(1. 山东省科学院生物研究所,生物传感器重点实验室, 济南，250014，
2. 济南华明生化有限公司, 济南 250200)
摘要: 以济南华明生化有限公司20000吨/a葡萄糖酸钠发酵工程为例，针对发酵过程pH值自动控制这一难题，采用山东省科学院生物研究所自行研制的SBA-发酵在线pH温度智能控制系统，通过模糊控制及其它措施，在120吨发酵罐上实现pH值自动控制，为工业发酵自动控制提供了经验和方法。
关键词:葡萄糖酸钠，发酵，pH值，自动控制
中图分类号: TP29 文献标识码: A 文章编号:
引言
葡萄糖酸钠(Sodium? Gluconate), 又称五羟基己酸钠,是一种用途极广的多羟基有机酸盐，在医药、食品、水质稳定剂、钢铁表面清洗剂、玻璃瓶专用清洗剂、水泥外加剂等方面有着广泛的用途[1]－[3]。特别在水泥外加剂方面，随着城市高层建筑的发展，葡萄糖酸钠作为减水剂和缓凝剂使用，取得了良好的效果，目前已在世界范围内迅速推广。现代饮食生活的多样化、国际化、低盐化，使人们对调味品要求越来越丰富多彩，已经用葡萄糖酸钠开发出高呈味新调味品。这种新调味品既能赋予食品酸味，又能作ｐＨ调节稳定剂，改善食品呈味性，防止蛋白质变性，掩盖苦涩，还可代替食盐制作有益健康的低盐、无盐（无NaCl）食品[4]。
来自中国商业论坛的信息：葡萄糖酸钠全世界需求量在50万吨／年，并且以每年3－5％的比例增长，而目前的产量却相差甚远。
以往工业生产葡萄糖酸钠主要采用生物发酵和多相催化氧化法[5]- [6]。化学氧化法使用重金属作催化剂，达不到食品安全要求，出口受限。而发酵法不存在这个问题，并具有成本低，质量易控制，无废水、废气等优点，随着发酵技术的进步正逐渐取代化学合成法，成为工业化生产葡萄糖酸钠的主流。2007年初，济南华明生化有限公司采用新的发酵工艺，建成年产20000吨的葡萄糖酸钠生产线。
发酵生产葡萄糖酸钠的工艺为：在发酵罐中，将一定量的营养物加入葡萄糖培养基，高温灭菌，冷却，10％黑曲霉菌接种，搅拌，通气，发酵。发酵过程中不断流加30％的NaOH溶液，控制发酵液ｐＨ值维持在5.0±0.2。残糖降至１ｇ／Ｌ以下时发酵结束。发酵液与菌体分离后，经浓缩、结晶得葡萄糖酸钠晶体，经干燥制得葡萄糖酸钠粉状产品。
整个发酵过程的关键是pH值控制。由于pH值的变化会引起各种酶活动的改变，影响菌对基质代谢的速度，甚至改变菌的代谢途径和细胞结构。只有将发酵液的pH值控制在菌合适的pH值范围内，才有利于菌的生长、发育和繁殖 [7] 。
济南华明生化有限公司选用优良菌种及先进发酵工艺，故葡萄糖酸钠发酵过程产酸速度极快，pH值的变化非常迅速。若采用传统的人工放液——pH计测量——手动调节碱阀，是极其困难的。稍有不慎，就可能造成发酵失败而倒罐。在工程调试初期曾人工控制pH值进行了3批发酵，不但投入人员多，且pH值波动大，生产周期长，质量也难以保证。因此，对于葡萄糖酸钠工业化生产，发酵过程必须进行pH值自动控制。
然而，pH值自动控制一直被认为是过程控制中最困难的之一 [8][9] 。特别是微生物发酵，是一个极其复杂的生化反应过程，存在着本质非线性和严重的大滞后。采用常规控制难以完成。同时工业化大规模生产，也给自动控制系统的各项性能提出严峻考验。一旦控制系统失误损失严重。
山东省科学院生物研究所承担了济南华明生化有限公司葡萄糖酸钠发酵pH自动控制系统的全部设计施工任务，采用该所独立研制开发、针对发酵过程专门设计的SBA－发酵在线pH温度智能控制系统，成功解决了上述难题，在120吨葡萄糖酸钠发酵罐上实用了pH值自动控制。
1.实现方法
1.1系统组成
采用SBA－发酵在线pH温度智能控制系统。该系统由pH温度智能控制仪（下位机）、pH电极（传感器）及变送器、温度传感器、执行器、上位计算机等部分组成，系统组成原理图见图1。pH温度智能控制仪采用8位ATMEL高性能单片机设计，上位机为研祥工业控制计算机，应用软件自行研制开发，与智能控制仪之间的通讯采用目前工业最成熟的485现场总线。现场执行器采用电磁阀。
 |
1.2系统功能
pH温度智能控制仪即下位机，是独立于上位计算机的智能控制仪表，完成对pH值、温度的信号采集，数据存储，pH、温度在线校正，参数设置，报警设置，控制设置，口令设置，与计算机通讯等；对pH值可以实现曲线控制，即按照工艺曲线要求，预先分段设置好不同时段的pH控制值，最多可达9段；每段pH值控制可分别加酸、加碱或酸碱控制；同样也可对温度进行曲线控制，最多可达9段；每段可分别加热、冷却或冷热控制。在控制仪上还分别对pH加碱、加酸、冷却设置了独立的手动操作开关，以及手动/自动转化开关，可实现手动/自动双向无扰动切换。
上位计算机完成接收下位机的数据，显示各发酵罐工艺过程参数、曲线，打印报表，数据保存，浏览历史数据及曲线，设置各参数报警阈值，进行报警输出，通过对历史曲线、当前工艺参数及发酵水平的分析计算,优化工艺条件,同时能实现网络计算机管理。
1.3系统特点
1.3.1 pH模糊控制
由于微生物发酵过程存在着本质的非线性、时变性以及严重的大滞后。发酵罐越大，这种滞后的影响越大。很难对过程建立精确的数学模型。传统的控制策略往往难以获得满意效果。
模糊控制作为智能控制的一种类型，是控制理论发展的高级阶段产物，主要用来解决传统方法难以解决的复杂系统控制问题。[10]－[11]模糊控制是应用模糊理论,通过模拟人脑思维,建立一整套完整的控制规则来完成的。模糊控制系统的稳定性优于常规控制系统，鲁棒性高，抗干扰能力强，因此得以在较大规模的以及很复杂的系统中推广应用。[12]
在SBA-pH温度智能控制系统中，设计有多种控制方式，其中包括简单比例控制，时间脉冲输出控制，仿人工模糊控制等。根据葡萄糖酸钠发酵工艺特点，在本工程中采用了仿人工模糊控制模式。
本系统的仿人工模糊控制模式是根据发酵过程控制特点建立模糊规则，即将文字描述的针对具体控制对象的手动操作策略，用模糊条件语句集表示。该语句集周密的考虑了全部过程可能出现的情况和相应的处理措施，例如考虑到快速调整，提高精度，设置的模糊规则为：当pH值偏差在设定范围内且偏差的变化趋势增大到一定值时，输出量加倍。为抑止超调，设置模糊规则为：当pH值偏差在设定范围内且偏差的变化趋势减小到一定值时，停止输出。采用这种基于知识的人工智能控制模式与传统控制模式相结合，更多地吸纳专家和现场的经验，可以有效克服pH的非线性及大滞后带来的影响。
控制系统采用二维模糊控制器[13]。输入量为ｐＨ设定值与测量值的偏差ｅ以及偏差变化率△e,最终输出量为电磁阀打开时间u1。模糊控制过程步骤如下：，
（1）计算葡萄糖酸钠发酵罐的pH值偏差ei＝pH设定值－pH测量值
（2）计算误差变化率△ei=ei- ei-1, △ei-1= ei-1-ei-2
（3）查询模糊论域量化表，得到误差和误差变化的论域
（4）查询模糊规则表得到模糊输出量U，
（5）通过反模糊化后得到u,再通过量化因子ku计算出控制输出 u1；
仿人工智能模糊控制算法的实现采用单片机系统完成。
在第1批pH值自动控制试验运行时，发现控制略有滞后。随即对模糊参数进行了适当调整，第2批运行时即达到满意的效果。整个发酵过程控制平稳，没有出现第1次的滞后现象，也没有出现超调。经过两批发酵运行便完全确定了控制模式及控制参数。目前已发酵90批，经过半年多的时间，控制参数无须调整运行良好。
1.3.2 碱液控制采用电磁阀 在过程控制中，对流量的控制，常规方法大多采用调节阀加PID调节。但调节阀易泄漏，成本高，维护量大。考虑到该工程对可靠性要求高，而又希望经济实用，维护方便，故碱液流量的调节采用电磁阀，由软件配合完成pH控制。
1.3.3 在线校正 发酵过程中，pH值的准确检测是实现pH值自动控制的基础。一般在发酵前需对pH电极进行校正。由于发酵过程每批都必须经过高温原位灭菌，当pH电极长期多批次运行后，会出现校正过的pH电极有偏移的情况。无论是进口电极还是国产电极这种情况都可能出现。为此，在控制仪上设计了在线校正功能，可在发酵过程中进行零点校正和线性校正，从而进一步保证了检测精确性。
1.3.4 手动/自动双系统设计：在工业自动控制中，必须确保各种情况下能连续生产。pH温度智能控制系统设计时充分考虑到工业生产实际，在控制仪面板上设计了手动/自动双系统，加碱、加酸、冷却都分别设计有手动控制按钮及手动/自动转化开关，可无扰动切换，确保在各种情况下生产能正常进行。经过运行证明，这种设计方便了控制系统的检查、调试，特别是对电磁阀的检验，在特殊情况下可作应急处理，对工业现场应用有着非常实际的意义。但这种功能在一般pH检测控制仪表及DCS控制系统中鲜见。
1.3.5报警功能的设计：报警功能是工业仪表不可或缺的，尤其是对应用于上百吨发酵罐的pH值自动控制系统，其重要性不言而喻。本系统下位机仪表已经设计了报警功能，但考虑到发酵现场噪声极强，厂区大，人员少，仪表中的喇叭无济于事，故将警报功能由上位机完成。上位工控机根据用户设定的报警阈值，对所有检测数据进行判断，一旦发现数据超标，通过工控机驱动大功率警铃进行报警。实践证明效果很好。
2.结果
济南华明生化葡萄糖酸钠工程采用SBA－发酵在线pH温度智能控制系统，对发酵过程的关键参数pH值进行自动控制，一次投运成功。目前已运行半年多，共发酵90批次，系统稳定，操作方便。pH值控制精度达到0.1，满足了葡萄糖酸钠生产的要求，为进一步优化工艺，提高产品质量奠定了基础。经过对投产初期3批人工控制的发酵数据与采用自动控制的90批数据比较，转化率平均由101％提高到110％，提高了8.9%;平均发酵周期由30小时下降到26小时。采用自动控制技术，每班次还可减少2名操作员，按企业四班三运转制，共减少8名操作员，为企业带来了直接的经济效益。
3.结论
葡萄糖酸钠发酵过程存在本质的非线性、时变性和大滞后，对pH值的自动控制不能采用常规的控制方法。山东省科学院生物研究所自行研制的SBA－发酵在线pH温度智能控制系统，采用仿人工智能的模糊控制策略及其它相应措施，较好地解决了这一自动控制领域的难题。应用该系统，可以进一步稳定操作工艺，优化技术参数，提高产品质量，还能节约人力，降低生产成本，提高经济效益，不仅适用于葡萄糖酸钠发酵过程，也适用于其它工业发酵过程。该系统在120吨葡萄糖酸钠发酵罐上实现自动控制，为工业发酵过程的pH自动控制提供了成功的经验和方法。
