DCS集散控制在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、DCS DCS 在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用中的應(yīng)用 一、引言一、引言 青霉素是發(fā)酵代謝過程中的產(chǎn)物，青霉素發(fā)酵是涉及青霉菌生長、繁殖及生產(chǎn)的復(fù)雜生產(chǎn)過程，主要有配料、消毒、種子、發(fā)酵、生化、霉菌及過濾等工序。青霉素發(fā)酵的生產(chǎn)水平取決于生產(chǎn)菌種的特性與發(fā)酵條件。在確定了生產(chǎn)菌種的條件下，要使青霉素發(fā)酵水平穩(wěn)定、提高，發(fā)酵工藝調(diào)控是關(guān)鍵，發(fā)酵過程控制是發(fā)酵工藝調(diào)控方法的具體實施與體現(xiàn)。有效的調(diào)控發(fā)酵，通過對菌種的環(huán)境條件和代謝變化規(guī)律參數(shù)進(jìn)行測量，使青霉菌代謝沿著有利于青霉菌的分泌方向進(jìn)行，以較低的能耗和物耗生產(chǎn)較多的發(fā)酵產(chǎn)品，達(dá)到穩(wěn)定和提高發(fā)酵水平的目標(biāo)，發(fā)酵過程控制是一個

2、重要的影響因素。二、生產(chǎn)工藝特點二、生產(chǎn)工藝特點 青霉素發(fā)酵是二級發(fā)酵二級發(fā)酵，發(fā)酵大罐和種子罐發(fā)酵。發(fā)酵工藝的主要控制對象是由種子罐、發(fā)酵罐和補(bǔ)料系統(tǒng)三大部分組成。種子培養(yǎng)基實消后接入孢子，在一定的溫度、壓力及空氣流量等條件下培養(yǎng)一定時間后轉(zhuǎn)移至發(fā)酵罐；發(fā)酵培養(yǎng)基經(jīng)實消后接入種子，在一定的溫度、壓力及空氣流量等條件下進(jìn)行發(fā)酵。 青霉素發(fā)酵為半連續(xù)發(fā)酵半連續(xù)發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行到一段時間后，開始定量補(bǔ)如母液、前體、硫胺。氨水及水等料，以及時滿足青霉素菌合成產(chǎn)物的需要。當(dāng)發(fā)酵到一定時間后，由于有害代謝物的不斷累積，產(chǎn)物積累最終難免受到阻遏，常用的解決辦法是進(jìn)行帶放。放掉部分發(fā)酵液，補(bǔ)入適當(dāng)料液，這樣

3、不僅補(bǔ)入了養(yǎng)分和前體，而且代謝有害物被稀釋，有利于產(chǎn)物的繼續(xù)合成。隨著發(fā)酵周期的延長，青霉素進(jìn)行量的積累，在產(chǎn)率降低時開始放罐。整個發(fā)酵周期一般在200h左右。 青霉素發(fā)酵的工藝流程示意圖如圖1所示 孢子種子罐發(fā)酵罐過濾配料自動消沫母液前體硫胺氨水水消毒滅菌消毒滅菌培養(yǎng)發(fā)酵 青霉素發(fā)酵罐測量、控制點示意圖如圖2所示 圖2 青霉素發(fā)酵罐測量、控制點示意圖三、控制要求和控制方案三、控制要求和控制方案 概述概述 青霉素發(fā)酵控制系統(tǒng)主要完成對所有相關(guān)點的數(shù)據(jù)采集、控制和補(bǔ)料控制。發(fā)酵崗位控制系統(tǒng)分為兩部分： （1）大罐發(fā)酵控制系統(tǒng) （2）種子罐發(fā)酵控制系統(tǒng) 大罐發(fā)酵控制系統(tǒng)大罐發(fā)酵控制系統(tǒng) 1 1）發(fā)

4、酵大罐的檢測點）發(fā)酵大罐的檢測點發(fā)酵溫度、消毒溫度發(fā)酵溫度、消毒溫度空氣流量檢測空氣流量檢測pHpH值檢測值檢測DODO檢測檢測液位檢測液位檢測 2 2）控制點）控制點 發(fā)酵溫度控制發(fā)酵溫度控制 自動補(bǔ)料控制自動補(bǔ)料控制 pHpH值控制值控制 消沫控制消沫控制3 3）發(fā)酵控制要求及方案）發(fā)酵控制要求及方案 （1 1）發(fā)酵大罐發(fā)酵溫度控制）發(fā)酵大罐發(fā)酵溫度控制工藝要求：發(fā)酵罐溫度控制在工藝要求：發(fā)酵罐溫度控制在26-2826-28度，發(fā)酵液度，發(fā)酵液溫度通過冷卻水控制，波動不大于溫度通過冷卻水控制，波動不大于0.50.5度，當(dāng)發(fā)酵度，當(dāng)發(fā)酵液較少時，發(fā)酵液溫度不進(jìn)行控制。液較少時，發(fā)酵液溫度不進(jìn)

5、行控制?？刂凭龋嚎刂凭龋?.50.5度。度?？刂品桨福喊l(fā)酵罐溫度采用單回路調(diào)節(jié)?？刂品桨福喊l(fā)酵罐溫度采用單回路調(diào)節(jié)。 （2 2）自動補(bǔ)給控制）自動補(bǔ)給控制 采用放料等待方案，每一種料需要一個計量罐，一個進(jìn)料閥，一個放料閥，一個檢測電極。發(fā)酵罐補(bǔ)料采用小計量罐自動補(bǔ)料控制系統(tǒng)。補(bǔ)料控制機(jī)理：以打開進(jìn)料閥開始進(jìn)料作為補(bǔ)料過程的開始，待物料上補(bǔ)料控制機(jī)理：以打開進(jìn)料閥開始進(jìn)料作為補(bǔ)料過程的開始，待物料上升接觸電極，關(guān)閉進(jìn)料電磁閥同時開放放料電磁閥，放料時間結(jié)束，關(guān)升接觸電極，關(guān)閉進(jìn)料電磁閥同時開放放料電磁閥，放料時間結(jié)束，關(guān)放料電磁閥停止放料，等待下一個補(bǔ)料周期的到來，如此周而復(fù)始。放料電磁閥停

6、止放料，等待下一個補(bǔ)料周期的到來，如此周而復(fù)始。補(bǔ)料控制要求：補(bǔ)料控制要求： 補(bǔ)料控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠； 補(bǔ)料量計量準(zhǔn)確； 在線修改補(bǔ)料加率； 在線修改設(shè)定放料時間； 手動置進(jìn)放料閥； 動態(tài)顯示進(jìn)料時間； 補(bǔ)給的料能夠顯示累加； 能夠進(jìn)行物料報警； 在線開關(guān)補(bǔ)料啟動開關(guān)。 精度要求：回路控制周期精度要求：回路控制周期0.05s0.05s。（3 3）泡沫控制）泡沫控制 青霉素一般采用在發(fā)酵過程中加油來控制泡沫帶來的負(fù)面影響，加油過多會影響發(fā)酵及給提煉工序帶來麻煩。需要一個計量罐，一個進(jìn)料閥，一個放料閥，一個檢測電極。 發(fā)酵罐加油采用小計量罐自動補(bǔ)料控制系統(tǒng)，補(bǔ)料原理與氨水加率控制類似。 泡沫控制的

7、補(bǔ)料控制要求、精度要求及控制方案與pH值控制的完全相同。 種子罐發(fā)酵控制系統(tǒng)種子罐發(fā)酵控制系統(tǒng) 1）種子罐檢測點 發(fā)酵溫度，消毒溫度；發(fā)酵溫度，消毒溫度； 好流量檢測；好流量檢測； pHpH值檢測。值檢測。 2）種子罐控制點 發(fā)酵溫度控制發(fā)酵溫度控制 3）種子罐控制方案 種子罐溫度自動控制：發(fā)酵小罐由于體積小，其溫度波動較大種子罐溫度自動控制：發(fā)酵小罐由于體積小，其溫度波動較大，溫度控制一般為雙向控制。一般前期加熱水保溫，后期加冷，溫度控制一般為雙向控制。一般前期加熱水保溫，后期加冷水冷卻；要實現(xiàn)溫度自動控制，必須有冷熱水自動轉(zhuǎn)換裝置。水冷卻；要實現(xiàn)溫度自動控制，必須有冷熱水自動轉(zhuǎn)換裝置。計算

8、機(jī)根據(jù)事先設(shè)置的溫度控制死區(qū)，超過溫度控制死區(qū)加冷計算機(jī)根據(jù)事先設(shè)置的溫度控制死區(qū)，超過溫度控制死區(qū)加冷水，低于溫度控制死區(qū)加熱水，開閥時間水，低于溫度控制死區(qū)加熱水，開閥時間t t及開閥周期及開閥周期T T由人工由人工設(shè)定。設(shè)定。 控制精度：不超過控制精度：不超過0.50.5度。度。 控制方案：時間比例控制方式?？刂品桨福簳r間比例控制方式。 系統(tǒng)框圖如圖3所示四、四、DCS控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計圖3 青霉素發(fā)酵過程控制示意圖 關(guān)鍵控制回路的設(shè)計 在青霉素發(fā)酵中，關(guān)鍵的控制點是對補(bǔ)料的控制。補(bǔ)料控制包括進(jìn)料閥和放料閥控制。 （1）進(jìn)料閥控制如圖4所示ANDNOTORNOTNOT補(bǔ)料開關(guān)電極放

9、料電磁閥進(jìn)/放料報警啟動脈沖補(bǔ)料周期到進(jìn)料電磁閥圖4 進(jìn)料閥控制邏輯圖 （2）放料閥控制及補(bǔ)料量計算如圖5所示ANDCTUANDTIMNOTMUL2電極補(bǔ)料開關(guān)補(bǔ)料量放料電磁閥圖5 放料閥控制及補(bǔ)料量計算邏輯圖 系統(tǒng)操作界面的設(shè)計 主要操作界面如下所述： （1）小罐工藝流程圖畫面 小罐工藝流程圖畫面主要包括：小罐溫度控制，空氣流量、發(fā)酵時間顯示，空氣流量累計顯示。 （2）中罐工藝流程圖畫面 中罐工藝流程圖畫面主要包括:中罐溫度控制，空氣流量、pH值、發(fā)酵時間顯示，空氣流量累計顯示。 （3）大罐工藝流程圖畫面 大罐工藝流程圖畫面包括:大罐溫度控制，pH值控制，自動補(bǔ)料控制，消沫控制；空氣流量、溶

10、氧、發(fā)酵液體積、發(fā)酵時間及自動補(bǔ)料狀態(tài)參數(shù)顯示，空氣流量累計顯示等。 （4）其他畫面 1）操作主菜單畫面； 2）系統(tǒng)參數(shù)總貌畫面； 3）大罐參數(shù)趨勢畫面； 4）大罐補(bǔ)料參數(shù)趨勢畫面； 5）中、小罐參數(shù)趨勢畫面； 6）系統(tǒng)參數(shù)趨勢畫面。五、總結(jié)五、總結(jié) 該系統(tǒng)的硬件、軟件運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用軟件滿足用戶需求，為用戶降低了能耗、物耗，降低了生產(chǎn)成本，提高了收益率，給用戶帶來了經(jīng)濟(jì)效益?？偨Y(jié)起來，系統(tǒng)有以下特點： （1）故障分散。I/O模塊處理的點數(shù)一般較少，即使I/O模塊發(fā)生故障（在沒有冗余的情況下），最多影響單點或幾個點，影響面較小，所造成的損失也比較低。每個I/O模塊都可做到1:1的熱冗余，但在實際應(yīng)用中，用戶為了降低成本，只對一部分關(guān)鍵點及調(diào)節(jié)回路進(jìn)行冗余，即部分冗余。 （2）控制站公用部分采用1:1冗余，即主控制器、電源模塊及通信部分采用全冗余技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 （3）現(xiàn)場控制站主控單元計算速度高。在控制周期非常短（50ms）時，主控制的負(fù)荷不高（低于30%）。 （4）遠(yuǎn)程控制站的使用，可以大大降低電纜費(fèi)用，縮短安裝時間。 （5）醫(yī)藥專用板卡。針對醫(yī)藥行業(yè)補(bǔ)料的特殊需要，對開關(guān)量輸入/輸出信號采用和利時公司醫(yī)藥專用板卡。 （6）系統(tǒng)組態(tài)方便。系統(tǒng)帶有豐富的函數(shù)庫和豐富的圖庫，并有強(qiáng)大的在線幫助功能，使系統(tǒng)組態(tài)易學(xué)易用，即便初學(xué)者也能比較順利的完成任務(wù)