微生物發(fā)酵系統.doc

微生物發(fā)酵系統學號:201001220515 姓名:雷拴紅 【摘要】微生物發(fā)酵過程是發(fā)酵行業(yè)中一個十分重要的生產環(huán)節(jié), 文章首先介紹了發(fā)酵生產過程中對發(fā)酵罐環(huán)境控制系統的研究。然后介紹了一種滿足發(fā)酵生產過程計算機集散控制系統( DCS) 的實際方案, 討論了系統功能及各級組成的設計問題。最后了解一套新開發(fā)的基于工業(yè)以太網先進控制結構、采用最新嵌入式系統控制技術、具有完備功能的監(jiān)控系統、采用先進控制技術并具備高級算法擴展功能的微生物發(fā)酵監(jiān)控系統?！娟P鍵詞】 環(huán)境控制系統 集散控制系統( DCS) 監(jiān)控系統 嵌入式應用一、前言微生物發(fā)酵是一個復雜的生化反應過程, 為了提高最終產物的得率, 必須保證在整個操作進程中有一個適宜的微生物生長代謝環(huán)境, 在此基礎上對發(fā)酵過程控制進行優(yōu)化。因此對發(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)。采用計算機控制, 可實現對發(fā)酵過程參數的在線實量檢測、記錄、圖形顯示、歷史數據的自動存儲、報表打印和環(huán)境參數自動控制。近年來，生物技術工業(yè)發(fā)展迅速，生物發(fā)酵技術和發(fā)酵裝置作為生物技術產業(yè)化的基礎，已引起人們廣泛的關注。微生物發(fā)酵過程，機理十分復雜，影響因素錯綜復雜，很難用確定的數學模型來描述，加之缺乏在線檢測發(fā)酵生物量參數的傳感器，給生物發(fā)酵自動化帶來了困難，因此開發(fā)一個能有效監(jiān)控系統十分必要的。二、正文1、微生物發(fā)酵過程環(huán)境控制系統發(fā)酵過程較為復雜, 涉及到微生物細胞的生長和代謝, 是一個具有時變性、隨機性和多變性輸入輸出的動態(tài)過程。由于有些變量( 菌體濃度、基質濃度、產物得率等) 在線檢測困難, 不能直接作為被控變量, 因此在發(fā)酵過程中主要采用與質量有關的變量, 如溫度、攪拌轉速、p H 值、溶解氧、通氣量、泡沫等作為被控變量。針對發(fā)酵過程中影響微生物代謝的各環(huán)境參數的重要性, 主要介紹對溫度pH、溶解氧和泡沫高度進行重點控制。（1） 溫度控制 溫度控制對于特定的微生物, 都有一個最適宜的生長溫度。因此, 微生物發(fā)酵過程的發(fā)酵溫度的控制, 是很重要的微生物生長環(huán)境參數。PID 控制算法是工業(yè)工程中應用最廣的、技術最成熟的基本控制算法, 考慮到其結構簡單, 參數易于調整, 控制精度高, 適用性廣,并具有無余差功能。所以溫度控制采用這種算法, 并單獨構成控制回路。（2） PH控制 PH值是微生物生長的另一個重要環(huán)境參數。在發(fā)酵過程中, 必須嚴格加以控制, 否則會嚴重影響微生物代謝的進行和代謝產物的合成。由于發(fā)酵過程pH 調節(jié)對象的特性的時變性較強, 故pH 調節(jié)劑的加入與發(fā)酵液pH 變化關系復雜,在某些pH 值附近，pH 變化對加入的pH 調節(jié)劑的量非常敏感, 而另一些pH 值附近, 靈敏度卻顯著降低。采用控制蠕動泵的通斷時間來調節(jié)發(fā)酵液中的pH 值可解決該問題。（3） 溶解氧濃度控制 在耗氧型發(fā)酵過程中, 氧是作為微生物生長必須的原料, 若供氧不足, 將會抑制微生物的生長和代謝的進行, 為此, 在發(fā)酵過程中, 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、攪拌槳轉速和發(fā)酵罐的壓力。目前,國內發(fā)酵罐溶解氧濃度的控制主要通過采用調節(jié)攪拌槳轉速或者調節(jié)供給的空氣量來實現, 并且多為人工操作, 控制精度不高?？蓪O 濃度變量( 主參數) 作為被控變量, 以攪拌轉速( 副參數) 為控制手段, 組成一個有主、副兩個回路的串級控制系統。轉速的實際值是不斷隨發(fā)酵罐內的溶氧的變化而變化的, 最后達到主參數控制在給定值上。（4） 液位與消泡控制 在發(fā)酵前期, 微生物生長旺盛。加入液料滿載, 攪拌馬達全速開動, 空氣通入量達到最大, 這時發(fā)酵液上浮很厲害, 稍有不慎, 就可能會產生逃液現象。此時必須及時加入消泡劑, 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元件, 當發(fā)酵液液面達到一定的高度時, 自動打開消泡劑的閥門, 當液面降回到正常時, 自動關閉消泡劑閥門。在消泡控制中,過程響應較慢, 所以控制回路中應加入時間延遲防止加入過量的消泡劑。2、微生物發(fā)酵微機集散控制系統在抗生素、酶制劑、味精釀造等發(fā)酵行業(yè)中, 微生物發(fā)酵過程是一個十分重要的生產環(huán)節(jié), 發(fā)酵的好壞直接影響到產品的數量、質量和生產成本。采用微機集散控制系統, 不但實現了發(fā)酵過程參數的在線實量檢測、記錄、圖形顯示、歷史數據的自動存儲、報表打印和環(huán)境參數自動控制, 而且為發(fā)酵工業(yè)的優(yōu)化控制奠定了良好的基礎。目前人們大都采用計算機控制技術進行發(fā)酵過程的自動控制, 其結構基本上都是采用工控機或PC機為上位機, 下位機則采用STD 總線或單片機, 系統復雜且成本較高?？刹捎蒙?、下位機的方式構建系統, 下位機采用PLC, 上位機采用普通PC 機。兩者通過串口進行通訊, 實現數據的采集與傳輸。首先, 采用PLC 作為下位機, 并設計成能自動選擇脫機( 脫離上位機) 或并機兩種運行方式, 由于PLC運行可靠, 一旦上位機出現問題, 不會影響下位機的正常運行, 另外,上、下位機之間的通訊采用專用的隔離電纜, 這樣能夠很好地避免現場信號對計算機的沖擊從而保護了計算機, PLC 本身具有內部與現場信號光電隔離的設計, 所以現場強電很難串入PLC 中, 這樣使系統能夠長時間地可靠運行。根據對發(fā)酵過程在線監(jiān)控及對實時信息進行分析管理的需要, 系統具有以下的功能:(1） 能數設定和通信功能: 包括控制參數設定、間接參數計算及離線參數輸入等; 實時接收由下位機發(fā)送來的檢測參數。(2） 檢測控制功能: 對發(fā)酵罐中主要的變量和生物量( 如攪拌轉速、培養(yǎng)液溫度、發(fā)酵液pH 值、溶解氧濃度值等) 進行在線測量, 對菌體濃度、產物濃度和基質濃度等間接參數進行在線計算, 以實時了解培養(yǎng)對象在發(fā)酵過程中的生理、生化特性、掌握其生長趨勢,為優(yōu)化工藝控制和過程放大提供實驗依據和理論基礎。(3） 屏幕顯示功能: 各種實時參數、圖表、帶實時發(fā)酵過程狀態(tài)動態(tài)刷新的發(fā)酵過程監(jiān)控流程圖的顯示, 以指導相應操作。(4） 操作管理功能: 在上位機中通過圖形操作界面及多層菜單, 選擇各種操作功能,包括設置限值、對下位機設置重要控制參數、采樣時間設定, 顯示或打印過程數據等。(5） 信息存儲及報表和曲線打印功能: 記錄及保存運行過程中的狀態(tài)、數據是發(fā)酵過程在線監(jiān)控中的一個重要任務。通過精確的記錄來滿足各種分析統計的要求, 以及對未來監(jiān)控的操作指導。記錄保存的一般實現方法是按一定的周期間隔獲取預先選定的數據集, 并把它們保存在一個數據庫文件中。3、微生物發(fā)酵過程的監(jiān)控系統新研發(fā)微生物發(fā)酵過程的監(jiān)控系統首先根據微生物發(fā)酵原理和過程，明確控制參數和控制對象模型；創(chuàng)新性地提出了指數積分PID 控制和模糊PID 控制算法，并在實際應用中得到了良好得控制效果；微生物發(fā)酵過程的監(jiān)控軟件設計方法，利用Lab Windows/CVI開發(fā)環(huán)境開發(fā)了具有流程圖顯示、實時和歷史趨勢圖顯示、歷史數據保存、Excel 格式報表、工業(yè)以太網通訊、自定義高級算法接口等完備功能的監(jiān)控軟件；最后針對使用Rabbit2000 作為嵌入式網絡控制器的不足，設計了基于ARM9 高級嵌入式微處理器和嵌入式Linux強大的嵌入式一體化機，并利用MSP430 微控制器設計了具有高抗干擾性、隔離的、能應用于惡劣工業(yè)環(huán)境的數據采集器，然后將多個數據采集器通過RS485 主從式總線連接到嵌入式一體化機，使系統具有更好的可擴展性。工業(yè)控制系統正朝著數字化、智能化、網絡化和開放化的方向發(fā)展。工業(yè)生產需要完成智能化，數字化改造、自動控制，嵌入式技術及其產品起到了至關重要的作用。嵌入式系統被定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、能適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式應用已由工業(yè)、通信和網絡擴展到與數字多媒體相關的消費領域,其強勁的發(fā)展勢頭驗證了全球數字化革命的倡導者尼葛洛龐帝的預言：嵌入式應用是PC 和互聯網之后最偉大的應用發(fā)明。該系統借助迅猛發(fā)展的嵌入式系統技術在工業(yè)控制中的應用，設計了具有良好的開發(fā)性、分散的、易于擴展和集成的控制結構。并且設計了直觀的、友好的、便于操作的、能兼容其他程序的監(jiān)控軟件。3、 結語本文主要介紹了微生物發(fā)酵過程環(huán)境控制系統的幾種環(huán)境參數以及如何通過計算機集散控制系統實現對微生物發(fā)酵的自動化控制。微生物發(fā)酵過程是發(fā)酵行業(yè)中一個十分重要的生產環(huán)節(jié), 文章介紹的計算機集散控制系統( DCS) 的實際方案, 主要討論了系統功能。隨著生物技術工業(yè)的迅速發(fā)展，生物發(fā)酵技術和發(fā)酵裝置作為生物技術產業(yè)化的基礎，微生物發(fā)酵過程中的控制系統將會越來越精細完善，生物發(fā)酵自動化中的問題也會逐漸消失。參考文獻1王道中 吡哌酸嘧啶酯微機控制系統 J 化工自動化及儀表 20002吳會松 動態(tài)數據交換中的“并發(fā)性”J微電腦世界1997 年第八期3蘇春玉 TCS 集散系統在金霉素發(fā)酵過程中的應用 J 化工自動化及儀表 19994易異勛 制藥工業(yè)青霉素發(fā)酵過程微機控制的研究和設計 J 長沙電力學院學