工业发酵pH自动控制系统设计_刘仲汇

发 酵 科 技 通 讯 第 38 卷第 3 期 2009 年 7 月 发酵工程 (fermentationengineering)是利用微 生物的特定性状和功能， 通过现代化工程技术生 产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体 系，而为了达到预期目的，获得较高的产品得率， 需要采取各种方法控制影响微生物代谢变化的环 境参数，有效控制发酵过程。 微生物发酵是在一定条件下进行的，其代谢 变化通过各种参数反映出来， 特别是发酵过程 中发酵液 pH 值的变化，是菌体生长和代谢的综 合表现，对微生物生长具有非常明显的影响。 其 主要表现为：①影响酶的活性，当 pH 值抑制菌 体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢； ②影响微生物细胞膜所带电荷的状态， 改变细 胞膜的通透性， 影响微生物对营养物质的吸收 和代谢产物的排泄； ③影响培养基中某些组分 的解离，进而影响微生物对这些成分的吸收；④ pH 值不同， 往往引起菌体代谢过程的不同，使 代谢产物的质量和比例发生改变。 由于 pH 值对 菌体生长和产物的合成产生明显的影响， 所以 在工业发酵中，维持最适 pH 值已成为生产成败 的关键因素之一 [1-2]。 然而，由于 pH 控制过程存在着本质非线性、 时变性和纯滞后， 一直被认为是过程控制中最困 难的之一 [3-4]。 特别是微生物发酵，是一个极其复 杂的生化反应过程， 其生物学属性增加了 pH 过 程控制的难度[5]。 而对于工业大罐发酵，除了这些 特点更加突出之外，还带来许多特殊问题。 目前， 虽有一些关于工业规模发酵罐自动控制方面的报 道， 但 pH 值自动控制在工业发酵中的应用还远 没有普及，特别是在一些老的发酵企业，仍然采样 传统的人工检测、手动调节的方式。问题的关键在 于缺乏针对工业规模发酵特点而设计的 pH 自动 控制系统。 作者根据工业发酵罐及大生产环境特 点， 设计了产品化的 SBA-P1 工业发酵 pH 温度 智能控制系统， 应用于 120t 葡萄糖酸钠发酵罐 上，取得显著的效果。 1 工业发酵的特殊性及 pH 控制系统设计 难点 一般实验室小发酵罐只有几升， 至多不过上 百升，而工业发酵罐在 1m2以上，大到 793m3(氨基 酸发酵)[6]。 随着容积的扩大，发酵强度的提高，也 给 pH值的自动控制带来很多特殊问题。 1．1 首先是 pH 控制对象的大滞后问题更加突出。 不同容积的罐体其滞后系数相差很大。 严重的大 滞后，使过程控制的难度增加。 1．2 工业化的连续大生产特点不允许反复进行实 验。因此控制参数的调整就变得异常困难，特别是 那些依赖于现场参数的控制模式。 1．3 对于这样大型的发酵罐系统， 若操作控制不 当，将会造成极大的经济损失。 这对 pH控制系统 的可靠性提出了很高要求。 工业发酵 pH自动控制系统设计 刘仲汇 朱思荣 杨艳 史建国 孟庆军 （山东省科学院生物研究所，山东省生物传感器重点实验室 山东济南 250014） 摘 要：工业发酵与实验室发酵相比，不仅仅是发酵罐容积的扩大，还带来许多特殊问题，对其进 行过程控制的难度也大大增加。 目前虽有一些关于工业发酵自动控制方面的报道，但针对其设计的产 品化的 pH自动控制系统鲜有报道。 作者根据工业规模发酵罐的特点，设计了专用的工业发酵 pH温度 智能控制系统，应用于 120t葡萄糖酸钠发酵罐上，取得显著的效果。 关键词：工业 发酵 pH值 自动控制 —19— 发 酵 科 技 通 讯 第 38 卷 1．4 工业发酵现场的强电磁干扰也是对控制系统 的严峻考验。 目前工业发酵大罐常采用大功率变 频调速来调节搅拌电机转速， 在节约了能源的同 时也带来强电磁干扰。 这个干扰一方面是对 pH 传感器。pH传感器是高阻抗输出，极易受到干扰， 特别是在长线传输时。 另一方面对控制及通讯系 统也存在严重干扰。 因此系统的抗干扰设计必须 满足现场要求，否则根本无法运行。 1．5发酵过程是一个纯种培养过程，必须保证无菌 操作。由于发酵罐中含有丰富的营养物质，易受杂 菌污染，轻则造成反应介质的 pH 值改变、收率降 低、品质下降，重则“倒罐”。 所以工业发酵特别强 调“无菌”概念。 因此 pH传感器及执行器的配套、 安装都是重要的环节，稍有不慎就可能造成染菌， 给企业带来损失。 1．6目前我国的发酵企业仍以劳动密集型为主，企 业的管理水平和技术水平都还不高， 因而对控制 系统的可操作性、 易维护性以及管理功能也提出 很高的要求。 因此， 在进行 pH 控制系统设计时首先需要 对工业发酵的特点给予足够重视, 充分考虑罐体 大小在控制方案上带来的变化。 不仅要从技术的 角度及从系统工程的角度考虑， 还要考虑参数的 调整方便易行，既要考虑技术的先进性，又要考虑 系统的实用性、可靠性、易操作性及易维护性。 2 SBA-P1 工业发酵 pH 温度自动控制系 统设计 基于目前工业发酵罐专用 pH 控制系统的缺 乏及上述考虑，本文作者设计了 SBA—P1 工业发 酵 pH 温度智能控制系统。 该系统由一套工业控 制计算机(上位机)、多套 pH 温度智能控制仪 (下 位机)、pH 传感器、温度传感器、执行器、485 工业 控制网络等部分组成。 其中 pH 温度智能控制仪 为基于 ATMEL 高性能单片机的智能控制仪表， 完成对发酵罐的 pH、温度参数的在线检测、信号 处理、数据显示、参数设置，并根据用户设置的控 制曲线完成自动控制。 做为系统管理的上位机采 用工业控制计算机， 接收 pH 温度智能控制仪传 送的 pH、温度检测参数，进行实时显示、数据存 储、报警输出、历史数据回顾、工艺曲线浏览。该系 统 pH 传感器既可选用耐高温灭菌进口玻璃电 极，也可选用金属电极，温度检测采用 PT1000 铂 电阻， 控制执行器采用德国耐酸碱腐蚀、 高可靠 性、无噪声的电磁阀或气动阀，配合软件实现精细 自动调节。 系统结构原理如图 1。 图 1 系统组成原理图 针对工业发酵的特殊性， 在进行系统设计时 采取了以下措施： 2．1针对工业发酵罐体大小不同、 发酵菌种不同、 发酵工艺不同所带来的变化， 该控制系统采用人 工智能控制策略， 克服了工业大罐发酵 pH 变化 的严重非线性及大滞后的影响， 从而保证发酵液 的 pH值稳定，以利于微生物的生长代谢。 设计了 适合不同发酵罐类型的多种控制方案， 用户可根 据实际应用进行选择。 2．2 对于一些特殊发酵工艺，例如谷氨酸发酵，需 要分段控制 pH 值， 还设计了按工艺曲线控制的 模式，可以预先输入多段控制参数，每个时间段分 别控制加酸、加碱或酸碱控制。 同样，温度也可以 分段控制，每个时间段分别控制加热、制冷或冷热 控制。 2.3 发酵过程是一个连续的不间断过程， 有的发 酵周期长达 200多 h， 如果 pH检测出现偏差，就 可能造成控制错误。为此设计了在线校正功能，可 在发酵过程中对 pH 零点和线性进行修正， 进一 步保证了 pH检测的准确性。 2．4 除选用的 ATMEL 高性能单片机本身具有较 强抗电磁干扰能力外， 还通过进一步的抗干扰设 计，如信号隔离、电源隔离、现场单独布线等措施 有效解决了现场强电磁干扰问题。 2．5针对工业化连续大生产的特点， 配备自动 ／手 动控制双系统。手动功能在正常情况下可做调试、 检修使用，特殊情况做应急处理。 2．6考虑到工业现场的特殊性，设计了大功率报警 —20— 发 酵 科 技 通 讯 第 38 卷第 3 期 2009 年 7 月 系统，确保生产过程万无一失。 2．7 传感器及执行器的配套充分考虑现场安装及 灭菌问题。 2．8仪器的操作界面简单化，易操作，易更换，并强 化了管理功能，设置有口令，以防误操作。 3 应用 该系统于 2007 年 1 月应用到济南华明生化 有限公司 120t 葡萄糖酸钠发酵罐上，至今已经连 续稳定运行两年多。 运行结果 pH 控制精度在+ 0.1—0.1，实际运行曲线见图 2。 由于发酵过程控 制平稳，为发酵菌种生长提供了良好的环境，因而 提高了发酵转化率，缩短了发酵周期。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 批发酵数据比较， 转化率平均由 101％提高到 110％，提高了 8．9％；平均发酵周期由 30h 下降到 26h。采用自动控制技术，还减少了操作人员，为企 业带来直接的经济效益。此外，该系统通过计算机 进行数据存储、查询、曲线显示，为企业加强管理， 进一步研究改进工艺提供了基础资料。 4 结论 迅速发展的生物技术为工业发酵领域实现自 动化提供了动力和源泉。 只要我们充分认识工业 发酵的特殊性，深入现场研究解决具体问题，把工 业发酵的 pH 自动控制不仅仅作为技术问题来处 理， 更要作为工程问题来处理， 就能够将先进的 pH控制技术推广应用于工业发酵领域。 参考文献： [1]宋超先 .微生物及发酵基础教程 [M].天津：天津大学出版 社，2007 [2]沈萍，微生物学[M]．北京：高等教育出版社，2000 [3]王亚林,王曼丽，工业发酵过程最优化控制的难点与对策， 武汉工业学院学报，2002，3（6-8） [4]李仲清，林金钳.基于 PLC 的工业发酵自动控制解决方案， 福建化工，2005，2(22-24) [5]张星元，冯晶如.工业发酵的生物学属性对发酵过程最优 控制的制约与对策 [J].食品于发酵工业，1997．04(47-77) [6]于信令，于军.氨基酸发酵工程的新进展，全国玉米深加工 产业交流展示会·论文集，（121-122） [7]石荣华，虞军 .大型发酵罐设计及实例 ，医药工程设计杂 志， 2002，23(1)：5-10 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! " 杭州西湖味精集团有限公司（杭州味精厂）职工技协可供应优质的大肠杆菌脱羧酶，欢迎 来电来函联系。 地址：杭州市秋涛路 306号 邮编：310016 电话：0571-86069772 86077101 传真：0571-86064336 联系人：于光选 程长平 大肠杆菌脱羧酶供应信息 —21—