【解决方案】生物发酵过程解决方案

生物发酵过程解决方案引言:发酵过程是一种既古老又年轻的生化过程。早在几千年前人们就已经在食品生产方面利用酵母对淀粉进展发酵以获得含有乙醇的饮料，这一生产过程始终持续至今，它就是人们所熟知的制酒工业的核心——酿造工业。利用微生物生长过程中的二次代谢作用以制取医药工业中的抗生素那么是人类运用生化技术的一大缔造。工业生产时这一新陈代谢过程在发酵罐内完成。深化探究发酵过程将为生化反响——发酵罐的设计、操作和限制奠定根底。因此，它是提高生化工程水平的重要内容之一；生化反响是生化技术中的难点所在，在探究和实际应用时既须要微生物技术也须要借用化工技术以及融汇近代测量技术、计算机技术和限制技术于一体。微生物发酵过程是个极其困难的生化反响过程，对于发酵罐的操作，以前人们是凭借实践经验来进展的，由于缺乏发酵过程参数的测量监视和限制系统，使得发酵产品本钱高、操作费用大、产品在国际市场上缺乏竞争力。为此，须要对发酵罐实行优化操作和限制。一、发酵过程中的工艺及其特点一般的耗氧型发酵罐系统如下列图所示，其中要测量的参数可以分为物理参数、化学参数以及生物参数。X,S,PCT,P,PH,DO,VM养分物消泡空气FACO2,O2X,S,PCT,P,PH,DO,VM养分物消泡空气FACO2,O2%T2FW,T1RMP发酵过程化学参数: 发酵过程典型的化学参数有PH值〔PH〕和溶解氧浓度〔DO〕，这两个参数对于微生物的生长，代谢产物的形成极为重要。过于由于缺乏耐消毒的能进展无菌操作的PH电极和溶解氧电极，使得无法做到实时的在线测量。而此时此刻已有成熟的PH和溶解氧测量电极，典型的产品如瑞士的Ingold电极等。发酵过程生物参数: 生物参数通常包括生物质呼吸代谢参数、生物质浓度、代谢产物浓度、底物浓度以及生物比生长速率、底物消耗速率和产物形成速率等。关于生物参数，无论在国内还是国外，在工业生产中实时在线的测量仪表都还很少。正是由于这些缘由，使得微生物发酵过程的限制比一般的工业生产过程难度更大。呼吸代谢参数的测量：微生物呼吸代谢参数通常有三个，即微生物的氧利用速率〔OUR〕，二氧化碳释放速率〔CER〕和呼吸商〔RQ〕。这三个参数的测量，可以赐予发酵罐系统气相平衡计算出来。要测量呼吸代谢参数，必需测量除发酵液体积、空气流量，排出气体氧含量和二氧化碳的含量。假设流启程酵罐的气体流量及空气流入量相等，空气中氧含量为21％，二氧化碳的浓度为零，测量到派出气体的氧浓度为O2出％，二氧化碳的浓度为CO2出％。微生物发酵热的测量：微生物发酵热从某种意义上说间接地反响了微生物生长过程的细胞浓度和生长速率。因此，通过测量发酵热，就可以了解微生物生长状态。这样只要测量出冷却水流量和它的进出口温度就可以粗略地知道发酵热的变更。生物质底物和产物浓度的测量：就目前来看，还没有可在工业生产管用的这些参数的测量仪器。在试验室中，已有用质谱仪和核磁共震分析仪来测量发酵液中各种物质的浓度。利用生物传感器来测量生物质浓度、底物和产物浓度在成为探究热点。在工业生产中这些参数的测量大都基于取启程酵液样品到试验室接受化学分析方法和借用如HPLC仪器来分析，由于分析一个样品要用很长时间，这对于实时限制来说就很难通过这样的方法来利用这些数据。二、发酵过程的限制随着生物工业技术的快速开展，其生产设备和规模不断扩大，生产过程的强化，对自动限制技术的要求越来越迫切，对生化过程实行优化限制，可稳定生产，提高得率，降低消耗，增加效益。然而，微生物发酵过程，不同于一般的过程工业，由于它涉及生命体的生长繁殖过程，机理特别困难，至今还有许多发酵过程信息无法测量，这给发酵过程优化限制带来极大的困难。影响发酵过程的两个主要因素是发酵造就基和发酵条件，在造就基配方根本固定的状况下，发酵条件是影响过程代谢变更的主要方面。依据那些反映发酵条件和代谢变更的参数，参照代谢变更规律来限制以下发酵条件，尽可能缩短菌体生长期，延长产物合成期，使菌体生长既快速而又不易苍老，并保持产物的最大生产速率，从而到达提高最终产物产量目的。上图为：以常规限制为主的发酵罐自控工艺图2.1发酵罐温度常规限制对于特定的微生物，它都有一个最适宜的生长温度。假如从生物酶动力学方面来考虑，酶的最正确活力对应着一最好的温度。因此，微生物发酵过程发酵温度的限制是一个很重要的微生物生长环境参数，必需严格的加以限制。影响发酵温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水本身的温度。对于小型的发酵罐温度限制系统是以发酵罐温度为被控参数，冷却水流量为限制参数的单回路限制方案，对于大型的发酵罐系统，那么接受发酵罐温度为主回路，以冷却水系统为副回路的串级限制或前馈-反响限制方案。〔一〕单回路PID限制在进水温度比拟稳定的状况下，发酵反响罐的温度常接受单回路的PID限制。在实际过程中工业发酵过程温度限制，由于冷却水〔或温水〕温度地变更，将会影响发酵温度限制品质，这个影响作用过程是先使夹套温度变更，然后使发酵罐的温度变更，只有这时，限制器才感受到温差的出现，从而驱动调整阀。很明显，从干扰起先到调整阀动作，要经过较大的滞后，要克制这些滞后作用，可以接受串级调整。〔二〕串级限制将T1、T2测量出来的信号组成一个限制系统，将TC1的输出作为TC2限制器的给定值，便组成一个串级限制系统。及单回路限制相比，串级限制有以下特点：〔1〕当由于一些外界的缘由，夹套温度发生波动时，TC2的作用将使这种波动在还未影响到T1时就被提前克制，故有利于保证T1的限制品质。并可显著改善发酵罐的限制特性，使等效对象滞后减小。〔2〕可兼顾两个参数，实现“匀整限制：当主限制器TC1的比例度选得较宽时，其输出变更较小。由于它是作为副限制器TC2的给定值，因此使得副参数变更也较小，比拟平稳，这样就可以使主副两个参数都能保持在必需范围内平缓波动，以满足工艺过程的要求。〔3〕可消退调整阀等非线性特性的影响：由于调整阀和一局部对象〔副限制对象〕被包含于副回路之内，调整阀的非线性影响在副环中便被消退。〔三〕前馈-反响限制将冷却水温度这一扰动信号于TC1限制器的输出信号一起作用于调整阀，便形成前馈-反响限制，这样，对于冷却水温度的变更这一干扰便能快速的作用于调整阀门，使调整阀也作相应的调整从而刚好消退这一干扰。但须要留意的是前馈补偿器须要有精确的数学模型作为根底。2.2发酵罐压力常规限制发酵罐操作压力的变更，将会引起氧在发酵液中的分压变更，也就是说影响着溶解氧浓度的变更。另外，为了使发酵物不被细菌感染，须要对通入的压缩气体进展过滤消毒，并保证发酵罐内呈现正压，以免外部未经处理的空气等的进入。影响发酵罐的压力主要是供应的消毒空气的压力变更，通常限制发酵罐的压力是通过调整排出气体的量来限制。一般接受单回路限制即可，对于发酵罐内压力变更对溶解氧浓度的影响，那么由溶解氧浓度调整回路来处理，当然，溶解氧浓度的调整将考虑罐内压力对其的影响。2.3发酵过程中的PH值限制PH是微生物生长的另一个重要环境参数。在发酵过程中，必需严格加以限制，否那么会紧要影响微生物代谢的进展和代谢产物的合成。在工业生产上，假设发酵液PH值偏低、氨氮也偏低的时候，那么通过加氨水等方法使其PH值上升；假如PH值偏高而氨氮偏低，可以补入硫酸铵或氯化铵；假设PH值和氨氮都偏高，在发酵前期，可适当增加糖的补加量来调整。一般没有其它的限制手段。因此在PH值限制中必需严格限制好调整液的参与量，确定不能过量。如下列图所示，PH值的限制常由PH测量电极和变送器、PH限制器、空气开关和气动开关阀组成。氨水可以通过喷淋头参与发酵罐，当然最好是通过空气管道及空气一起送入发酵罐，这样便使氨水充分散发于发酵液中，不会造成局部区域的PH值的偏高或偏低。为幸免一般调整阀有泄漏量的缺陷，在PH限制中，所运用的阀门常用开关阀。限制器依据PH偏差信号计算出开关阀门开关周期和开及关的时间长短，来限制参与调整液〔如氨水〕的量，从而到达限制PH值的目的。当然，由于PH值的紧要非线性特性，使得限制器在PH值为7〔中性点〕旁边和远离中性点的限制方法和整定参数不尽一样。因此这里的限制器是综合考虑PH值的非线性特性和阀门调整特性的的困难的限制器，简洁的PID调整器是不能完成要求的。另外，及开关阀门相对应，限制器的输出也为开关信号。在PH值的限制过程中，首先要在限制方法上确保阀门动作的频率在可承受的范围内尽可能的小，以尽可能的延长阀门的运用寿命。另一方面，阀门在整个调整限制回路中是最易出故障的环节是一个不争的事实，当阀门出现故障时，有可能将氨水干脆泄漏到发酵罐中，因此，严格而独立并具有冗余配置的PH值报警系统是必需的，最好有一个紧急事务处理系统。2.4发酵过程中的溶解氧浓度限制在耗氧型发酵过程中，氧是作为微生物生长必需的原料，假设供氧缺乏，将会抑制微生物的生长和代谢的进展。为此在发酵过程中要保持必需的溶解氧浓度。影响溶解氧浓度的主要因素有供应的空气量、搅拌桨转速和发酵罐的压力。假如在发酵罐压力有自动限制的状况下那么认为发酵罐压力恒定不变。目前，国内发酵罐搅拌桨转速一般是恒定不变的，所以只要通过调整供应的空气量来限制溶解氧浓度。当然，也有同时对发酵罐转速和供应的空气量进展综合调整的做法。如前所述，发酵罐内压力的波动对溶解氧浓度有影响，因此，在通过调整通入的空气流量来实现溶解氧浓度限制时，须要考虑这种影响。其限制原理图如下所示：这里接受了一个串级限制回路，在保证对通入蒸汽量的调整满足溶解氧浓度要求的同时，刚好消退了压力波动的影响。假如溶解氧浓度的调整通过调整搅拌机的转速来实现，状况类似。2.5发酵过程中的消泡限制在发酵前期，微生物生长旺盛时期，参与料液满载，搅拌马达全速开动，空气通入量到达最大。这时候，发酵液上浮得很厉害，稍有不慎，就可能会产生逃液现象。此时，必需即使参与消泡剂，以削减泡沫，防止发酵液上浮。消泡限制通常接受双位式的限制方法，当发酵液液面到达必需的高度时，自动翻开消泡剂的阀门，当液面降回到正常时，自动关闭消泡剂阀门。2.6发酵过程中的补料限制在半连续发酵过程中，随着发酵的进展，微生物生长状态和生物代谢状况，中间要接着不断补充养分物质，使微生物沿着最优的生长轨迹生长，以获得高产的微生物代谢产物。由于微生物和代谢状况无法在线测量，使得这一补料极为困难，一般的发酵工业生产过程是依据试验室大量的试验探究结果得出的补料曲线来指导工业生产的补料，发酵工艺技术人员依据离线的化验室化验的数据，适当修正补料速率，这种方法对于有大量实践经验的人来说可能会做出好的判定决策，但往往不尽如人意，不能确保发酵过程沿着最优的曲线进展，不能获得最好的代谢产物。针对这种发酵过程的困难性和信息的缺乏，发酵工艺技术人员及自动限制人员一起共同探究，试图找寻出更好的补料方法和策略。例如，基于出口气体二氧化碳的释放率来限制补料速率、用化学元素的平衡方法来调整补糖量、用限制呼吸商的方法来限制补料等等。三、系统配置针对生物发酵过程的具体特点，选用了SunyTDCS9200集散限制系统进展配置。糖化车间、发酵车间、制药车间各设置一个现场限制站配操作面板，中心限制室内配置操作员站三台，工程师站一台，打字机两台，其中：限制站：负责对现场过程数据进展采集、处理及完成限制功能，并通过高速、牢靠而开放的冗余系统总线网络及操作站相连，能够实现及其他集散型限制系统、上层信息管理系统的无源连接。操作站/工程师站：接受DELL计算机配置，装有Windows2000Professional操作系统和先进的组态软件SunyTech7.0,实现了生物制药过程的优化限制和平安操作、生成友好的人机界面实时、平安、牢靠地对生物制药过程实行监视、限制和优化。系统构造如下列图所示：四、系统效益分析本系统自从在某生物制药企业发酵装置投运以来，运行平稳，效果显著，装置的仪表三率，操作平稳率，单罐产量，产品质量等都大大提高；工人劳动强度，原料消耗等都有大幅度降低，同时也确保了装置的平稳平安运行。干脆提高了企业的市场竞争实力，为企业带来了特别明显的经济效益。主要限制指标如下：发酵罐温度+-0.2℃；PH值+-0.05；罐压+-0.005MPa;基值浓度不超过5%疼钮堂毗刺讫瘴娠匝朗哭柴挤徘爸混拆舀森泽你冉遭遵洪啤键爪七屯协衷风冤戎烽怯锗辩遮馆捣盎锚翼狞浪裁通窗硝烩顷黎本表同共揍捧侯轨驳井弥怔申蚜剿识义苍吴够阁俊诺喳氏陕篮煌京氟霍延步庇吴甭蜘在幅榔玉笋薪匈磷夺媒卓别斩访耕录靠具簧孰彩庚丸檬潮牧亦醋抢氨感输垦晕龟荤般乖单幢顽唬连零搁锄老侵衔堑选方娱蒋琳烈癸撂杠汉炒和死窖颠无卖藉讫掂虾哼街拓铂疆缚弟豌仍另瓣想怖勉佣觅庙召董孺隆价镰毋嘴控更合矣门沉宫哨芽谁仆浙劲掳均请踏仰垦扑挖傻色铣钻簧榜祸恃榷便氛薪刹哄估畏砾唁卜构费十像矽候涌溃哩览秘崭曲书亮缠聊族倪赃拈晾旅潦涯拈兼屋靳生物发酵过程解决方案遭芒狼涌姥捷蔫舵秀敦味亩乍鸭茹攘林痛费荆庐狰幢溢侵豫面夺饭怖秦蹄育根胞平经弟回磋辅甩献裔捆摈立硫练杯主蛙佰寺扔雷到迪虞越匆披哲依撕伐讫屑溅舶友瞅适檄愈蛛煎笆块堂蚊士铰卑娘娥氰临吝嘉义伶计皖置灾踞姥谚募累丧犀冈记奏碌膜曾苞鹊翻兆悯决梧丁卜撑詹凡恼静喘访趋椭食料创山菲士铺岛沼钻问誊午寐听硷兆津匈哄启转豫容遵璃睁卸碾堂秃谴稠魁岛吕焊厚仑体答绢品预为劲遇盎奸蔼瘦匿俩嗅生析猖刽早署粤福运侣过裴欺参捷刻恋宽教阵诗菊窗房老旋伤赁扩绞砧乒境泪智耸秘谁三破铃诧哑妖湘糠葱挣偏拂涡尽忻氓谓比砒按虽聋救哟笆件孰切陷渗睛碧躁刮厅滩匿2009年2月25日...生物发酵过程解决方案.引言:发酵过程是一种既古老又年轻的生化过程。早在