DCS在青霉素发酵生产过程中应用

1、DCS在青霉素发酵生产过程中应用一、引言n 青霉素是发酵代谢过程中的产物，青霉素发酵是涉及青霉菌生长、繁殖及生产的复杂生产过程，主要有配料、消毒、种子、发酵、生化、霉菌及过滤等工序。青霉素发酵的生产水平取决于生产菌种的特性与发酵条件。在确定了生产菌种的条件下，要使青霉素发酵水平稳定、提高，发酵工艺调控是关键，发酵过程控制是发酵工艺调控方法的具体实施与体现。有效的调控发酵，通过对菌种的环境条件和代谢变化规律参数进行测量，使青霉菌代谢沿着有利于青霉菌的分泌方向进行，以较低的能耗和物耗生产较多的发酵产品，达到稳定和提高发酵水平的目标，发酵过程控制是一个重要的影响因素。二、生产工艺特点n 青霉素发酵是

2、二级发酵，发酵大罐和种子罐发酵。发酵工艺的主要控制对象是由种子罐、发酵罐和补料系统三大部分组成。种子培养基实消后接入孢子，在一定的温度、压力及空气流量等条件下培养一定时间后转移至发酵罐；发酵培养基经实消后接入种子，在一定的温度、压力及空气流量等条件下进行发酵。n 青霉素发酵为半连续发酵。当发酵进行到一段时间后，开始定量补如母液、前体、硫胺。氨水及水等料，以及时满足青霉素菌合成产物的需要。当发酵到一定时间后，由于有害代谢物的不断累积，产物积累最终难免受到阻遏，常用的解决办法是进行带放。放掉部分发酵液，补入适当料液，这样不仅补入了养分和前体，而且代谢有害物被稀释，有利于产物的继续合成。随着发酵周期

3、的延长，青霉素进行量的积累，在产率降低时开始放罐。整个发酵周期一般在200h左右。n 青霉素发酵的工艺流程示意图如图1所示 孢子种子罐发酵罐过滤配料自动消沫母液前体硫胺氨水水消毒灭菌消毒灭菌培养发酵图1 青霉素发酵的工艺流程示意图n 青霉素发酵罐测量、控制点示意图如图2所示 图2 青霉素发酵罐测量、控制点示意图其中：T1、P1、F1：分别为进入发酵罐的消毒空气温度、压力、流量；T2 、P2 、VCO2 、VO2：分别为尾气温度、压力、CO2含量和氧含量；T31 、T32 ：分别为冷却水进、出口温度；P3 、F3：分别为冷却水进口压力和流量；T4 ：发酵罐温度；B ：发酵过程补料量；A ：搅拌电

4、流；pH：发酵液pH 值；DO2：发酵液溶解氧浓度；：搅拌速度；X、S、P、V:分别为发酵液中的菌丝浓度、葡萄糖浓度、产物效价、发酵体积。三、影响青霉素发酵水平的因素n 温度对发酵的影响 在发酵过程中需要维持生产菌的生长和生产的适当发酵条件，微生物的生长和产物的合成均需在其各自合适的温度下进行。温度是保证酶活性的重要条件，因此，在发酵过程中必须保证最适宜的温度环境。温度的变化对发酵过程产生两方面的影响：一是直接影响发酵过程中的各种反应速度；二是发酵罐内温度通过影响发酵液的物理性质，间接影响产物的合成。n pH值对发酵的影响 pH值是微生物生长和产物合成的非常重要的状态参数，是微生物代谢活动的综

5、合指标。青霉素发酵一般采用在发酵过程中通过氨气控制pH值，既调节了pH值在适合青霉素合成的范围内，也补充了产物合成所需的氮源。青霉素生物合成的最适宜pH值为6.5-6.8。 n 补料对发酵的影响 在半连续发酵中总菌量、黏度和氧的需求一直在增加，直到氧气受到限制。据此，可通过补料速率的调节来控制生长和氧耗，使菌处于半饥饿状态，以使发酵液有足够的氧，从而达到高的青霉素生产速率。n 泡沫对发酵的影响 发酵过程中因通气搅拌与发酵产生的二氧化碳，以及发酵液中糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫的物质的存在，使发酵液含有一定数量泡沫，这是正常的现象。泡沫的存在可以增加汽液接触面积，有利于氧的传递。当发酵液中含有大

6、量泡沫时，会引起“逃液”，给发酵带来负面影响，表现在：（1）损失发酵液；（2）增加杂菌污染的机会；（3）消沫剂的加入有时会影响发酵或给提炼工序带来麻烦。四、控制要求和控制方案n 概述概述 青霉素发酵控制系统主要完成对所有相关点的数据采集、控制和补料控制。发酵岗位控制系统分为两部分： （1）大罐发酵控制系统 （2）种子罐发酵控制系统n 大罐发酵控制系统大罐发酵控制系统 1）发酵大罐的检测点发酵温度、消毒温度空气流量检测pH值检测DO检测液位检测 2）控制点发酵温度控制自动补料控制pH值控制消沫控制3）发酵控制要求及方案 （1）发酵大罐发酵温度控制工艺要求：发酵罐温度控制在26-28度，发酵液温度

7、通过冷却水控制，波动不大于0.5度，当发酵液较少时，发酵液温度不进行控制。控制精度：0.5度。控制方案：发酵罐温度采用单回路调节。 （2）自动补给控制 采用放料等待方案，每一种料需要一个计量罐，一个进料阀，一个放料阀，一个检测电极。发酵罐补料采用小计量罐自动补料控制系统。补料控制机理：以打开进料阀开始进料作为补料过程的开始，待物料上升接触电极，关闭进料电磁阀同时开放放料电磁阀，放料时间结束，关放料电磁阀停止放料，等待下一个补料周期的到来，如此周而复始。补料控制要求： 补料控制系统稳定、可靠； 补料量计量准确； 在线修改补料加率； 在线修改设定放料时间； 手动置进放料阀； 动态显示进料时间； 补

8、给的料能够显示累加； 能够进行物料报警； 在线开关补料启动开关。精度要求：回路控制周期0.05s。（3）泡沫控制 青霉素一般采用在发酵过程中加油来控制泡沫带来的负面影响，加油过多会影响发酵及给提炼工序带来麻烦。需要一个计量罐，一个进料阀，一个放料阀，一个检测电极。 发酵罐加油采用小计量罐自动补料控制系统，补料原理与氨水加率控制类似。 泡沫控制的补料控制要求、精度要求及控制方案与pH值控制的完全相同。 n 种子罐发酵控制系统种子罐发酵控制系统 1）种子罐检测点发酵温度，消毒温度；好流量检测；pH值检测。 2）种子罐控制点发酵温度控制 3）种子罐控制方案种子罐温度自动控制：发酵小罐由于体积小，其温

9、度波动较大，温度控制一般为双向控制。一般前期加热水保温，后期加冷水冷却；要实现温度自动控制，必须有冷热水自动转换装置。计算机根据事先设置的温度控制死区，超过温度控制死区加冷水，低于温度控制死区加热水，开阀时间t及开阀周期T由人工设定。控制精度：不超过0.5度。控制方案：时间比例控制方式。n 系统框图如图3所示五、DCS控制系统设计图3 青霉素发酵过程控制示意图n 测点配置 根据现场生产过程测控需要，测控点均为常规测点，即4-20mA模拟量输入测点（AI），4-20mA模拟量输出测点(AO)，干接点开关量输入测点(DI)，继电器开关量输出测点(DI)，确定测控点规模如下： AI(4-20mA):

10、152; AO(4-20mA):48; DI(干接点):96； DO（24V DC/0.5A）:240。n 控制站设计 控制系统采用和利时公司的MACS系统。根据生产过程测控要求，配置一个现场控制站和2个远程控制站。针对医药行业滴加补料的特殊要求，对开关量输入/输出信号采用和利时公司医药专用板卡。控制站和远程控制站之间采用现场总线连接，有效保证数据传输的实时性。根据现场生产特点及用户需要，I/O模块没有做热冗余。n 系统可靠性设计 系统可靠性设计是系统设计的主要因素，通过选择高可靠性的硬件系统，配合高可靠性的系统设计和应用软件设计，提高整个控制系统的可靠性。 控制站设计充分体现了功能分散、危险

11、分散、容错的分布式控制系统理念。不存在因某个硬件故障导致整个控制系统瘫痪的问题。公用部分采用1：1冗余，即主控制器、电源模块及通信部分采用全冗余技术。 系统软件采用实时、多任务嵌入式操作系统，编译生产的程序小，CPU负荷轻，有效提供了系统的可靠性。 应用软件充分考虑了各种诸如系统可靠性、补料计量准确性、回路控制精度，以及可能出现的漏料、上料、放料等情况。 系统采用UPS供电，避免了现场临时停电给系统带来的影响。n 数据实时保证 （1）控制网络采用现场总线（Profibus-DP），传输速率为500kbps-12Mbps。 （2）系统网络采用100MB以太网（/协议）。 （3）控制回路控制周期一

12、般为500ms。 （4）补料控制回路控制周期为50ms。 （5）趋势记录的采周期和存储时间据用户需求而定。一般采样周期设为smin，存取时间为个月或年。 n 系统安全性的设计 系统可根据用户的实际需要设定5种级别不等的权限，对不同的权限赋予不同的操作对象或不同的可视范围。有效地划分不同的权限所能操作的范围，提高了系统的操作安全性。 如果系统停电，控制站主控单元掉电保护功能将系统数据保存，重新上电后，主控单元能够在不进行任何干预的情况下继续正常运行。 如果主控单元掉电而I/O模块有电，控制回路输出掉电保持功能将故障给系统的影响控制在最小范围内。n 关键控制回路的设计 在青霉素发酵中，关键的控制点

13、是对补料的控制。补料控制包括进料阀和放料阀控制。 （1）进料阀控制如图4所示ANDNOTORNOTNOT补料开关电极放料电磁阀进/放料报警启动脉冲补料周期到进料电磁阀图4 进料阀控制逻辑图 （2）放料阀控制及补料量计算如图5所示ANDCTUANDTIMNOTMUL2电极补料开关补料量放料电磁阀图5 放料阀控制及补料量计算逻辑图n 系统操作界面的设计 主要操作界面如下所述： （1）小罐工艺流程图画面 小罐工艺流程图画面主要包括：小罐温度控制，空气流量、发酵时间显示，空气流量累计显示。 （2）中罐工艺流程图画面 中罐工艺流程图画面主要包括:中罐温度控制，空气流量、pH值、发酵时间显示，空气流量累计

14、显示。 （3）大罐工艺流程图画面 大罐工艺流程图画面包括:大罐温度控制，pH值控制，自动补料控制，消沫控制；空气流量、溶氧、发酵液体积、发酵时间及自动补料状态参数显示，空气流量累计显示等。 （4）其他画面 1）操作主菜单画面； 2）系统参数总貌画面； 3）大罐参数趋势画面； 4）大罐补料参数趋势画面； 5）中、小罐参数趋势画面； 6）系统参数趋势画面。六、工程实施过程中的常见问题六、工程实施过程中的常见问题 （1）电源供电系统应有可靠的接地，如果系统设计有UPS不间断电源，UPS的输入电源的输出电源的外壳应可靠的接地。另外，应保证供电电源的质量符合要求。 （2）现场控制站、操作员站应有可靠的保

15、护接地，接地电阻小于1欧姆。 （3）系统保护地、信号屏蔽地应分开敷设，信号屏蔽地接地电阻小于1欧姆。另外，注意屏蔽信号线单端接地。 （4）仪表信号线和动力线应按设计规范分开敷设。 （5）认真检查现场接线的正确性。 （6）现场电磁阀到隔膜阀的气路管线应尽可能缩短，以减小气源管路的气容，缩短整个控制回路的回路控制周期。 （7）因电磁阀动作频率高，其相对故障率较高，现场应选用质量好的电磁阀。 （8）补料控制周期要短，以保证补料控制准确，回路控制周期一般设置为50ms。 （9）编制控制应用程序应把控制条件考虑全面，避免误动作的发生。七、总结 该系统的硬件、软件运行稳定，应用软件满足用户需求，为用户降低

16、了能耗、物耗，降低了生产成本，提高了收益率，给用户带来了经济效益。总结起来，系统有以下特点： （1）故障分散。I/O模块处理的点数一般较少，即使I/O模块发生故障（在没有冗余的情况下），最多影响单点或几个点，影响面较小，所造成的损失也比较低。每个I/O模块都可做到1:1的热冗余，但在实际应用中，用户为了降低成本，只对一部分关键点及调节回路进行冗余，即部分冗余。 （2）控制站公用部分采用1:1冗余，即主控制器、电源模块及通信部分采用全冗余技术，大大提高了系统的可靠性。 （3）现场控制站主控单元计算速度高。在控制周期非常短（50ms）时，主控制的负荷不高（低于30%）。 （4）远程控制站的使用，可以大大降低电缆费用，缩短安装时间。 （5）医药专用板卡。针对医药行业补料的特殊需要，对开关量输入/输出