DCS集散控制在青霉素发酵生产中的应用

1、DCS DCS 在青霉素发酵生产过程在青霉素发酵生产过程中的应用中的应用 一、引言一、引言 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

2、重要的影响因素。二、生产工艺特点二、生产工艺特点 青霉素发酵是二级发酵二级发酵，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。 青霉素发酵为半连续发酵半连续发酵。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

3、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。 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 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 大罐发酵控制系统大罐发酵控制系统 1 1）发

4、酵大罐的检测点）发酵大罐的检测点发酵温度、消毒温度发酵温度、消毒温度空气流量检测空气流量检测pHpH值检测值检测DODO检测检测液位检测液位检测 2 2）控制点）控制点 发酵温度控制发酵温度控制 自动补料控制自动补料控制 pHpH值控制值控制 消沫控制消沫控制3 3）发酵控制要求及方案）发酵控制要求及方案 （1 1）发酵大罐发酵温度控制）发酵大罐发酵温度控制工艺要求：发酵罐温度控制在工艺要求：发酵罐温度控制在26-2826-28度，发酵液度，发酵液温度通过冷却水控制，波动不大于温度通过冷却水控制，波动不大于0.50.5度，当发酵度，当发酵液较少时，发酵液温度不进行控制。液较少时，发酵液温度不进

5、行控制。控制精度：控制精度：0.50.5度。度。控制方案：发酵罐温度采用单回路调节。控制方案：发酵罐温度采用单回路调节。 （2 2）自动补给控制）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。放料电磁阀停

6、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

7、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。 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；发酵温度，消毒温度； 好流量检测；好流量检测； pHpH值检测。值检测。 2）种子罐控制点 发酵温度控制发酵温度控制 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，其温度波动较大种子罐温度自动控制：发酵小罐由于体积小，其温度波动较大，温度控制一般为双向控制。一般前期加热水保温，后期加冷，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。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

8、机根据事先设置的温度控制死区，超过温度控制死区加冷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，开阀时间水，低于温度控制死区加热水，开阀时间t t及开阀周期及开阀周期T T由人工由人工设定。设定。 控制精度：不超过控制精度：不超过0.50.5度。度。 控制方案：时间比例控制方式。控制方案：时间比例控制方式。 系统框图如图3所示四、四、DCS控制系统设计控制系统设计图3 青霉素发酵过程控制示意图 关键控制回路的设计 在青霉素发酵中，关键的控制点是对补料的控制。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

9、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 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

10、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。五、总结五、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/输出信号采用和利时公司医药专用板卡。 （6）系统组态方便。系统带有丰富的函数库和丰富的图库，并有强大的在线帮助功能，使系统组态易学易用，即便初学者也能比较顺利的完成任务