用工程参数检测。
·控制参数:发酵温度控制、发酵液PH值控制、营养剂流加控制、消沫防逃液控制、通气流量控制、罐顶压力控制、连消控制等。
2?系统的构成
发酵过程控制系统采用三级管理,也可只取二级管理系统。系统框图见图1。在该系统中,虚线框内自成一个二级管理的控制DCS系统,监控站用于对全车间发酵罐群的集中检测与参数给定控制,并对各罐发酵参数集中显示和存储。监控站配有51厘米彩色CRT、点阵打印机和彩色喷墨打印机(PRN)。针式点阵打印机用于各种数据表格打印,彩喷用于显示彩色画面拷贝。主要画面括概貌画面,分组画面,单元画面,报警画面,动态流程画面,实时趋势画面和历史趋势画面等。
现场控制器是该系统控制功能的核心,发酵生产过程中各种参数检测与控制均由该部分来完成。在我们完成的数十套系统中,这部分采用不同的计算机系统。
在FK?Ⅱ型发酵过程控制系统中,现场控制器采用康拓公司研制的STD5000系列工业控制机,现场控制器配有操作员面板,采用36厘米彩色CRT和键盘。可进行参数设定、测控参数显示和参数超差报警、状态提示等。一台现场控制器可对二只发酵大罐或者八只种子罐和公用设备进行测控。
在FK?2000型控制系统中,我们采用HONEY WELL公司R150或者S9000 DCS系统。一台现场控制器可对四到六只发酵大罐进行控制。为了适应发酵过程营养剂补加控制和消沫控制的特殊要求,我们开发了与之配套的补料控制器和防污染消沫控制器,在螺旋霉素、VC发酵中取得了良好的效益,深受企业欢迎。
管理站用于更高一层的管理,可对全厂多个发酵车间测控参数进行集中管理,进行物料和能源的平衡等,也可对生产过程参数进行分析处理,优化生产工艺。
目前我们正在尝试把企业其他生产管理纳入该系统中,例如能源管理,计量、仪表管理和仓储管理,组成一个全企业计算机管理网络。
3?与发酵控制系统配套的仪表
发酵过程控制与常规计算机控制在很多方面是相同的,但由于发酵工业生产的特殊性,在其营养剂流加控制和消沫控制方面,常规的计算机控制办法难以解决,为此我们专门设计了与之配套的补料(营养剂)控制器和消沫控制器。
(1)补料控制器
补料控制器主要是为了解决发酵过程中由于料液清洁度、粘度和高温灭菌等因素,使用常规的流量计与调节阀反馈控制难以保持正常工作状态,特别是无法克服发酵过程染菌的问题而设计的。我们采用了计量罐与开关阀控制的方法。其工作原理是:根据计量罐体积和补料速率计算出补一罐营养剂的周期,通过改变补一罐料液的周期来改变补料速率。例如:选用1升罐体,设定补料率为100升/小时,在计算机控制下,把1小时分成100个等间隔时间,分别在此时间内流加一罐营养剂,即每36秒钟补加一罐营养剂。
由于隔膜开关阀密封性好,解决了耐高温消毒,防污染和克服染菌等问题,在发酵过程营养剂补加控制中取得良好效果。该控制器可独立使用,也可通过串口或并口在计算机控制下配套使用。
(2)FXⅠ防污染消沫控制器
在发酵工业生产中,经常拌随着泡沫的产生,当泡沫增多时,除了给发酵带来很多不利因素,还会出现逃液,给生产带来直接的经济损失。发酵过程中,消沫控制是不可缺少的工作。
目前在国内发酵工业中,均采用电阻式单电极测量原理的消沫控制,在一般正常工作条件下来达到消沫目的。但在使用过程中,由于污染结垢而引起电极绝缘性能下降,在电极表面产生泄漏电流,造成电极呈短路状态,引起控制失灵,产生误动作,造成过量加入消泡剂,同样给生产造成损失。
FXⅠ防污染消沫控制器采用双电极式电阻测量原理,其中一个敏感电极用于探测液位,另一个保护电极用于抵消污垢产生的泄漏电流;有效地避免了因污染造成的误动作。该控制器在系统中配套使用效果良好。
三、传感器和执行器
发酵过程控制系统是一个机电一体化的控制系统,在系统中,计算机是核心和纽带,就工业现场应用而言,系统成败的关键却在传感器与执行器上。特别是执行器,如果满足不了防污染、不染菌的技术条件,将会给生产带来灾难性的后果。
在FKⅠ发酵过程控制系统应用过程中我们经多年筛选,已有一系列配套的传感器。特别是在尾气CO?2和O?2的测量中,我们成功地研制了尾气净化的预处理设备,为发酵动力学在工业中的应用打下基础。
在执行器方面,利用航天技术成果,开发出一系列可满足发酵过程补料控制,消沫控制,PH值控制等专用计量罐和不锈钢波纹管气动隔膜阀,阀门工作寿命达100万次以上。由于实现了控制回路与受控介质之间全密封,有效地解决了不泄漏,耐高温、不染菌等难题。在系统中配套使用,取得了良好的效益。
四、发酵控制系统的发展方向
生物发酵工业正以其光辉的前景吸引着愈来愈多的人们去研究,目前计算机控制仅仅是起步。发酵过程的计算机优化控制,或者说采用知识工程、专家系统的发酵过程控制系统将是今后发展的必然趋势。为实现发酵过程高级控制系统,尚需在现有计算机控制基础上,建立生化过程数据库,依靠专家的指导、归纳和分析,并利用知识工程的方法发挥和完善数据库的功能。通过人机系统沟通使用者与知识库,然后在生产过程中实现生产的优化控制。这将是一个长期的积累工作。计算机与控制工程技术专家,需提供在线测量细胞、培养基和产品的浓度,在线监控细胞的生理活性的有效手段。
